基于自由流条件巴歇尔量水槽的选型和施工.doc

1、基于自由流条件巴歇尔量水槽的选型和施工 【摘要】巴歇尔量水槽的选型和施工时槽底高h的设定是决定巴歇尔量水槽能否形成自由流且准确量水的重要因素。本文列举了巴歇尔量水槽在灌区应用中存在的问题，详细分析了各种影响因素，提出了巴歇尔量水槽选型和施工的要点和方法，为灌区广泛推广应用巴歇尔量水槽提供参考。 【关键词】 巴歇尔量水槽；选型原则； 槽底高设计；施工要点； 中图分类号：s611文献标识码： a 前言 昌马灌区位于河西走廊西端的疏勒河中游，地处东经96159740，北纬40204034，东起四墩门，西至瓜州牧场，南依祁连山北麓的昌马水库，北临桥湾、饮马北山，东西长105km，南北宽1525km。区

2、内地形平坦开阔，地势南高北低，东高西低。昌马灌区干支斗各级计量设施共有217座。过去常用的计量设施多为断面量水和梯形量水堰。近几年来随着灌区管理水平的不断提升和灌区阳光水务工作的开展，灌区管理和广大用水户对灌区用水计量提出了更高的要求，原有的量水设施由于计量精度差、泥沙淤积等问题，已经越来越不适应灌区的发展需要，为改变这一现状，从2008年起灌区管理部门开始对现有的计量设施进行大规模改造。巴歇尔量水槽其具有壅水低、淤积较小、精度高、适用范围广、观测方便等优点，成为灌区计量设施改造的首选。 一、巴歇尔量水槽的简介 巴歇尔槽(parshall flume)的原型是文丘利水槽, 1922年f.l.p

3、arshall对此进行了根本性的变革,制作了现在通用的巴歇尔槽。以后又多次重复了水力学实验,制成了尺寸为1英寸到50英寸的各种量水槽。巴歇尔槽名字是1929年美国土木学会命名的。巴歇尔量水槽结构较为复杂。其各部位尺寸根据求解函数不同划分为三类： 1、经实验确定为常数者： f=60cm；g=90cm；k=8cm；n=23cm； 2、经实验决定为喉道宽度w的函数者：a=0.51w+122cm；b=0.5w+120cm；c=w+30cm；d=1.2w+48cm。 3、经实验决定为槽底高h的函数者： 上游护底长l1=4h；下游护底长l2=68h 符号含义见右图。 二、巴歇尔量水槽在灌区应用中存在的问题

4、及成因分析 2008年以来，灌区共建设巴歇尔量水槽106座。为便于批量施工和运行管理，统一选用了堰型为50cm、75cm、100cm、125cm的四种标准堰，均按照自由流的流态进行了设计。在实践中我们发现部分量水槽容易出现以下问题：一是堰前壅水过高，影响闸门进水；二是过流能力不足，堰前翻水。三是流态不稳定，大流量时形成淹没出流；四是极少数量水堰不能准确测流，流量偏大。 一般而言，出现上述问题，都是由于在巴歇尔槽选型、槽底高设定以及渠道纵坡过大或过小造成的。主要表现在以下三个方面： 1、选型不合理 按照水利部农水司灌溉管理手册给定的选型原则，堰槽喉道宽度一般选择水面宽度的二分之一到三分之一较为合

5、理。在施工之初，由于缺乏经验和相关资料，堰型的选择参照工业用量水槽的选型方式，按照流量的大小选择了堰型。但由于昌马灌区地势南高北底、东高西底，南北向落差大，东西向落差小，渠道的纵坡从1到6不等，差别很大。灌区的渠道多为平底梯形明渠，受边坡系数、底宽，渠道纵坡的影响，相同流量的渠道水面宽度差异很大。以设计流量0.3m3/s的斗渠为例，最大水面宽度2.04m，最小1.23m。根据量水槽堰型的选型原则，水面宽大于1.5m的渠道应选择75cm的堰款较为合适，当时统一做成了堰宽为50cm标准堰，部分水面宽度大于1.5m的渠道堰型选择明显过小，在实际运行中出现了过流能力不足，堰前壅水过高，影响闸门进水等问

6、题。 与此相反的情况还有部分斗渠水面宽度较小而堰宽选择过大，使得过堰水头过小，堰顶厚度与堰顶水头的比值接近与10，水流特性不再属于堰流，使得巴歇尔槽无法准确量水。 2、槽底高h设定不合理 巴歇尔量水槽的槽底高h是决定巴歇尔量水槽施工成功与否的决定因素之一。经统计，在运行中由于槽底高h设置不合理引发的缺陷问题占到问题量水槽的90%以上。是造成上述前三个问题发生的主要因素。合理的槽底高h设置应该同时满足堰上水位小于上游渠深，堰后水位大于下游水位。特别需要注意的是在满足上述条件的同时还应注意堰槽距离取水口的距离、下游渠道是否存在壅水状况等其他因素。以昌马总一支干四斗渠为例，总一支干四斗渠设计流量0.

7、40m3/s，量水槽距闸门进水口24m，上下游渠道断面不一致，上游渠道断面为底宽1.0m，边坡系数0.857，纵坡15；下游渠道断面为底宽0.45，边坡系数0.89，纵坡16；经计算上游水面宽为1.30m，堰宽选择为75cm，槽底高为0.05m。在流量小于0.25 m3/s情况下，巴歇尔槽呈自由流，量水正常，当流量大于0.3 m3/s情况下，巴歇尔槽呈淹没出流。造成此种状况的主要原因是巴歇尔槽后约50m处为一直径60cm的过水涵管，且涵管后的渠道纵坡小，当流量大于0.3 m3/s时，涵管进出口被水淹没，从无压自由流变为有压流，过流能力降低，造成涵管上游渠道壅水，使得巴歇尔槽后水位太高呈现淹没出

8、流。 3、渠道纵坡不适宜 巴歇尔槽从水力学角度来说其水流状态属于宽顶堰流，因此，过堰水流必须满足宽顶堰流的边界条件，在流量一定、断面一定的情况下，渠道纵坡对巴歇尔槽能否形成自由流影响很大。昌马灌区的支斗渠受地形影响，渠道纵坡变化较大，纵坡最小的只有1，最大的超过了6，通过实践证明纵坡过大或过小都不利于巴歇尔槽自由流态的形成。一般而言，纵坡在35的渠道上的巴歇尔槽的流态都较好，流量测定误差小。但在纵坡小于2的渠道上和纵坡大于5的渠道上安装地巴歇尔槽均不同程度地存在问题。纵坡过小的渠道，巴歇尔槽无法满足自由流条件，容易出现潜没流，只有抬高槽底高h，但过大的h值又容易造成上游壅水过高，导致渠道过流能

9、力下降。纵坡过大的渠道，由于巴歇尔槽进口收缩引起的流态急变形成水跃，不能完全消能，使得槽身段水流流线与槽底不平行，受紊流影响，水尺读数虚高。导致测流不准。 三、巴歇尔槽选型及施工要点 巴歇尔槽的选型和施工要求在大部分教材和手册中都有较为明确的规定，这里将不再赘述，现将通过实践经验的几个要点总结如下： 1、实地勘察 测量渠道的横断面，主要掌握渠道的断面尺寸（包括底宽、口宽、边坡系数、渠深等要素） 测量渠道的纵断面，准确掌握巴歇尔槽拟安装位置上、下游不少于100m的渠道纵坡。以及渠道进水闸底高程。 确定拟安装位置距离进水闸口的距离；确定下游是否存在导致渠道壅水的因素，譬如：下游是否有桥涵、节制闸等

10、建筑物。观察设计流量下运行的水流状态，测量上游实际水面宽度和下哟实际水深。 2、选型 堰槽喉道宽度一般选择水面宽度的二分之一到三分之一较为合理。选型公式为： w=1/3(b+2md)1/2(b+2md) 式中：b为渠底宽（m）；m为边坡系数；d为渠道设计水深（m）； 经实践总结：在渠道纵坡较大，上游渠道超高容许，不影响闸门进水的情况下，可选小值；反之选大值。 3、槽底高的确定 按照水利部农水司灌溉管理手册给定的选型原则，槽底高h的选择必须同时满足以下条件： 条件1 h+h1h下游 式中：h槽底高；h1堰上设计水深；h设渠道设计水深；h下游下游渠道水深； 通俗的说就是合理的槽底高h设置应该同时满

11、足堰上水位小于上游渠深，堰后水位大于下游水位。在确定槽底高时候，应优先满足条件2；然后考虑条件1。 若条件2满足而条件1不满足的情况下，可采取堰前加高的措施，加大上游渠深。 4、施工要点 为确保巴歇尔槽的各部分尺寸精度，建议按照堰型尺寸加工钢内衬。 由于渠道槽底高的设定值较低，按照规范要求的上下游衔接段一般情况下都较短，为确保上下游流态平稳，应考虑在上下游衔接段的基础上，再增加渠道的扩大段，扩大段的长度根据堰型大小确定，经实践总结，上游扩大段的长度应不少于3m，下游扩大段的长度应不小与5m。 对渠道建筑物有防冻胀要求的地区，在地下水位较高、渠基为粘土、碱土等易冻涨或强冻涨的渠段，要按照抗冻涨设计规范对槽身和槽底做防冻设计。为防止侧墙冻涨内倾，建议在堰顶设置2至4道联系梁。 对纵坡小于小于2的渠道和纵坡大于5的渠道上安设巴歇尔槽必须慎重，对不满足安装条件的可考虑其他量水设施。对于新建、改建渠道上配套的巴歇尔槽，可以考虑对巴歇尔槽拟安装位置上下游150m范围内的渠道进行纵坡调整，使其上游纵坡小于3，下游纵坡大于3，满足巴歇尔槽的安装要求。 结语 通过大量的实践，并在实践中不断的查找问题、解决问题，灌区在实践中