基于自由流條件巴歇爾量水槽的選型和施工.doc

1、基于自由流條件巴歇爾量水槽的選型和施工 【摘要】巴歇爾量水槽的選型和施工時(shí)槽底高h(yuǎn)的設(shè)定是決定巴歇爾量水槽能否形成自由流且準(zhǔn)確量水的重要因素。本文列舉了巴歇爾量水槽在灌區(qū)應(yīng)用中存在的問題，詳細(xì)分析了各種影響因素，提出了巴歇爾量水槽選型和施工的要點(diǎn)和方法，為灌區(qū)廣泛推廣應(yīng)用巴歇爾量水槽提供參考。 【關(guān)鍵詞】 巴歇爾量水槽；選型原則； 槽底高設(shè)計(jì)；施工要點(diǎn)； 中圖分類號(hào)：s611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： a 前言 昌馬灌區(qū)位于河西走廊西端的疏勒河中游，地處東經(jīng)96159740，北緯40204034，東起四墩門，西至瓜州牧場(chǎng)，南依祁連山北麓的昌馬水庫(kù)，北臨橋?yàn)?、飲馬北山，東西長(zhǎng)105km，南北寬1525km。區(qū)

2、內(nèi)地形平坦開闊，地勢(shì)南高北低，東高西低。昌馬灌區(qū)干支斗各級(jí)計(jì)量設(shè)施共有217座。過去常用的計(jì)量設(shè)施多為斷面量水和梯形量水堰。近幾年來隨著灌區(qū)管理水平的不斷提升和灌區(qū)陽光水務(wù)工作的開展，灌區(qū)管理和廣大用水戶對(duì)灌區(qū)用水計(jì)量提出了更高的要求，原有的量水設(shè)施由于計(jì)量精度差、泥沙淤積等問題，已經(jīng)越來越不適應(yīng)灌區(qū)的發(fā)展需要，為改變這一現(xiàn)狀，從2008年起灌區(qū)管理部門開始對(duì)現(xiàn)有的計(jì)量設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模改造。巴歇爾量水槽其具有壅水低、淤積較小、精度高、適用范圍廣、觀測(cè)方便等優(yōu)點(diǎn)，成為灌區(qū)計(jì)量設(shè)施改造的首選。 一、巴歇爾量水槽的簡(jiǎn)介 巴歇爾槽(parshall flume)的原型是文丘利水槽, 1922年f.l.p

3、arshall對(duì)此進(jìn)行了根本性的變革,制作了現(xiàn)在通用的巴歇爾槽。以后又多次重復(fù)了水力學(xué)實(shí)驗(yàn),制成了尺寸為1英寸到50英寸的各種量水槽。巴歇爾槽名字是1929年美國(guó)土木學(xué)會(huì)命名的。巴歇爾量水槽結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。其各部位尺寸根據(jù)求解函數(shù)不同劃分為三類： 1、經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定為常數(shù)者： f=60cm；g=90cm；k=8cm；n=23cm； 2、經(jīng)實(shí)驗(yàn)決定為喉道寬度w的函數(shù)者：a=0.51w+122cm；b=0.5w+120cm；c=w+30cm；d=1.2w+48cm。 3、經(jīng)實(shí)驗(yàn)決定為槽底高h(yuǎn)的函數(shù)者： 上游護(hù)底長(zhǎng)l1=4h；下游護(hù)底長(zhǎng)l2=68h 符號(hào)含義見右圖。 二、巴歇爾量水槽在灌區(qū)應(yīng)用中存在的問題

4、及成因分析 2008年以來，灌區(qū)共建設(shè)巴歇爾量水槽106座。為便于批量施工和運(yùn)行管理，統(tǒng)一選用了堰型為50cm、75cm、100cm、125cm的四種標(biāo)準(zhǔn)堰，均按照自由流的流態(tài)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)部分量水槽容易出現(xiàn)以下問題：一是堰前壅水過高，影響閘門進(jìn)水；二是過流能力不足，堰前翻水。三是流態(tài)不穩(wěn)定，大流量時(shí)形成淹沒出流；四是極少數(shù)量水堰不能準(zhǔn)確測(cè)流，流量偏大。 一般而言，出現(xiàn)上述問題，都是由于在巴歇爾槽選型、槽底高設(shè)定以及渠道縱坡過大或過小造成的。主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面： 1、選型不合理 按照水利部農(nóng)水司灌溉管理手冊(cè)給定的選型原則，堰槽喉道寬度一般選擇水面寬度的二分之一到三分之一較為合

5、理。在施工之初，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)資料，堰型的選擇參照工業(yè)用量水槽的選型方式，按照流量的大小選擇了堰型。但由于昌馬灌區(qū)地勢(shì)南高北底、東高西底，南北向落差大，東西向落差小，渠道的縱坡從1到6不等，差別很大。灌區(qū)的渠道多為平底梯形明渠，受邊坡系數(shù)、底寬，渠道縱坡的影響，相同流量的渠道水面寬度差異很大。以設(shè)計(jì)流量0.3m3/s的斗渠為例，最大水面寬度2.04m，最小1.23m。根據(jù)量水槽堰型的選型原則，水面寬大于1.5m的渠道應(yīng)選擇75cm的堰款較為合適，當(dāng)時(shí)統(tǒng)一做成了堰寬為50cm標(biāo)準(zhǔn)堰，部分水面寬度大于1.5m的渠道堰型選擇明顯過小，在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)了過流能力不足，堰前壅水過高，影響閘門進(jìn)水等問

6、題。 與此相反的情況還有部分斗渠水面寬度較小而堰寬選擇過大，使得過堰水頭過小，堰頂厚度與堰頂水頭的比值接近與10，水流特性不再屬于堰流，使得巴歇爾槽無法準(zhǔn)確量水。 2、槽底高h(yuǎn)設(shè)定不合理 巴歇爾量水槽的槽底高h(yuǎn)是決定巴歇爾量水槽施工成功與否的決定因素之一。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在運(yùn)行中由于槽底高h(yuǎn)設(shè)置不合理引發(fā)的缺陷問題占到問題量水槽的90%以上。是造成上述前三個(gè)問題發(fā)生的主要因素。合理的槽底高h(yuǎn)設(shè)置應(yīng)該同時(shí)滿足堰上水位小于上游渠深，堰后水位大于下游水位。特別需要注意的是在滿足上述條件的同時(shí)還應(yīng)注意堰槽距離取水口的距離、下游渠道是否存在壅水狀況等其他因素。以昌馬總一支干四斗渠為例，總一支干四斗渠設(shè)計(jì)流量0.

7、40m3/s，量水槽距閘門進(jìn)水口24m，上下游渠道斷面不一致，上游渠道斷面為底寬1.0m，邊坡系數(shù)0.857，縱坡15；下游渠道斷面為底寬0.45，邊坡系數(shù)0.89，縱坡16；經(jīng)計(jì)算上游水面寬為1.30m，堰寬選擇為75cm，槽底高為0.05m。在流量小于0.25 m3/s情況下，巴歇爾槽呈自由流，量水正常，當(dāng)流量大于0.3 m3/s情況下，巴歇爾槽呈淹沒出流。造成此種狀況的主要原因是巴歇爾槽后約50m處為一直徑60cm的過水涵管，且涵管后的渠道縱坡小，當(dāng)流量大于0.3 m3/s時(shí)，涵管進(jìn)出口被水淹沒，從無壓自由流變?yōu)橛袎毫?，過流能力降低，造成涵管上游渠道壅水，使得巴歇爾槽后水位太高呈現(xiàn)淹沒出

8、流。 3、渠道縱坡不適宜 巴歇爾槽從水力學(xué)角度來說其水流狀態(tài)屬于寬頂堰流，因此，過堰水流必須滿足寬頂堰流的邊界條件，在流量一定、斷面一定的情況下，渠道縱坡對(duì)巴歇爾槽能否形成自由流影響很大。昌馬灌區(qū)的支斗渠受地形影響，渠道縱坡變化較大，縱坡最小的只有1，最大的超過了6，通過實(shí)踐證明縱坡過大或過小都不利于巴歇爾槽自由流態(tài)的形成。一般而言，縱坡在35的渠道上的巴歇爾槽的流態(tài)都較好，流量測(cè)定誤差小。但在縱坡小于2的渠道上和縱坡大于5的渠道上安裝地巴歇爾槽均不同程度地存在問題?？v坡過小的渠道，巴歇爾槽無法滿足自由流條件，容易出現(xiàn)潛沒流，只有抬高槽底高h(yuǎn)，但過大的h值又容易造成上游壅水過高，導(dǎo)致渠道過流能

9、力下降?？v坡過大的渠道，由于巴歇爾槽進(jìn)口收縮引起的流態(tài)急變形成水躍，不能完全消能，使得槽身段水流流線與槽底不平行，受紊流影響，水尺讀數(shù)虛高。導(dǎo)致測(cè)流不準(zhǔn)。 三、巴歇爾槽選型及施工要點(diǎn) 巴歇爾槽的選型和施工要求在大部分教材和手冊(cè)中都有較為明確的規(guī)定，這里將不再贅述，現(xiàn)將通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的幾個(gè)要點(diǎn)總結(jié)如下： 1、實(shí)地勘察 測(cè)量渠道的橫斷面，主要掌握渠道的斷面尺寸（包括底寬、口寬、邊坡系數(shù)、渠深等要素） 測(cè)量渠道的縱斷面，準(zhǔn)確掌握巴歇爾槽擬安裝位置上、下游不少于100m的渠道縱坡。以及渠道進(jìn)水閘底高程。 確定擬安裝位置距離進(jìn)水閘口的距離；確定下游是否存在導(dǎo)致渠道壅水的因素，譬如：下游是否有橋涵、節(jié)制閘等

10、建筑物。觀察設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行的水流狀態(tài)，測(cè)量上游實(shí)際水面寬度和下喲實(shí)際水深。 2、選型 堰槽喉道寬度一般選擇水面寬度的二分之一到三分之一較為合理。選型公式為： w=1/3(b+2md)1/2(b+2md) 式中：b為渠底寬（m）；m為邊坡系數(shù)；d為渠道設(shè)計(jì)水深（m）； 經(jīng)實(shí)踐總結(jié)：在渠道縱坡較大，上游渠道超高容許，不影響閘門進(jìn)水的情況下，可選小值；反之選大值。 3、槽底高的確定 按照水利部農(nóng)水司灌溉管理手冊(cè)給定的選型原則，槽底高h(yuǎn)的選擇必須同時(shí)滿足以下條件： 條件1 h+h1h下游 式中：h槽底高；h1堰上設(shè)計(jì)水深；h設(shè)渠道設(shè)計(jì)水深；h下游下游渠道水深； 通俗的說就是合理的槽底高h(yuǎn)設(shè)置應(yīng)該同時(shí)滿

11、足堰上水位小于上游渠深，堰后水位大于下游水位。在確定槽底高時(shí)候，應(yīng)優(yōu)先滿足條件2；然后考慮條件1。 若條件2滿足而條件1不滿足的情況下，可采取堰前加高的措施，加大上游渠深。 4、施工要點(diǎn) 為確保巴歇爾槽的各部分尺寸精度，建議按照堰型尺寸加工鋼內(nèi)襯。 由于渠道槽底高的設(shè)定值較低，按照規(guī)范要求的上下游銜接段一般情況下都較短，為確保上下游流態(tài)平穩(wěn)，應(yīng)考慮在上下游銜接段的基礎(chǔ)上，再增加渠道的擴(kuò)大段，擴(kuò)大段的長(zhǎng)度根據(jù)堰型大小確定，經(jīng)實(shí)踐總結(jié)，上游擴(kuò)大段的長(zhǎng)度應(yīng)不少于3m，下游擴(kuò)大段的長(zhǎng)度應(yīng)不小與5m。 對(duì)渠道建筑物有防凍脹要求的地區(qū)，在地下水位較高、渠基為粘土、堿土等易凍漲或強(qiáng)凍漲的渠段，要按照抗凍漲設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)槽身和槽底做防凍設(shè)計(jì)。為防止側(cè)墻凍漲內(nèi)傾，建議在堰頂設(shè)置2至4道聯(lián)系梁。 對(duì)縱坡小于小于2的渠道和縱坡大于5的渠道上安設(shè)巴歇爾槽必須慎重，對(duì)不滿足安裝條件的可考慮其他量水設(shè)施。對(duì)于新建、改建渠道上配套的巴歇爾槽，可以考慮對(duì)巴歇爾槽擬安裝位置上下游150m范圍內(nèi)的渠道進(jìn)行縱坡調(diào)整，使其上游縱坡小于3，下游縱坡大于3，滿足巴歇爾槽的安裝要求。 結(jié)語 通過大量的實(shí)踐，并在實(shí)踐中不斷的查找問題、解決問題，灌區(qū)在實(shí)踐中