U形渠道可攜式圓柱體量水槽的製作方法
2023-06-07 10:26:56 1
專利名稱：U形渠道可攜式圓柱體量水槽的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種農業渠道量水裝置，尤其是涉及一種U形渠道可攜式圓柱體量水槽。
二背景技術：
渠道量水是灌區灌溉用水管理的基本條件，是促進節約用水，提高灌水質量和灌溉效率的有力措施，是實行計劃用水和精確引水、輸水、配水和灌水的重要手段，也是核訂和計收水費的主要依據。20世紀90年代後期，隨著對節水認識的提高，量水工作作為節約用水的一個重要環節逐步引起人們的普遍重視。水利部1999年下發了《關於全面加強節約用水的指導意見》，明確要求逐步完善計量設施，實行按用水量計量收費。財政部、國家計委、農業部2000年下發的《關於取消農村稅費改革試點地區有關涉及農民負擔的收費項目的通知》要求按實際供水量和規定的水費標準收取，嚴禁按田畝或人頭強行向農民攤派等不規範的收費行為，以減輕農民負擔。因此，加大渠道量水設施的研究和推廣應用，是我國農業節水的一項重要內容。
在渠道量水方面，堰類量水建築物如薄壁堰、寬頂堰一般要求抬高底坎，容易造成淤積；孔類量水裝置如孔板、噴嘴等要求有壓出流且孔口較小，易引起泥沙、雜草等的壅積或堵塞。利用量水槽進行渠道量水，具有壅水高度小、不易淤積、量水精度高等優點，Par shall(1920)提出了巴歇爾量水槽、Skogerboe等(1972)提出了矩形無喉段量水槽，它們已廣泛應用於梯形和矩形渠道，但由於其臨界淹沒度較小(0.6-0.8)，在緩坡渠道上易產生淹沒出流，測量精度差，同時，在U形渠道上應用時，由於與渠槽不匹配造成水面波動大，對測流精度有顯著影響。目前，我國U形渠道量水槽主要形式有U形渠道拋物線形無喉段量水槽、直壁式量水槽、圓底形量水槽等，它們具有與U形渠道銜接自然、不抬高底坎、過泥沙能力強、工程量較小、量水精度較高等優點，但施工要求較高，施工難度大。
利用圓柱(筒)進行渠道量水研究方面，Hager(1985)證明將一個圓柱(筒)或圓錐筒垂直安裝在梯形渠道軸線上可以量測流量，並應用此理論和室內試驗建立了圓管或圓錐筒垂直安裝在梯形渠道內的標準方程；吳高巍和周子奎(1991)依據明渠水力學原理推導出了幾種稜柱體剖面渠道圓柱(筒)量水槽的水頭～流量關係，並在矩形渠道中通過試驗確定了柱體直徑和校正係數；Zohrab Samani和Henry Magallanez(1993)通過室內試驗測定了一種簡易活動量水槽的水力特徵，這種量水槽由邊坡為1∶1的梯形渠道和垂直安裝在渠內軸線上的圓管組成。
渠道防滲襯砌是目前我國應用最廣泛的節水灌溉工程技術，20世紀70年代，我國開始採用U形斷面渠道，U形斷面接近水力最佳斷面，具有過流能力大、輸水能力強、防滲效果顯著、抗外力性能好等優點，並且渠口窄，渠道佔地面積小，隨著U形渠道襯砌機械的應用和完善，U形渠道應用越來越廣泛。同時，根據地面渠道受力特點，將標準U形斷面改為直線段可外傾的U形斷面，具有結構抗凍、抗折、過流能力強等優點，已成為灌區中小型渠道襯砌的主要形式。現有量水設施大多存在的結構複雜、施工難度大、阻水現象嚴重、多泥沙灌區渠道淤積及因淤積而影響量水精度、群眾難以掌握。
三、實用新型內容本實用新型為了解決上述背景技術中的不足之處，提供一種U形渠道可攜式圓柱體量水槽，其適用於小型圓弧底直線段外傾(切線)的U形渠道，結構簡單，施工製作容易，成本低；不產生淤積，使用方便；測量精度較高。
為實現上述目的，本實用新型採用的技術方案為一種U形渠道可攜式圓柱體量水槽，其特殊之處在於包括一段圓弧底上切一直線段的平直U形渠道和上遊面標有刻度的圓柱體，圓柱體垂直安裝在渠道軸線上。
上述圓柱體也可為圓柱筒。
量水槽的臨界水深和流量方程為E=hk+Ak(2Akhk)]]>Q=gAk3(Achk)]]>其中E為臨界流上遊斷面能量。
量水槽的相對能量(H/L)和相對流量(Qm/Qc)的無因次關係式為QmQc=0.1094(HL)0.4344,]]>R2＝0.9486式中Qm-實測流量；Qc-④和⑤式計算的理論流量；H-上遊能量；L-U形渠道的弦長。
與現有技術相比，本實用新型具有的優點和效果如下1.量水槽結構簡單，施工製作容易，成本低；2.可以移動使用，不產生淤積，管理使用方便；3.測量精度較高，根據試驗結果，最大誤差為3.78％，滿足灌區量水要求；4.量水槽最大淹沒比為0.84，具有較寬的自由出流範圍，不易造成淹沒出流；
5.量水槽的斷面收縮比為0.57～0.69，圓柱體(筒)直徑選擇範圍較大。
四
圖1為本發明的結構示意圖；圖2為圖1的I-I剖面圖；圖3為圖1的II-II剖面圖。
1-圓柱體(筒)，2-U形渠，3-水面線。
五具體實施方式
本實用新型U形渠道可攜式圓柱體(筒)量水槽由一段圓弧底上切一直線段的平直U形渠道2和上遊面標有刻度的圓柱體(筒)1組成，量測水量時，將圓柱體(筒)1垂直安裝在渠道2軸線上，測得上遊水深，即可計算出渠道流量。
將圓柱體(筒)1垂直安裝在渠道2軸線上量測水量，是利用圓柱體(筒)l縮窄渠道過流斷面形成足夠的水面降落，使其測流斷面產生臨界水流狀態，形成穩定的水位～流量關係，通過上遊水位計算渠道流量。
應用傳統的能量方程和弗汝德數的關係描述水流通過量水槽的運動，假定流速分布是均勻的，臨界流上遊斷面的能量方程為E=h0+Q22gA2---(1)]]>其中E——臨界流上遊斷面能量；h0——上遊水深；Q——流量；A——臨界流上遊橫斷面面積。
假定量水槽水平，上遊斷面和臨界流斷面之間的能量損失忽略不計，上遊斷面和臨界流斷面能量相等，則E=Ek=hk+Q22gAk2---(2)]]>其中Ek——臨界流斷面能量；hk——臨界流斷面水深；Q——流量；
Ak——臨界流橫斷面面積。
在圓管和渠道之間最小斷面處水流成為臨界流態，產生臨界流時弗汝德數等於1，臨界流態方程為Q2gAk3(Akhk)=F2=1---(3)]]>合併②和③得E=hk+Ak(2Akhk)---(4)]]>Q=gAk3(Achk)---(5)]]>當給定渠道斷面形狀和尺寸後，利用④和⑤式，即可計算該量水槽的臨界水深和流量。
對於圓弧底上切一直線段的U形渠道，如果柱體直徑為d，圓弧半徑為r，圓弧夾角為θ，上部切線段邊坡為m。則臨界流斷面面積可表示為hk的函數當hk>r(1-cos2)]]>(θ為弧度)AK=r22(-sin)+2rsin2[hk-r(1-cos2)]]]>+m[hk-r(1-cos2)]2-Ad]]>當hk(1-cos2)]]>時AK=r2arccosr-hkr-(r-Y)2rhk-hk2-Ad]]>Ad=d[hk-(r-r2-(dc)2)]+[r2arcsind2r-dr21-(d2r)2]]]>假定臨界流斷面處流速分布是均勻的，圓管上遊水尺讀數就等於上遊能量，如果測出上遊能量，利用④和⑤式就可以計算出臨界水深hk和流量Q的理論值。但是，由於臨界流斷面的流速分布不均勻和流線彎曲的影響，計算的流量應乘以一個校正係數。Hager(1985)針對梯形渠道圓柱或圓錐筒量水槽，根據理論分析和室內試驗證明其校正校數是上遊能量和渠道收縮寬度的函數，ZohrabSamani和Henry Magallanez(1993)針對梯形渠道圓拄體量水槽，建立了相對能量(H/B)和相對流量(Qm/Qc)的無因次關係式，利用該關係式和試驗數據計算其校正係數，其中，Qm為實測流量，Qc為理論計算流量，H和B分別為上遊能量和渠道底寬。
對於圓弧底上切一直線段的U形渠道，校正校數可以作為相對能量H/L的函數求得，其中H為上遊能量，L為U形渠道的弦長。利用試驗數據建立了相對能量(H/L)和相對流量(Qm/Qc)的無因次關係式QmQc=0.1094(HL)0.4344,]]>R2＝0.9486⑥式中Qm-實測流量；Qc-④和⑤式計算的理論流量；H-上遊能量；L-U形渠道的弦長。
利用④、⑤和⑥式，如果測出圓管上遊水尺讀數，就可以計算出渠道流量。
權利要求1.一種U形渠道可攜式圓柱體量水槽，其特徵在於包括一段圓弧底上切一直線段的平直U形渠道(2)和上遊面標有刻度的圓柱體(1)，圓柱體(1)垂直安裝在渠道(2)軸線上。
2.根據權利要求1所述的U形渠道可攜式圓柱體量水槽，其特徵在於所述圓柱體(2)為圓柱筒。
3.根據權利要求2所述的U形渠道可攜式圓柱體量水槽，其特徵在於量水槽的臨界水深和流量方程為E=hk+Ak(2Akhk)]]>Q=gAk3(Achk)]]>其中E為臨界流上遊斷面能量。
4.根據權利要求3所述的U形渠道可攜式圓柱體量水槽，其特徵在於量水槽的相對能量(H/L)和相對流量(Qm/Qc)的無因次關係式為QmQc=0.1094(HL)0.4344,]]>R2＝0.9486式中Qm-實測流量；Qc-④和⑤式計算的理論流量；H-上遊能量；L-U形渠道的弦長。
專利摘要本實用新型涉及一種U形渠道可攜式圓柱體量水槽，其適用於小型圓弧底直線段外傾(切線)的U形渠道，結構簡單，施工製作容易，成本低；不產生淤積，使用方便；測量精度較高。本實用新型包括一段圓弧底上切一直線段的平直U形渠道和上遊面標有刻度的圓柱體，圓柱體垂直安裝在渠道軸線上，圓柱體也可為圓柱筒。
文檔編號G01F1/704GK2833530SQ20052007868
公開日2006年11月1日 申請日期2005年4月27日 優先權日2005年4月27日
發明者何武全, 蔡明科, 王玉寶, 尹進步 申請人:西北農林科技大學