淺議阜寧腰閘上游水位自記臺水位失真的一種處理方法

韓陽，黃璐，左亞會，郭亞偉，張海

（江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200）

1 基本情況

阜寧腰閘位于鹽城市阜寧縣境內陳集鎮閘東村與蘆蒲鎮范蕩村交界的蘇北灌溉總渠上，是灌溉總渠上繼洪澤高良澗閘、淮安運東閘后的第三級水工節制閘。工程于1957年建成，共21孔，主要功能為排洪、灌溉，亦可調節水位保障運東、阜寧船閘安全航運、電站發電，配合其他工程解決渠北高排區800多平方公里排澇。

1957年6月設立阜寧腰閘水文站。測站屬性為一般水文測站，測驗項目包括閘上游水位、閘下游水位、流量、降水量。閘上游兩岸為土質斜坡，自記臺采用島岸結合式，位于閘上游150m處河流右岸岸邊。水位自記臺主要由測井、觀測房及附屬設施組成。水位測井底部連接進水管，與外部水體相通。進水管由多節桶狀水泥管組合連接而成，一直延伸至下游河道中部。水位自記臺內目前安裝WFH-2A型浮子式水位計一套。

2 問題來源

經過幾十年使用，阜寧腰閘上游測井水位出現漲落滯后、反應不靈敏現象。測站水文勘測人員采用常規沖淤方法（利用水泵抽取清水對測井進行壓力式沖淤）先后進行多次沖淤，沖淤時能看到水流自內而外流出的跡象。沖淤后，水位連續下降過程中，測井內外水位基本一致。水位經過上漲過程后，測井內水位又會滯后于測井外河道水位，且隨著時間推移，滯后越來越嚴重，致使測井內部水位不能完全代表外部河道水位。

3 解決問題

3.1 方案比選

針對此類由于進水管損壞而引起的測井水位失真問題，常規的水泵沖淤不能從根本上解決問題，唯有更換破損的進水管，方能“一勞永逸”。而更換進水管通常的方法就是潛水作業或建圍堰施工兩種。

采用潛水作業，直接更換進水管的方法，其主要工作量包括桶狀水泥管采購、人工拼接安裝等。施工過程中須派遣潛水員潛入水底作業。水下作業不僅施工難度大，而且難以保證質量。一旦進水管拼接出現較大漏縫或連接不好，以后必然又會淤積，導致測井進出水不暢、水位失真。

采用建圍堰施工的方法，則可以徹底解決問題。不僅可以重新更換新的進水管，而且可以把沉沙池、測井內的少量淤泥一并清理干凈。但是，此方法不僅施工成本較高而且施工周期也較長。另外，對于這種小型圍堰施工項目，一般還需選擇在枯水期較適宜，嚴重影響水位自記井的正常使用。

表1 三種方案比選

通過上表對三種方案的對比可以清楚地看出，方案三具有較大優勢。

3.2 基本原理

虹吸現象是液態分子間引力與位能差造成的，利用水柱壓力差，使水上升后再流到低處。由于管口水面承受不同的壓力，水會由壓力大的一邊流向壓力小的一邊，直至水面變成相同的高度，兩邊的壓力相等，水則停止流動。

3.3 基本做法

（1）測井壁人工開洞。近10年來，阜寧腰閘上游最低水位為3.3m，正常水位5.5m左右，考慮實際施工可能，在井身臨河側接近水面處開孔即可。

（2）安放連通管。倒U形虹吸連通管采用PVC鋼絲螺旋增強管，管徑同測井原進水管直徑一致，該管具有強度高、韌性強、經久耐用、彎曲不起癟等特點。將準備好的倒U形連通管從洞口伸入測井，一端在井內底部，另一端在井外河道。井壁開洞孔徑應確保倒U形連通管能夠順利插入。

（3）連通管兩端防淤處理。為確保虹吸連通管能夠長期使用，測井內外水流通暢，需采取一定措施，既要防淤泥進入連通管，又要使連通管兩端管口盡可能低。因虹吸連通管為整根PVC鋼絲螺旋增強管，整根連通管的最高點為井壁開洞位置，呈現“中間高、兩頭低”的格局。因此，正常情況下，淤泥無法進入連通管內部，只有兩端管口有被井底、河底淤泥堵塞的可能。對虹吸連通管兩端采取相同處理方法，以虹吸連通管井內端口為例。首先，在連通管的管口外側使用銅絲捆綁一浮子，使管口能夠自然漂浮于水面。然后，在管口連接一配重物，使用銅絲與管口相連。配重物與管口之間的距離可以通過調節連接銅絲的長度，任意調整。配重物的質量應足夠大，其所產生的重力必須大于自身和浮子完全沉沒于水中所產生的總浮力。銅絲的長度根據實際需要調節，通常取0.5m，即連通管的管口懸浮于井底以上0.5m處的水中。連通管另一端同樣處理。

連通管兩端經上述處理后，便能確保連通管兩端分別懸浮于測井內外水中，且與井底淤泥、河底淤泥保持一定距離（銅絲的連接長度即為虹吸管口離河底、井底的高度）。連通管井外部分擺放時，應盡量使連通管順直并使軸線適當偏向下游，軸線與基本水尺斷面夾角控制在10°以內。

連通管排氣。在井壁開洞處固定連通管。借助測站潛水泵，從井外端的管口快速往連通管內注水，排清管內空氣，并在管口不出水的情況下移開潛水泵即可。

圖1 虹吸管安裝示意圖

因虹吸管采用的是一根整管，中間無拼接，在排除人為故意破壞的情況下，虹吸不會漏氣，測井內外水流暢通，水位始終一致。另外，倒U形連通管使連通管內不易沉積淤泥，也有利于連通管的長期暢通。

4 實用性分析

4.1 滯后量和水位差計算

水位自記測井的滯后量和測井內外水位差是衡量測井好壞的一個重要因素。計算測井滯后量，通常按照下式計算：

式中，ZΔ為滯后量，m；C為流量系數；g為重力加速度，m/s2；Aw為測井橫截面面積，m2；Ap為進水管橫截面面積，m2；為水位變率，m/s（在計算觀測井滯后量時取觀測井中實際水位變率）。

從式中可以看出，采用新的虹吸管連接方法后，只要采用和原進水管直徑相同的連通管，影響測井滯后量的各參數都沒有發生變化，所以滯后量沒有發生變化。

測井內外水體密度差異引起的水位差，可按下式計算：

式中，ZΔ為測井內外水位差，m；ρ為清水密度，t/m3；h為進水管的水頭，m；Cs含沙量kg/m3；ρ0為泥沙密度，可采用2.65t/m3計算。

分析各參數可以發現，ρ、0ρ、Cs三個參數都沒有發生變化，唯一可能發生變化的就是進水管的水頭。而進水管的水頭完全可以通過人為調整連通管兩端與各自配重物之間連接銅絲的長度來實現，且調整方便、簡單。

由此可見，采用虹吸管代替原進水管的方法，只要操作得當，既不影響原測井的滯后量也不影響原測井內外水位差，甚至可以根據需要，通過人工調整，進一步縮小原測井的滯后量和內外水位差。

4.2 適用范圍

虹吸管代替測井進水管的辦法主要是基于虹吸原理。根據壓強公式P=ghρ，一個標準大氣壓（101.325kPa）能夠支持的水柱高度h為

其中ρ水=1.0×103kg/m3，g=9.8N/kg所以h=10.339m。

因此，虹吸管最高點與最低水位水面之間的距離不能超過上述數值。但從實際使用上考慮，其最大高度建議控制在7m以內，因為當虹吸管頂部高度過大，管內壓強接近該溫度下汽化壓強時，水體將產生汽化而破壞水流的連續性，導致測井內外的水位不一致。

5 結語

由于使用年限過長或者外界后期施工等原因，導致測井進水管破裂，測井內外水流不暢、水位失真的情況在實際生產中一旦發生，短時間內難以恢復。而水文數據資料的報汛時效性和整編連續性尤為重要。虹吸管代替進水管在一定程度上能起到臨時應急的作用，而且效果良好，可作為一種便捷有效的方案。