末级渠系孔口闸门设计

摘 要:目前灌区末级渠系一般没有量测水设施,而骨干渠道上的量测水设施又复杂、昂贵,不易推广.对此现状,提出一种适用于末级渠系管理需要且结构简单的新型孔口闸门技术设施,围绕闸门启闭、流量观测、过闸流量调控3项技术集成所涉及的主体结构、配套设备、测流原理等技术问题,进行了设计研究,具有一定的推广前景.

关 键 词:末级渠系；孔口闸门；设计研究

引言

对灌区灌溉用水实行计量,不仅是发展节水农业的需要,也是实行按方收费的需要,更是实现灌溉自动化的前提和基础.当前,随着大型灌区节水改造工程的实施,对灌区量水建筑物提出了新的要求.量水设施一方面必须要量测精度高,结构简单、操作方便、坚固耐用,同时,还必须造价合理,与经济社会发展水平相适应,具有可推广的前景.

当前灌区量水工作的重点主要在骨干系统的水量计量上.但面广量大的田间配水渠系水量计量同样重要,它直接影响着先进灌水技术的推广应用,是节水灌溉的重要环节.

一、灌区量水设施概况

目前灌区明渠量测水设备应用较多的有量水堰、量水槽和量水计3大类,形式多种多样.这些方法在量水过程中优缺不一.他们要么安装和测量复杂,投资大；要么量测水不直观,技术含量低,易收泥沙影响等,且需有专业人员测量,较适用于干支渠以上.

然而,大部分末级渠系安装的分水设施落后,运行中仅有启闭放水单一功能,未将启闭与测配水有机结合.为测水需要,必须在渠道其他处另设测水设施,导致设施配套二次投入,且管理任务较重,很不经济.因此,根据“经济实用、量水直观、一闸多用、符合精度”的原则,研究设计灌区先进实用、满足精度、造价低廉,适用于灌区斗、农渠的量水设备,是灌区用水和提高管理水平的迫切需要.

二、设计研究

末级渠系孔口闸门的设计关键是将量水和启闭功能综合,使其集分水、测水、启闭、调控于一体.因此,需要从测流原理、设施结构、量测直观、经济实用方便等方面进行综合研究设计.

(一)测流原理

根据闸孔出流原理,闸孔出流公式为：

式中：Q为流量,m3／s；σs为淹没系数；μ0为闸孔流量系数；b为孔口宽度,m；e为闸门开度,m；g为重力加速度；H0-hc为闸孔的作用水头,m.其中,σs、μ0均可由灌区量水工作手册中查得.

由以上原理知,孔口闸门测流,水头损失不大,可通过一定的泥沙,对于比降较小或者浑水渠道均可适用.

(二)结构设计

1.主体设计

孔口闸门由挡水板及孔口2部分组成,出流孔口一般可有矩形或圆形断面2种形式,矩形结构简单,制作容易,而圆形则可得到更好的过流条件.孔口闸门可实现以下技术功能：错误!未找到引用源.闸门启闭；②流量观测；③调节过闸流量.

孔口闸门结构尺寸设计主要取决于渠道过水断面流量.因此需要根据流量设计确定不同规格.矩形和圆形出流孔口断面结构尺寸设计见表1.

2.配套设计

孔口闸门的配套设备主要有：出流孔口闸门体上的闸门槽,其设计采用直槽或燕尾式闸槽,且设有止水橡皮,确保闸门板上、下开启正常运行不渗水；闸门开启箱设置在闸门体上中部,其作用在于防止人为影响,保护闸门板安全运行,内设有可固定手柄杆式螺旋,闸门开启箱为长方体,外部加锁；在闸门旁设计“水位差～流量查用表”,供用水双方可方便直接读取灌溉流量成果.

(三)技术设计

为确保孔口闸门正常开启运行和灌溉水流量的实施观测,基于孔口出流必须是淹没流形态的原理,需要把握好淹没出流的控制和水位～流量关系两项关键技术的分析设计.

由图1知,满足过闸水位处于淹没流态的基本条件是：收缩断面水深hc的共轭水深小于下游水深,即hc”

对于圆形出流孔口,由于是圆形几何形状,闸门板提起不同等份高度所对应的出流孔口断面面积具有非规整性,因此采用以下方法分析计算.

设圆形断面圆心o半径为R,微分弧长dr,因此,圆心半径由r-R的面积为πrdr,将半圆半径5等份,用积分法求每个等份的过水面积A为等份面积+半圆面积：

(1)当h等于R/5时,

(2)当h等于2R/5时,

(3)当h等于3R/5时,

(4)当h等于4R/5时,

(5)当h等于R时,

由上式计算的闸门板提起不同份高度所对应的圆形出流孔口断面面积见表4.

在孔口闸门体的迎水面和背水面上,各设计有精确到mm的水位观测水尺；闸门旁设计有“水位差～流量查用表”,此表根据不同规格出流孔口及上、下游水位差,由孔口出流公式,计算得出不同规格出流孔口情况下的水位所对应的流量.因此,灌区供用水双方只需观察一下当前闸门过水前后之水位差值即可从表中查得相应流量,使用非常便利.

三、技术参数设计

根据孔口闸门的结构和技术设计内容,主要的技术参数如表5.设计研究表明,由于圆形式结构孔口出流水流介面顺畅面积比大,因而水力参数效果好于矩形结构.此外孔口闸门适应渠道流速V等于0.1～2.5m/s,水位观测精度±2mm,测水精度≥95％；量测水基本消除泥沙、水草等杂物的影响和干扰.

四、需注意的几个问题

孔口闸门量水设施适宜安装在灌区末级斗、农渠灌溉工程的分水之处,以起到兼顾分水、配水、量水的作用；该设施安装处的上游10m以内应为防渗渠道,过流断面应平整顺直,水流平稳.由于孔口闸门为过流断面较大的开敞式结构设计,水流通道流畅,因而在运行中水头损失小,可通过一定的泥沙或浑水,即使比降较小的渠道也可适用.适宜流量Q等于0.02～0.60m3/s,流速V等于0.5～2.5m/s,水深H等于0.20～0.75m.因此,对于明渠流量和过水断面水深较大的支渠以上的引水渠道,孔口闸门设施是不适用的.

为确保闸门体上的闸门板提起的高度与对应的孔口出流断面关系,应在闸门槽边沿处的闸门体一侧由下而上分别刻写出流孔口高度的5等份标记,以表示出流孔口所在的尺寸与“水位差～流量查用表”对应关系.孔口闸门的安装同常规闸门一样,直接安设在斗渠或农渠的过流断面上,无需其他特殊要求,但应注意：①孔口闸门进出水口必须是淹没流,其淹没的深度不得小于5cm(由孔口闸门上的孔口出流闸门板视水位高低而调节)；②孔口过水能力应与渠道过水能力相适应,可由孔口闸门上的孔口出流闸门板调节；③孔口闸门与水流轴线、渠底应垂直,孔口中线与水流中心线基本吻合.