南水北調東線穿黃干渠流量計安裝方案研究

趙 琳，張亮方，張 晨，李偉秀，蘇婷婷

(1.山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250013；2.南水北調(山東)機電維修有限責任公司，山東 濟南 250102)

近年來，我國建設了眾多跨流域調水工程，其中南水北調工程是緩解我國北方水資源危機的戰略性工程，非常重視渠道自動控制技術及運行管理[1]。明渠水流量能夠進行準確的測量[2]，對南水北調的運行管理至關重要。穿黃河工程是南水北調東線一期工程的一個關鍵節點，其水情信息的準確性和實時性是至關重要的[3]，因此要求實現流量的精確計量和控制[4]。穿黃工程原有2套流量計，分別安裝于出湖閘和穿引黃渠埋涵出口下游。其中，出湖閘的8聲道時差法超聲波流量計經過多年運行后出現換能器異常、水位計失效等問題，通過維修與檢測確定無法正常運行，需要馬上進行更換。由于渠道常年有水，且穿黃工程出湖閘正在通水，無法停水，需要研究合適的超聲波流量計安裝方案。出湖閘南干渠平面布置見圖1。

圖1 出湖閘南干渠平面布置圖

1 流量計安裝方案對比分析

超聲波流量計由于精度高、反應快、寬量程比以及始動流量小等優越特性得到了廣泛應用[5]，其組件包括超聲波換能器、電纜以及后續的信號處理裝置，即超聲發射器和接收器，主控制芯片及其外圍電路[6- 7]。8聲道時差法超聲波流量計的安裝位置，應在引水口門下游適當位置且水流平穩處布設，為減少不穩定流態引起的不均勻流速影響，采用交叉傳輸的陣列式布局[8]，通過增加超聲波聲道數，可以測量超大口徑或者河流、大壩閘口的流量[5]。

出湖閘的機房內安裝有閘控機柜和UPS，因此本次8聲道時差法超聲波流量計適合采用分體安裝：把超聲波流量計主機的超聲波模塊與主機顯示模塊都安裝在出湖閘管理房，方便UPS供電，室內安裝防盜、防老化、易于維護；換能器安裝在出湖閘下游南干渠的渠道中，該位置流態較穩，有利于超聲波流量計監測；換能器通過同軸電纜RG58傳輸信號至流量計主機，換能器電纜穿管，沿堤頂兩側直埋至管理房。

南干渠典型斷面如圖2所示。

圖2 南干渠典型斷面圖

根據現場檢查發現，出湖閘的電纜損壞較重，需要在渠道沿岸重新敷設電纜，并將電纜接入出湖閘管理房內。出湖閘管理房原來配置了UPS不間斷電源且運行正常，考慮異常斷電易影響超聲波流量計設備的正常穩定運行，本次安裝的超聲波流量計也考慮通過該UPS供電。不過，因為渠道常年有水，安裝、維護、調試水下換能器具有一定的困難。若抽排渠道內的明水，出湖閘下游地下水位較高，過高的地下水位會對渠道襯砌板造成破壞，必須考慮合適的排水方案；另外，也可以考慮帶水安裝水下換能器。下面對這兩種不同的安裝方案進行分析和研究。

1.1 制造鋼圍堰排水安裝方案分析

圍堰施工前要收集施工水域的水文特征[9]。出湖閘超聲波流量計位于出湖閘下游50m處，渠底高程34.48m，設計水深4.6m，該處近歷史地下水位平均值為38.18m，歷史地下水位曲線如圖3所示。

圖3 歷史地下水位曲線圖

為了避免過高的地下水位對渠道襯砌板造成的破壞，排水安裝需要修筑圍堰并打降水井降低于渠道沿線地下水位。本方案考慮用鋼圍堰作為阻水圍堰，將2片鋼圍堰橫跨渠道安裝，每片鋼圍堰重量6.54t，包含10片方形組件和4片梯形組件；每片鋼圍堰的組件之間裝有密封橡膠條，組件之間通過螺栓連接，鋼圍堰與渠道襯砌板之間采用遇水膨脹的止水條密封止水。鋼圍堰安裝方式采用單片整體吊裝置入渠道中，兩片鋼圍堰間距12～14m；靜置20h后，采用潛水泵排出圍堰之間渠道中的積水。隨著水位下降，可以根據需要，自上而下加裝水平支撐和垂直支撐，水平支撐水平間距2m，直到水位降到可以維護流量計的水位。單片鋼圍堰示意如圖4所示。

圖4 單片鋼圍堰示意圖

8聲道超聲波流量計16個換能器分別安裝于相距10m的兩個斷面上，交叉組成8個聲路，達到測量的目的。

1.2 超聲波流量計帶水安裝方案分析

通過對現場進行查勘和分析，帶水安裝超聲波流量計適宜安裝在出湖閘下游150m的位置，該位置底寬度14m，距離下游渠道橋約50m，邊坡比1∶2，運行水深4m，不過可以降至3.5m。本方案考慮超聲波流量計主機顯示模塊及超聲波傳送模塊都安裝在出湖閘管理房內，換能器安裝在定制的帶水安裝支架上。支架主體框架結構的材料選用50mm×50mm的熱鍍鋅角鋼，換能器安裝底板選用500mm×200mm×8mm的鍍鋅板，換能器直接固定在底板上，所有焊接處都要做耐腐蝕處理。換能器與安裝支架作為整體放入水下，安裝時參考當前水位值，確定支架安裝高程和8對換能器的安裝高程。考慮8個聲道的換能器在渠道兩岸及水面以下的布置方案如圖5所示。

圖5 換能器水下布置示意圖

在帶水安裝的情況下，水下換能器無法在安裝后進行包封，需要采用水下換能器保護罩進行保護，防止掛水草等雜物，便于固定安裝。

1.3 方案對比分析

從安裝的方便性、造價情況、供電情況、耐用性、安全性等方面對以上方案進行對比，詳細情況見表1。

表1 兩種安裝方案對比表

鋼圍堰具有強度高、可循環使用、防水性能良好[10]等優點，不過鋼圍堰本身受水位、地形地質、工期等各方面因素的影響較大[11]，存在較大的安全隱患；圍堰內外的水頭差對圍堰整體的力學性能和穩定性影響顯著[9]，因此要嚴格控制水位差；一旦圍堰發生整體或局部的失穩、坍塌時，隨之出現的快速涌水問題可能給工程帶來巨大的人員傷亡與財產損失[12]，因此在圍堰施工過程中需要布設應變安全監測儀器，隨時掌握鋼圍堰的應力變化。水流經過換能器，會在換能器附近產生漩渦，換能器會受到剪切力的影響[13]，換能器必須要進行包封，鋼圍堰排水安裝方式需要用混凝土包封也更貼合渠壁，帶水安裝方式采用保護罩密封也不影響運行。經對比分析，帶水安裝方式不需排水、安裝相對簡單、造價相對低、安全性更高，采用帶水安裝方式較好；流量計主機模塊都安裝在出湖閘管理房，安全性、耐用性、穩定性更好。

第一，旅游危機事件網絡輿情傳播的行為主體在輿情傳播的各個階段所發揮的作用各有不同。事件當事人或利益攸關方通常是事件網絡輿情傳播的起點，在輿情傳播的潛伏期起到重要的推動作用；新聞媒體及其他網民活躍最顯著的時期是在輿情傳播的爆發期和成熟期，成為旅游危機事件網絡輿情傳播的生力軍，是旅游危機事件社會效應擴大的表現；官方代表在旅游危機事件網絡輿情傳播的各個階段均需發揮其減緩或阻滯網絡輿情傳播的作用，其所代表的政府公信力是引導其他輿情主體理性參與輿情傳播的重要力量。

2 8聲道時差法超聲波流量計帶水安裝方案研究

2.1 時差法超聲波流量計測流原理

流速-面積法是指測出過流斷面的點、線或小面積等某些局部流速，通過這些局部流速來計算整個過水斷面的平均流速[14]。時差法超聲波流量計是采用流速-面積法測流的重要方法。時差法超聲波流量計利用換能器發射超聲波脈沖信號，信號在流體中傳播會受到流體的影響會發生改變，信號在順向和逆向傳播的時間不同，時差法超聲波流量計正是利用超聲波在流體中傳播時因水流方向不同而傳播速度不同的特點，通過測量順水流方向傳播時間與逆水流方向傳播時間的時間差，來計算流體的速度與流量[15]。例如，時差法超聲波流量計在渠道左右岸分別布設兩個換能器，分別負責發射和接受超聲波脈沖信號，其測流示意如圖6所示。

圖6 時差法超聲波流量計換能器測流示意圖

該聲道水流流速為：

(1)

這樣兩個換能器測得的流速信息是聲道線上的流速信息，需要將其修正為流體的面流速[17]。多個聲道的換能器測得多個聲道的流速信息，計算出平均流速，再通過渠道斷面計算出流量。

南干渠典型斷面為等腰梯形斷面，其水力要素如圖7所示。

圖7 典型斷面水力要素圖

其斷面水力半徑：

(2)

其斷面流量：

(3)

2.2 換能器選擇及安裝支架研究

流速分布是現階段認為的分析研究河流潮流等都極為重要的物理量，它是反映流體特性最基本的特征量[23]。對于不同類型的明渠，流速在明渠垂線方向和渠寬方向的分布梯度不同[24- 25]，梯形斷面渠道的最大流速在相對水深0.6～0.8m范圍內，距離渠壁越近，最大流速點的位置越高[26]，單聲道超聲波流量計布設在該范圍比較合適；而8聲道時差法超聲波流量計的8個聲道需要均勻布置在渠道水面以下，超聲波流量計根據所測量的8層流速與過水斷面做積分運算得到瞬時過水流量。

要實現換能器帶水安裝，需要確定第1、第8聲道高程，并將其余6聲道均勻布置在這兩個高程之間。換能器高程：

(4)

式中，h—高程；l—換能器之間的距離；f—換能器頻率。

參考南干渠的水位值，通過上面的計算公式確定第1、第8聲道支架安裝高程，從而確定8對換能器的安裝高程，再專門定制支架用來安裝8對換能器。設計支架框架采用規格50mm×50mm的熱鍍鋅角鋼，換能器安裝底板采用規格500mm×200mm×8mm的鍍鋅板，換能器直接安裝固定在底板上，所有焊接處都要用油漆粉刷，確保水下耐腐蝕。8對換能器與安裝支架構成一個整體，將支架整體放入水下。定制安裝支架示意如圖8所示。

圖8 安裝支架示意圖(單位：m)

2.3 換能器模擬對準方案

換能器的入射角可以在30°～60°之間進行調節，因每個聲道的聲道角度都不同，根據理論計算的角度對換能器在坡道上做模擬對準，調整換能器至正確的角度后固定換能器到支架的安裝底板上。依次重復以上的步驟，每個換能器均調整好角度后固定于底板，該步驟需要在光照弱的情況下進行，以便于觀測激光對準器的激光點。

2.4 安裝支架入水固定方案

支架焊接完成，將換能器安裝在底板后，需要將支架在水下固定，應提前模擬帶水安裝過程。由于支架大而重，而且需要準確安裝在提前設計的支架安裝參考線上，該步驟所需人員較多，施工工程量較大，需要保證安全性，支架放置到位后，在支架露出水面部分的橫擔和斜拉撐上開孔，并用膨脹螺栓將支架頂部牢固固定在渠道斜坡壁上。支架安裝完畢后，需要將水面上部的裸露部分用水泥包封。

2.5 數據接入要求

RS485通訊其主要特點在于它是一種半雙工通訊，傳輸距離比較遠[27]，本次流量計主機信號采用RS485接口(Modbus協議)傳輸至出湖閘原有PLC，利用南水北調東線山東干線已建成的計算機網絡(業務內網)上傳信號至穿黃工程備調中心工控機，工控機顯示屏上顯示數據。再通過計算機網絡(業務內網)將采集的水量信息上傳調度中心，為自動化調度監控、運行維護、工程管理等業務的信息化作業平臺和調度會商決策提供服務，實現運行管理信息化。目前，穿黃干渠已完成出湖閘8聲道時差法超聲波流量計的帶水安裝并運行了一段時間，流量計一直工作正常。

3 結語

本文提出南水北調穿黃干渠超聲波流量計在調水過程中的帶水安裝和排水安裝兩種方案并進行了對比分析，認為帶水安裝更適合工程實際。文章研究了8聲道時差法超聲波流量計帶水支架安裝的具體方案，可以有效解決渠道調水過程中突發多聲道超聲波流量計損壞、更換困難的問題，為此類工程問題的解決提供了借鑒。帶水安裝方案屬于應急方案，而常規的渠壁安裝方式更利于長期穩定運行，如果渠道能夠在特定時期排空渠水，可在無水的狀態下將應急安裝的流量計換能器更改為渠壁安裝、并采用混凝土包封。不過，穿黃干渠由于一直有水，換能器的安裝方式尚未進行更改。