CN201678988U - 一种堰顶高程可变式量水堰 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种堰顶高程可变式量水堰，它包括框门，框门内设有挡水板，所述的挡水板包括上部的固定挡水板和下部的活动挡水板，活动挡水板顶部设有第一卡块，固定挡水板和活动挡水板之间设有丁字型堰板，堰板下部设有可与第一卡块相卡接的第二卡块，堰板顶部固连有提升梁，提升梁外侧设有标尺。本实用新型结构简单，操作方便，水位流量关系可以通过数学模型计算，实测值与理论值误差可控制在5％以内，测流精度高，淹没度限值为0.8左右。

Description

一种堰顶高程可变式量水堰

技术领域

本实用新型涉及一种量水堰，尤其涉及一种堰顶高程可变式量水堰。

背景技术

灌区量水是灌区水资源优化配置和现代化管理的基本手段。活动堰是一种能用于专门测量流量，且既能根据需要改变堰顶高程，改变堰上水深，从而控制过堰流量，具有测流和控流的双重功能的装置。活动堰的惯用堰板为圆弧形进口，这样的进口形式有利于水流的平顺过度，增大堰的过流能力，即流量系数值较大。根据相关试验表明其流量系数值在不同堰顶水头下是不同的，而且流量系数的计算又没有成熟的理论，如果要得到精确的水位流量关系即不同堰顶水头相应的流量系数，就得进行实验率定，费事费力，从而影响到活动堰在灌区量水的推广。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述问题而提供一种结构简单，操作方便，可通过理论进行水位流量计算、测流精度高的堰顶高程可变式量水堰。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：

它包括框门，框门内设有挡水板，所述的挡水板包括上部的固定挡水板和下部的活动挡水板，活动挡水板顶部设有第一卡块，固定挡水板和活动挡水板之间设有丁字型堰板，堰板下部设有可与第一卡块相卡接的第二卡块，堰板顶部固连有提升梁，提升梁外侧设有标尺。

上述的堰板在框门的前侧为折线型。

上述折线型的坡度为1∶3。

与现有技术相比，本实用新型取得了以下的技术效果：

1、实用新型结构简单，操作方便，水位流量关系可以通过数学模型计算，实测值与理论值误差可控制在5％以内，测流精度高，淹没度限值为0.8左右；

2、通过将堰板在框门前侧摄制成坡度为1∶3的折线型，可以进一步减小理论误差和提高测流精度。

附图说明

图1为本实用新型正常工作时的结构示意图；

图2为本实用新型堰板提升时的结构示意图；

图3为本实用新型冲洗堰前沉积物时的结构示意图；

图4为本实用新型侧剖视图。

其中：1-第二卡块、2-活动挡水板、3-堰板、4-提升梁、5-框门、6-标尺、7-固定挡水板、8-第一卡块。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的实施例。

实施例1

参见图1-4，一种堰顶高程可变式量水堰，它包括框门5，框门内设有挡水板，所述的挡水板包括上部的固定挡水板7和下部的活动挡水板2，活动挡水板顶部设有第一卡块8，固定挡水板和活动挡水板之间设有丁字型堰板3，堰板在框门的前侧为坡度大约在1∶3的折线型，堰板下部设有可与第一卡块相卡接的第二卡块1，堰板顶部固连有提升梁4，提升梁外侧设有标尺6。

本实用新型的使用方法：参见图1，正常工作时，活动挡水板在框门的底部，底部被封闭，水流从堰板顶部和固定挡水板之间的孔口流过；参见图2，通过提升梁改变堰板顶部的高程，而控制堰顶水深，从而达到控制流量的目的，测流时，通过读取标尺上的水头尺寸，并通过数学模型计算出活动堰通过的水流流量；参见图3，在冲洗堰前沉积物时，继续提升提升梁第一卡块和第二卡块卡接，堰板带动活动挡水板上移，活动挡水板下部产生孔洞，水流从孔洞流出，便可冲洗堰前沉积物。

本新型水流流量的数学模型和计算方法，如下：

活动堰作为临界水深量水建筑物，其测流水力计算基本原理是：应用临界流条件、连续性方程和能量方程，在考虑水头损失和流速分布不均匀的条件下，进行临界流状态下的流量计算。作为临界水深测流建筑物，其控制断面为临界流流态，其临界流条件为：

${\mathrm{\α}}_v{v}_c^2/g=A_c/B_c---\left(1\right)$

结合连续性方程：

Q＝A₁v₁＝A_cv_c＝常数        (2)

能量方程：

$H_1=h_1+{\mathrm{\α}}_1{v}_1^2/\left(2g\right)=y_c+{\mathrm{\α}}_c{v}_c^2/\left(2g\right)+\mathrm{\Δ}{H}_1---\left(3\right)$

可得到流量计算式：

$Q=\sqrt{g{A}_c^3/\left({\mathrm{\α}}_c{B}_c\right)}---\left(4\right)$

其中：v₁为上游断面平均流速；v_c为控制断面平均流速；A₁为上游断面过流面积；A_c为控制断面过流面积；ΔH1为上游测量断面到堰板末的整个上游段水头损失；B_c为堰板段水面宽度；α1、αc为动能修正系数。

在计算实际流量时，要考虑水流流经活动堰的水头损失ΔH1及流速分布不均匀对测流的影响。对于流速分布的不均匀性，引入流速分布系数α来进行修正；对于流经活动堰的水头损失，采用边界层理论进行分析。为了准确分析边界层对水流的影响，将控制断面和水位测量断面之间分为三个部分，分别考虑各部分的水头损失：(a)上游测量断面到上游收缩段起点这一段，即La段水头损失ΔHa；(b)上游收缩段，即Lb段水头损失ΔHb；(c)堰板段，即L段水头损失ΔHL。因而整个上游段的水头损失为：

ΔH1＝ΔHa+ΔHb+ΔHL

(1)水流流经堰板段的水头损失ΔH_L

堰板段边界层阻力系数可以用下式求出：

$C_F=C_{F,L}-\frac{L_x}{L}{C}_{F,x}+\frac{L_x}{L}{C}_{f,x}---\left(5\right)$

式中：C_F，L为堰板段边界层全部为紊流边界层时的阻力系数；C_F，x为L_x段为紊流边界层时的阻力系数；C_f，x为L_x段为层流边界层时的阻力系数。

其中L_x可以联立下面两式求得：

${\mathrm{Re}}_x=350000+\frac{L}{k}---\left(6\right)$

${\mathrm{Re}}_x=\frac{v_c{L}_x}{v_i}---\left(7\right)$

上面两式中，(6)为经验公式，(7)为雷诺数的定义式。其中：Re_x为层流边界层的雷诺数；v_i为运动粘性系数；k为绝对粗糙高度，单位为米(m)。

Harrison依据边界层理论推导出计算紊流边界层阻力系数的试算公式：

$C_{F,L}=\frac{{0.544C}_{F,L}^{0.5}}{{5.61C}_{F,L}^{0.5}-0.638-\ln [{\left({\mathrm{Re}}_L{C}_{F,L}\right)}^{-1}+{(4.84C_{F,L}^{0.5}L/k)}^{-1}]}---\left(8\right)$

其中： ${\mathrm{Re}}_L=\frac{v_{c}L}{v_i}.$

分别用C_F，x、Re_x、L_x替换(8)式中的C_F，L、Re_L、L后，便可求出C_F，x。

层流边界层阻力系数用Schlichting(1960)建议的公式计算：

$C_{f,x}=\frac{1.328}{{\mathrm{Re}}_x^{0.5}}---\left(9\right)$

如果Re_L＜Re_x，则整个边界层处于层流边界层状态，此时，用Re_L代替式(9)中的Re_x得：

$C_F=C_{f,L}=1.328/{\mathrm{Re}}_L^{0.5}---\left(10\right)$

这时将所有相关值代入(11)式后便可求出堰板段水头损失ΔH_L。

(2)引渠段的水头损失ΔH_a

因为该渠段水流边界层已充分发展为紊流边界层，所以C_F值取为常数：0.00235。用边界层理论计算该段水头损失的公式如下：

$\mathrm{\Δ}{H}_a=\frac{L_a{v_1}^2}{R_1}\frac{C_F}{2g}---\left(11\right)$

式中：L_a为引渠段的长度，一般不小于上游观测点处最大水头的1～2倍；R₁为上游测量断面的水力半径；v₁为上游测量断面的平均流速。

(3)上游收缩段的水头损失ΔH_b

因为上游收缩段水流边界层也处于紊流状态，故C_F值亦取为0.00235。

上游收缩段水头损失ΔH_b的计算采用平均水头损失公式计算：

$\mathrm{\Δ}{H}_b=\frac{0.00235L_b}{4g}(\frac{v_1^2}{R_1}+\frac{v_b^2}{R_b})---\left(12\right)$

式中：L_b为收缩段渠底沿水流方向的水平投影长度；v_b为堰板入口断面的水流平均流速；R_b为堰板入口断面的水力半径。

为求v_b和R_b，必须知道堰板入口断面的水深y_b，我们采用如下的近似计算公式，计算堰板入口断面水深：

$y_b=y_c+\frac{5}{8}(h_1-y_c)---\left(13\right)$

(4)动能修正系数α

堰板段动能修正系数α_c公式计算：

${\mathrm{\α}}_c=1+({3\mathrm{\ϵ}}^2-{2\mathrm{\ϵ}}^3)(1.5\frac{D}{R}-0.5)(0.025\frac{L}{R}-0.05)---\left(14\right)$

其中：D＝A/B； $\mathrm{\ϵ}=1.77\sqrt{C_{F.L}}.$

上式中要求：1≤[1.5(D/R)-0.5]≤2；0≤[0.025(L/R)-0.05]≤1，超出上述范围时，取临近的边界值。

将水头损失ΔH1和动能修正系数α，分别代入上面推导出的流量计算式，便得到实际流量。计算实际流量的具体步骤如下：

步骤一：首先应计算出理想流量Qi，并作为计算实际流量的初值；

步骤二：计算水头损失ΔH1及动能修正系数αc和yc值；

步骤三：应用和

两式分别计算流量Q和上游水头H1，再求得此时相应的yc值，反复重复这一步直到yc满足计算精度；步骤四：yc满足计算精度以后，再由

求得流量Q，若流量Q与前一次所得流量值的误差绝对值满足精度要求，则停止计算，否则依次重复步骤二、三和四步，直到Q收敛为止，最后得到的Q值即为实际流量。

本实用新型的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (3)

1.一种堰顶高程可变式量水堰，它包括框门(5)，框门内设有挡水板，其特征在于：所述的挡水板包括上部的固定挡水板(7)和下部的活动挡水板(2)，活动挡水板顶部设有第一卡块(8)，固定挡水板和活动挡水板之间设有丁字型堰板(3)，堰板下部设有可与第一卡块相卡接的第二卡块(1)，堰板顶部固连有提升梁(4)，提升梁外侧设有标尺(6)。

2.按照权利要求1所述的堰顶高程可变式量水堰，其特征在于：所述的堰板在框门的前侧为折线型。

3.按照权利要求2所述的堰顶高程可变式量水堰，其特征在于：所述折线型的坡度为1∶3。

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