［摘要］以李家岸涵閘引黃送水工程為研究對象，依據(jù)該閘涵實例應(yīng)用數(shù)據(jù)，借助流量測量實驗分析，超聲波流量計在閘涵規(guī)范化維護管理中的應(yīng)用開展專題探究，通過李家岸涵閘引黃送水工程中的流量測量實驗可知:試驗中參考測得的水位h和設(shè)定的不同糙率常數(shù)n，分別利用纜道流速儀、超聲波流量計、泄流曲線查算以及公式計算，對流量實施了多次比測，從圖表數(shù)據(jù)比測結(jié)果看出，四類測量結(jié)果相互差別非常小，其中查算泄流曲線獲得的流量誤差較大，而纜道流速儀測量和超聲波流量計測量的流量較為相近。超聲測量的水深與糙率擬合性較好，呈現(xiàn)緊密關(guān)聯(lián)狀態(tài)。由此可以看出，涵閘流量測量管理應(yīng)用超聲流量測量技術(shù)是可行的，其測量精度完全滿足工程測量管理要求。

閘涵維護管理既是一個管理學(xué)課題，也是一個技術(shù)類課題，借助技術(shù)手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)化控制、維護和管理，可以使閘涵維護管理更數(shù)據(jù)化、科學(xué)化和規(guī)范化。本文依據(jù)案例閘涵實例應(yīng)用數(shù)據(jù)，借助具體流量測量實驗分析，對閘涵維護管理應(yīng)用超聲波流量計測流開展專題探究，以為同類工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考。

1超聲流量測量原理

時下工程選用的超聲波流量計多為基于速率差或多普勒原理的超聲波流量計，利用逆水流及順水流超聲脈沖速率差異測定流速流量。

1．1時差法超聲測定機理

超聲測定流量實質(zhì)上是借助超聲波測定流速，然后通過特定計算得到流量。當(dāng)向上游傳播聲波時，其波速下降，向下游傳播聲波時，其波速提高。要測定準確流量，尤其是對水深較大，上下游流速差異較大的大型渠道，要求應(yīng)用多層換能器，以多聲道測定方法才能更加準確地測出流速演變量，從而準確計算出流量。時差法超聲多聲道流速測定機理示意見圖1具體所示。

式中:θ為流向與波向夾角;L為聲道長度;v為流速均值;T為順逆流時間均值;ΔT為順逆流的時間差;i為聲道數(shù);H為水深;Ki為聲道加權(quán)積分常數(shù)，B=(B1+B2)/2。

1．2多譜勒頻移測流機理

多普勒頻移測流是借助聲波多普勒頻移率測量而推算出閘涵流量的方法。超聲發(fā)生器與流體顆粒間存在著相對運動關(guān)系，流速和相對運動形成反射波的多普勒頻移現(xiàn)象，在反射波和入射波間形成差異頻率。測定了這些差異頻率，我們就能求解出對應(yīng)的流速，進而得到流量。為了更加有效地獲取多普勒頻移信號，超聲多普勒頻移流量計一般均選用收發(fā)一體的換能器，具體見圖2所示。

在上述頻移流量推算式中，K=2/(n+1)，c代表介質(zhì)波傳速率;θ為波流夾角;f0代表波源波頻;Δf多普勒均量頻移，n的取值可以具體見表1所示。

2超聲波流量計在李家岸引黃閘流量測量實驗中的應(yīng)用研究

2．1李家岸引黃閘運行現(xiàn)狀

李家岸引黃閘位處黃泛沖積平原，擔(dān)負著附近六個縣(市)的引黃灌溉及地區(qū)生活和工業(yè)用水任務(wù)。該閘涵為箱式鋼筋混凝土構(gòu)造，全長81m，屬1級建筑，3聯(lián)9孔，每孔3m凈寬，3m凈高，校核防洪水位40．52m，設(shè)計防洪水位39．52m，設(shè)計，胸墻頂高度28．88m，底板高度25．88m，堤頂高度41．62m，機架橋頂高度42．00m，閘前減壓平臺高度32．50m，防沙閘門機架橋高度38．50m，現(xiàn)有堤頂高度39．00m，較高設(shè)計運行水位36．29m，設(shè)計灌溉引水位是28．10m。地方閘管所出于規(guī)范化管理的需要，已對其上下游水位、流速和流量實施了超聲實時監(jiān)測，現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)過線纜傳至監(jiān)控室計算機系統(tǒng)，然后以微波技術(shù)上傳給黃委以及省市河務(wù)管理局。

2．2流量測量實驗

實驗結(jié)合灌區(qū)放水實施，涵洞閉啟遵循該閘工程操作規(guī)范，流量控制在每秒100m3的標準范圍內(nèi)，參考灌區(qū)放水一般規(guī)律，依照每秒15m3的級差，選取確定每秒100、80、65、50、35、20m3等六個等級實施。較小涵內(nèi)水深不低于0．7m，以保障方便流速監(jiān)測和流量計算。保持各涵洞水位基本一致。糙率又稱粗糙常數(shù)，一般以n表示，是反映渠壁面粗糙狀態(tài)之對水流影響的一個綜合常數(shù)值。粗糙常數(shù)n跟水深、流量以及渠槽表面粗糙程度密切相關(guān)，如果水流挾帶泥沙，則水流含沙量大小也對糙率n有影響。對案例引黃涵閘來說，一定程度存在床面相對粗糙、斷面不規(guī)整和水流含沙量相對大等具體情況，所以參考實測和相關(guān)推算，確定較小n值在0．035，較大n值在0．100。

2．2．1超聲波流量計安裝步驟

(1)安裝主機:主機安裝主要注意電源線和射頻信號電纜的正確接連。連接電源線要選取電壓穩(wěn)定的電源，如果電源電壓穩(wěn)態(tài)不滿足要求時，應(yīng)考慮使用穩(wěn)壓器，以確保電源電壓符合主機的要求。架設(shè)信號電纜，其兩端須給與一定的識別標記，以防止電纜與主機及換能器連接時因不易分辨而導(dǎo)致錯誤連接。

(2)安裝換能器:實驗選用時差型超聲波流量計測定流速，測量探頭為換能器，每涵安裝一對洞，與主機通過信號電纜相連。安裝換能器重要的是換能器定位，即找出涵洞兩邊換能器安裝的準確部位，涵洞中心線與換能器的聲路夾角通常都選取45o，通常選用激光經(jīng)緯定位儀測量比較準確。換能器安裝好后，要準確測出聲路角、聲路高、聲路長等換能器現(xiàn)場安裝狀態(tài)基本參數(shù)。

(3)安裝超聲水位計:不但要有流速數(shù)據(jù)，還須掌握水?dāng)嗝婷娣e，才能實現(xiàn)超聲測定流量。涵洞斷面一般情況下都是確定的，所以只要測出水面高程，過水?dāng)嗝娴拿娣e也就能通過計算得出。超聲水位計就是用來測定水面高程的。在超聲波流量計的傳感器連線正中點的正上方涵洞頂板，為安裝超聲水位計的正確位置，見圖3具體所示。

2．2．2流量測量方法及步驟

(1)測量:在確定一個工況組合后，同步實施各種測量，主要有:設(shè)備測流，確定標準流量;各個洞內(nèi)水位計測各涵水位，微機機自動推算該時段的水位均值;各個洞內(nèi)流量計測定流速，微機自動推算測驗時段的流速均值;參考對應(yīng)底板高度，各個涵洞觀測出口和距離出口3m處的水位，不間斷觀測或者每1min觀測一次，之后微機推算水深，分別算出一個測驗時段的水位均值;與此同時參考對應(yīng)底板高度推算水深。

(2)推算各洞流量:首先確定一個糙率常數(shù)n，應(yīng)用前述測定的水深數(shù)據(jù)推算出各涵洞的流量Qi。與標準流量Q比較檢測∑Qi是否相等。假如不是相等，則需對糙率常數(shù)n進行必要調(diào)整。多次不停觀測，直到發(fā)現(xiàn)n0始終在一定范圍內(nèi)循環(huán)變化，則在其中較終選取一個中間值供計算所用。

3實驗結(jié)果分析

通過李家岸涵閘引黃送水工程中的流量測量實驗，試驗中參考測得的水位h和設(shè)定的不同糙率常數(shù)n，分別利用纜道流速儀、超聲波流量計、泄流曲線查算以及公式計算，對流量實施了多次比測。在滿足±5%允許誤差情況下，選用統(tǒng)計解析方法對數(shù)據(jù)實施篩選處理，獲得了滿足實驗解析的樣本系列，具體見表2和圖4所示。借助計算機對實驗數(shù)據(jù)實施擬合計算，得到了水深h與糙率常數(shù)n的擬合曲線，具體見圖

5所示。

從圖表數(shù)據(jù)比測結(jié)果中我們看到，四類測量結(jié)果相互差別非常小，其中查算泄流曲線獲得的流量誤差較大，而纜道流速儀測量和超聲波流量計測量的流量較為相近。超聲測量的水深與糙率擬合性較好，呈現(xiàn)緊密關(guān)聯(lián)狀態(tài)。由此可以看出，涵閘流量測量管理應(yīng)用超聲流量測量技術(shù)是可行的，其測量精度完全滿足工程測量管理要求。

4結(jié)語

文依據(jù)案例閘涵實例應(yīng)用數(shù)據(jù)，借助具體流量測定試驗解析，對閘涵規(guī)范化維護管理應(yīng)用超聲波流量計測流進行專題探討。基本收獲:(1)梳理介紹了超聲流量測量原理;(2)開展了應(yīng)用超聲波流量計進行閘涵流量在線自動化測量;(3)對實驗結(jié)果進行了直方和擬合比對分析。實驗得出的現(xiàn)實和前瞻性判斷是:(1)超聲波流量計可以對引黃涵閘進行在線自動化測流，能夠幫助工程管理人員對涵閘運行實現(xiàn)閘門開閉控制和開展數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、存儲和報送;(2)超聲流量測量，其精度誤差可以控制在±5%范圍以內(nèi)，精度滿足規(guī)范管理需要;(3)流量監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠一并傳輸?shù)近S委和省市專業(yè)管理局，并入涵閘遠程監(jiān)控系統(tǒng)，涵閘數(shù)據(jù)管理遠程化、實時化和信息化質(zhì)量大幅提升;(4)可以借助計算機系統(tǒng)的強大功能，建立實時涵閘信息數(shù)據(jù)庫，自動實施數(shù)據(jù)備份、轉(zhuǎn)儲功能，保障了歷史數(shù)據(jù)的安全性;對接收到的諸種數(shù)據(jù)統(tǒng)計解析，自動生成日、月、年報表，并對歷史數(shù)據(jù)按諸多條件實施查詢、記錄、修改及打印，應(yīng)用數(shù)據(jù)化信息開展規(guī)范化管理的效率更高，效果更好;(5)水流量實時監(jiān)測及信息化處理，可為涵閘按量刷卡引水供水提供技術(shù)發(fā)展空間。