CN2833530Y - U形渠道便携式圆柱体量水槽 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种U形渠道便携式圆柱体量水槽，其适用于小型圆弧底直线段外倾(切线)的U形渠道，结构简单，施工制作容易，成本低；不产生淤积，使用方便；测量精度较高。本实用新型包括一段圆弧底上切一直线段的平直U形渠道和上游面标有刻度的圆柱体，圆柱体垂直安装在渠道轴线上，圆柱体也可为圆柱筒。

Description

U形渠道便携式圆柱体量水槽

一、技术领域：

本实用新型涉及一种农业渠道量水装置，尤其是涉及一种U形渠道便携式圆柱体量水槽。

二、背景技术：

渠道量水是灌区灌溉用水管理的基本条件，是促进节约用水，提高灌水质量和灌溉效率的有力措施，是实行计划用水和精确引水、输水、配水和灌水的重要手段，也是核订和计收水费的主要依据。20世纪90年代后期，随着对节水认识的提高，量水工作作为节约用水的一个重要环节逐步引起人们的普遍重视。水利部1999年下发了《关于全面加强节约用水的指导意见》，明确要求逐步完善计量设施，实行按用水量计量收费。财政部、国家计委、农业部2000年下发的《关于取消农村税费改革试点地区有关涉及农民负担的收费项目的通知》要求按实际供水量和规定的水费标准收取，严禁按田亩或人头强行向农民摊派等不规范的收费行为，以减轻农民负担。因此，加大渠道量水设施的研究和推广应用，是我国农业节水的一项重要内容。

在渠道量水方面，堰类量水建筑物如薄壁堰、宽顶堰一般要求抬高底坎，容易造成淤积；孔类量水装置如孔板、喷嘴等要求有压出流且孔口较小，易引起泥沙、杂草等的壅积或堵塞。利用量水槽进行渠道量水，具有壅水高度小、不易淤积、量水精度高等优点，Par shall(1920)提出了巴歇尔量水槽、Skogerboe等(1972)提出了矩形无喉段量水槽，它们已广泛应用于梯形和矩形渠道，但由于其临界淹没度较小(0.6-0.8)，在缓坡渠道上易产生淹没出流，测量精度差，同时，在U形渠道上应用时，由于与渠槽不匹配造成水面波动大，对测流精度有显著影响。目前，我国U形渠道量水槽主要形式有U形渠道抛物线形无喉段量水槽、直壁式量水槽、圆底形量水槽等，它们具有与U形渠道衔接自然、不抬高底坎、过泥沙能力强、工程量较小、量水精度较高等优点，但施工要求较高，施工难度大。

利用圆柱(筒)进行渠道量水研究方面，Hager(1985)证明将一个圆柱(筒)或圆锥筒垂直安装在梯形渠道轴线上可以量测流量，并应用此理论和室内试验建立了圆管或圆锥筒垂直安装在梯形渠道内的标准方程；吴高巍和周子奎(1991)依据明渠水力学原理推导出了几种棱柱体剖面渠道圆柱(筒)量水槽的水头～流量关系，并在矩形渠道中通过试验确定了柱体直径和校正系数；Zohrab Samani和Henry Magallanez(1993)通过室内试验测定了一种简易活动量水槽的水力特征，这种量水槽由边坡为1∶1的梯形渠道和垂直安装在渠内轴线上的圆管组成。

渠道防渗衬砌是目前我国应用最广泛的节水灌溉工程技术，20世纪70年代，我国开始采用U形断面渠道，U形断面接近水力最佳断面，具有过流能力大、输水能力强、防渗效果显著、抗外力性能好等优点，并且渠口窄，渠道占地面积小，随着U形渠道衬砌机械的应用和完善，U形渠道应用越来越广泛。同时，根据地面渠道受力特点，将标准U形断面改为直线段可外倾的U形断面，具有结构抗冻、抗折、过流能力强等优点，已成为灌区中小型渠道衬砌的主要形式。现有量水设施大多存在的结构复杂、施工难度大、阻水现象严重、多泥沙灌区渠道淤积及因淤积而影响量水精度、群众难以掌握。

三、实用新型内容：

本实用新型为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种U形渠道便携式圆柱体量水槽，其适用于小型圆弧底直线段外倾(切线)的U形渠道，结构简单，施工制作容易，成本低；不产生淤积，使用方便；测量精度较高。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种U形渠道便携式圆柱体量水槽，其特殊之处在于：包括一段圆弧底上切一直线段的平直U形渠道和上游面标有刻度的圆柱体，圆柱体垂直安装在渠道轴线上。

上述圆柱体也可为圆柱筒。

量水槽的临界水深和流量方程为：

$E=h_k+\frac{A_k}{\left(\frac{{2\∂A}_k}{\∂h_k}\right)}$

$Q=\sqrt{\frac{{{\mathrm{gA}}_k}^3}{\left(\frac{\∂\mathrm{Ac}}{\∂h_k}\right)}}$

其中E为临界流上游断面能量。

量水槽的相对能量(H/L)和相对流量(Q_m/Q_c)的无因次关系式为：

$\frac{Q_m}{Q_c}=0.1094{\left(\frac{H}{L}\right)}^{0.4344},$ R²＝0.9486

式中：Q_m-实测流量；

Q_c-④和⑤式计算的理论流量；

H-上游能量；

L-U形渠道的弦长。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点和效果如下：

1.量水槽结构简单，施工制作容易，成本低；

2.可以移动使用，不产生淤积，管理使用方便；

3.测量精度较高，根据试验结果，最大误差为3.78％，满足灌区量水要求；

4.量水槽最大淹没比为0.84，具有较宽的自由出流范围，不易造成淹没出流；

5.量水槽的断面收缩比为0.57～0.69，圆柱体(筒)直径选择范围较大。

四、附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的I-I剖面图；

图3为图1的II-II剖面图。

1-圆柱体(筒)，2-U形渠，3-水面线。

五、具体实施方式：

本实用新型U形渠道便携式圆柱体(筒)量水槽由一段圆弧底上切一直线段的平直U形渠道2和上游面标有刻度的圆柱体(筒)1组成，量测水量时，将圆柱体(筒)1垂直安装在渠道2轴线上，测得上游水深，即可计算出渠道流量。

将圆柱体(筒)1垂直安装在渠道2轴线上量测水量，是利用圆柱体(筒)l缩窄渠道过流断面形成足够的水面降落，使其测流断面产生临界水流状态，形成稳定的水位～流量关系，通过上游水位计算渠道流量。

应用传统的能量方程和弗汝德数的关系描述水流通过量水槽的运动，假定流速分布是均匀的，临界流上游断面的能量方程为：

$E=h_0+\frac{Q^2}{2g{A}^2}---\left(1\right)$

其中：E——临界流上游断面能量；

h₀——上游水深；

Q——流量；

A——临界流上游横断面面积。

假定量水槽水平，上游断面和临界流断面之间的能量损失忽略不计，上游断面和临界流断面能量相等，则：

$E=E_k{=h}_k+\frac{Q^2}{2g{A_k}^2}---\left(2\right)$

其中：E_k——临界流断面能量；

h_k——临界流断面水深；

Q——流量；

A_k——临界流横断面面积。

在圆管和渠道之间最小断面处水流成为临界流态，产生临界流时弗汝德数等于1，临界流态方程为：

$\frac{Q^2}{{{\mathrm{gA}}_k}^3}\left(\frac{{\∂A}_k}{\∂h_k}\right)=F^2=1---\left(3\right)$

合并②和③得：

$E=h_k+\frac{A_k}{\left(\frac{{2\∂A}_k}{\∂h_k}\right)}---\left(4\right)$

$Q=\sqrt{\frac{{{\mathrm{gA}}_k}^3}{\left(\frac{\∂\mathrm{Ac}}{\∂h_k}\right)}}---\left(5\right)$

当给定渠道断面形状和尺寸后，利用④和⑤式，即可计算该量水槽的临界水深和流量。

对于圆弧底上切一直线段的U形渠道，如果柱体直径为d，圆弧半径为r，圆弧夹角为θ，上部切线段边坡为m。则临界流断面面积可表示为hk的函数：

当 $h_k>r(1-\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2})$ (θ为弧度)

$A_K=\frac{r^2}{2}(\mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ})+2r\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}[h_k-r(1-\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2})]$

$+m{[h_k-r(1-\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2})]}^2-A_d$

当 $h_k\≤(1-\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2})$ 时

$A_K=r^2\arccos \frac{r-h_k}{r}-(r-Y)\sqrt{{2\mathrm{rh}}_k-{h_k}^2}-A_d$

$A_d=d[h_k-(r-{\sqrt{r^2-\left(\frac{d}{c}\right)}}^2)]+[r^2\arcsin \frac{d}{2r}-\frac{d\·r}{2}{\sqrt{1-\left(\frac{d}{2r}\right)}}^2]$

假定临界流断面处流速分布是均匀的，圆管上游水尺读数就等于上游能量，如果测出上游能量，利用④和⑤式就可以计算出临界水深h_k和流量Q的理论值。但是，由于临界流断面的流速分布不均匀和流线弯曲的影响，计算的流量应乘以一个校正系数。Hager(1985)针对梯形渠道圆柱或圆锥筒量水槽，根据理论分析和室内试验证明其校正校数是上游能量和渠道收缩宽度的函数，ZohrabSamani和Henry Magallanez(1993)针对梯形渠道圆拄体量水槽，建立了相对能量(H/B)和相对流量(Q_m/Q_c)的无因次关系式，利用该关系式和试验数据计算其校正系数，其中，Q_m为实测流量，Q_c为理论计算流量，H和B分别为上游能量和渠道底宽。

对于圆弧底上切一直线段的U形渠道，校正校数可以作为相对能量H/L的函数求得，其中H为上游能量，L为U形渠道的弦长。利用试验数据建立了相对能量(H/L)和相对流量(Q_m/Q_c)的无因次关系式：

$\frac{Q_m}{Q_c}=0.1094{\left(\frac{H}{L}\right)}^{0.4344},$ R²＝0.9486            ⑥

式中：Q_m-实测流量；

Q_c-④和⑤式计算的理论流量；

H-上游能量；

L-U形渠道的弦长。

利用④、⑤和⑥式，如果测出圆管上游水尺读数，就可以计算出渠道流量。

Claims (4)

1、一种U形渠道便携式圆柱体量水槽，其特征在于：包括一段圆弧底上切一直线段的平直U形渠道(2)和上游面标有刻度的圆柱体(1)，圆柱体(1)垂直安装在渠道(2)轴线上。

2、根据权利要求1所述的U形渠道便携式圆柱体量水槽，其特征在于：所述圆柱体(2)为圆柱筒。

3、根据权利要求2所述的U形渠道便携式圆柱体量水槽，其特征在于：量水槽的临界水深和流量方程为：

$E=h_k+\frac{A_k}{\left(\frac{2{\∂A}_k}{{\∂h}_k}\right)}$

$Q=\sqrt{\frac{{{\mathrm{gA}}_k}^3}{\left(\frac{\∂\mathrm{Ac}}{{\∂h}_k}\right)}}$

其中E为临界流上游断面能量。

4、根据权利要求3所述的U形渠道便携式圆柱体量水槽，其特征在于：量水槽的相对能量(H/L)和相对流量(Q_m/Q_c)的无因次关系式为：

$\frac{Q_m}{Q_c}=0.1094{\left(\frac{H}{L}\right)}^{0.4344},$ R²＝0.9486

式中：Q_m-实测流量；

Q_c-④和⑤式计算的理论流量；

H-上游能量；

L-U形渠道的弦长。

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