專利名稱：U形渠道便攜式圓柱體量水槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種農(nóng)業(yè)渠道量水裝置，尤其是涉及一種U形渠道便攜式圓柱體量水槽。
二背景技術(shù)：
渠道量水是灌區(qū)灌溉用水管理的基本條件，是促進(jìn)節(jié)約用水，提高灌水質(zhì)量和灌溉效率的有力措施，是實(shí)行計(jì)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(jì)收水費(fèi)的主要依據(jù)。20世紀(jì)90年代后期，隨著對節(jié)水認(rèn)識的提高，量水工作作為節(jié)約用水的一個(gè)重要環(huán)節(jié)逐步引起人們的普遍重視。水利部1999年下發(fā)了《關(guān)于全面加強(qiáng)節(jié)約用水的指導(dǎo)意見》，明確要求逐步完善計(jì)量設(shè)施，實(shí)行按用水量計(jì)量收費(fèi)。財(cái)政部、國家計(jì)委、農(nóng)業(yè)部2000年下發(fā)的《關(guān)于取消農(nóng)村稅費(fèi)改革試點(diǎn)地區(qū)有關(guān)涉及農(nóng)民負(fù)擔(dān)的收費(fèi)項(xiàng)目的通知》要求按實(shí)際供水量和規(guī)定的水費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)收取，嚴(yán)禁按田畝或人頭強(qiáng)行向農(nóng)民攤派等不規(guī)范的收費(fèi)行為，以減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)。因此，加大渠道量水設(shè)施的研究和推廣應(yīng)用，是我國農(nóng)業(yè)節(jié)水的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
在渠道量水方面，堰類量水建筑物如薄壁堰、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(jìn)行渠道量水，具有壅水高度小、不易淤積、量水精度高等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用于梯形和矩形渠道，但由于其臨界淹沒度較小(0.6-0.8)，在緩坡渠道上易產(chǎn)生淹沒出流，測量精度差，同時(shí)，在U形渠道上應(yīng)用時(shí)，由于與渠槽不匹配造成水面波動(dòng)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(qiáng)、工程量較小、量水精度較高等優(yōu)點(diǎn)，但施工要求較高，施工難度大。
利用圓柱(筒)進(jìn)行渠道量水研究方面，Hager(1985)證明將一個(gè)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，并應(yīng)用此理論和室內(nèi)試驗(yàn)建立了圓管或圓錐筒垂直安裝在梯形渠道內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)方程；吳高巍和周子奎(1991)依據(jù)明渠水力學(xué)原理推導(dǎo)出了幾種棱柱體剖面渠道圓柱(筒)量水槽的水頭～流量關(guān)系，并在矩形渠道中通過試驗(yàn)確定了柱體直徑和校正系數(shù)；Zohrab Samani和Henry Magallanez(1993)通過室內(nèi)試驗(yàn)測定了一種簡易活動(dòng)量水槽的水力特征，這種量水槽由邊坡為1∶1的梯形渠道和垂直安裝在渠內(nèi)軸線上的圓管組成。
渠道防滲襯砌是目前我國應(yīng)用最廣泛的節(jié)水灌溉工程技術(shù)，20世紀(jì)70年代，我國開始采用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(qiáng)、防滲效果顯著、抗外力性能好等優(yōu)點(diǎn)，并且渠口窄，渠道占地面積小，隨著U形渠道襯砌機(jī)械的應(yīng)用和完善，U形渠道應(yīng)用越來越廣泛。同時(shí)，根據(jù)地面渠道受力特點(diǎn)，將標(biāo)準(zhǔn)U形斷面改為直線段可外傾的U形斷面，具有結(jié)構(gòu)抗凍、抗折、過流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為灌區(qū)中小型渠道襯砌的主要形式?，F(xiàn)有量水設(shè)施大多存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大、阻水現(xiàn)象嚴(yán)重、多泥沙灌區(qū)渠道淤積及因淤積而影響量水精度、群眾難以掌握。
三、實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型為了解決上述背景技術(shù)中的不足之處，提供一種U形渠道便攜式圓柱體量水槽，其適用于小型圓弧底直線段外傾(切線)的U形渠道，結(jié)構(gòu)簡單，施工制作容易，成本低；不產(chǎn)生淤積，使用方便；測量精度較高。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為一種U形渠道便攜式圓柱體量水槽，其特殊之處在于包括一段圓弧底上切一直線段的平直U形渠道和上游面標(biāo)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(2∂Ak∂hk)]]>Q=gAk3(∂Ac∂hk)]]>其中E為臨界流上游斷面能量。
量水槽的相對能量(H/L)和相對流量(Qm/Qc)的無因次關(guān)系式為QmQc=0.1094(HL)0.4344,]]>R2＝0.9486式中Qm-實(shí)測流量；Qc-④和⑤式計(jì)算的理論流量；H-上游能量；L-U形渠道的弦長。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有的優(yōu)點(diǎn)和效果如下1.量水槽結(jié)構(gòu)簡單，施工制作容易，成本低；2.可以移動(dòng)使用，不產(chǎn)生淤積，管理使用方便；3.測量精度較高，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最大誤差為3.78％，滿足灌區(qū)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范圍，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)直徑選擇范圍較大。
四

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)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(shí)施方式
本實(shí)用新型U形渠道便攜式圓柱體(筒)量水槽由一段圓弧底上切一直線段的平直U形渠道2和上游面標(biāo)有刻度的圓柱體(筒)1組成，量測水量時(shí)，將圓柱體(筒)1垂直安裝在渠道2軸線上，測得上游水深，即可計(jì)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(chǎn)生臨界水流狀態(tài)，形成穩(wěn)定的水位～流量關(guān)系，通過上游水位計(jì)算渠道流量。
應(yīng)用傳統(tǒng)的能量方程和弗汝德數(shù)的關(guān)系描述水流通過量水槽的運(yùn)動(dòng)，假定流速分布是均勻的，臨界流上游斷面的能量方程為E=h0+Q22gA2---(1)]]>其中E——臨界流上游斷面能量；h0——上游水深；Q——流量；A——臨界流上游橫斷面面積。
假定量水槽水平，上游斷面和臨界流斷面之間的能量損失忽略不計(jì)，上游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(tài)，產(chǎn)生臨界流時(shí)弗汝德數(shù)等于1，臨界流態(tài)方程為Q2gAk3(∂Ak∂hk)=F2=1---(3)]]>合并②和③得E=hk+Ak(2∂Ak∂hk)---(4)]]>Q=gAk3(∂Ac∂hk)---(5)]]>當(dāng)給定渠道斷面形狀和尺寸后，利用④和⑤式，即可計(jì)算該量水槽的臨界水深和流量。
對于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(shù)當(dāng)hk>r(1-cosθ2)]]>(θ為弧度)AK=r22(θ-sinθ)+2rsinθ2[hk-r(1-cosθ2)]]]>+m[hk-r(1-cosθ2)]2-Ad]]>當(dāng)hk≤(1-cosθ2)]]>時(shí)AK=r2arccosr-hkr-(r-Y)2rhk-hk2-Ad]]>Ad=d[hk-(r-r2-(dc)2)]+[r2arcsind2r-d·r21-(d2r)2]]]>假定臨界流斷面處流速分布是均勻的，圓管上游水尺讀數(shù)就等于上游能量，如果測出上游能量，利用④和⑤式就可以計(jì)算出臨界水深hk和流量Q的理論值。但是，由于臨界流斷面的流速分布不均勻和流線彎曲的影響，計(jì)算的流量應(yīng)乘以一個(gè)校正系數(shù)。Hager(1985)針對梯形渠道圓柱或圓錐筒量水槽，根據(jù)理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)證明其校正校數(shù)是上游能量和渠道收縮寬度的函數(shù)，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(guān)系式，利用該關(guān)系式和試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算其校正系數(shù)，其中，Qm為實(shí)測流量，Qc為理論計(jì)算流量，H和B分別為上游能量和渠道底寬。
對于圓弧底上切一直線段的U形渠道，校正校數(shù)可以作為相對能量H/L的函數(shù)求得，其中H為上游能量，L為U形渠道的弦長。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了相對能量(H/L)和相對流量(Qm/Qc)的無因次關(guān)系式QmQc=0.1094(HL)0.4344,]]>R2＝0.9486⑥式中Qm-實(shí)測流量；Qc-④和⑤式計(jì)算的理論流量；H-上游能量；L-U形渠道的弦長。
利用④、⑤和⑥式，如果測出圓管上游水尺讀數(shù)，就可以計(jì)算出渠道流量。
權(quán)利要求1.一種U形渠道便攜式圓柱體量水槽，其特征在于包括一段圓弧底上切一直線段的平直U形渠道(2)和上游面標(biāo)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(jù)權(quán)利要求1所述的U形渠道便攜式圓柱體量水槽，其特征在于所述圓柱體(2)為圓柱筒。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的U形渠道便攜式圓柱體量水槽，其特征在于量水槽的臨界水深和流量方程為E=hk+Ak(2∂Ak∂hk)]]>Q=gAk3(∂Ac∂hk)]]>其中E為臨界流上游斷面能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的U形渠道便攜式圓柱體量水槽，其特征在于量水槽的相對能量(H/L)和相對流量(Qm/Qc)的無因次關(guān)系式為QmQc=0.1094(HL)0.4344,]]>R2＝0.9486式中Qm-實(shí)測流量；Qc-④和⑤式計(jì)算的理論流量；H-上游能量；L-U形渠道的弦長。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種U形渠道便攜式圓柱體量水槽，其適用于小型圓弧底直線段外傾(切線)的U形渠道，結(jié)構(gòu)簡單，施工制作容易，成本低；不產(chǎn)生淤積，使用方便；測量精度較高。本實(shí)用新型包括一段圓弧底上切一直線段的平直U形渠道和上游面標(biāo)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(yōu)先權(quán)日2005年4月27日
發(fā)明者何武全, 蔡明科, 王玉寶, 尹進(jìn)步 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)