［摘要］依據(jù)該閘涵實(shí)例應(yīng)用數(shù)據(jù)，借助流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析，超聲流量計(jì)在閘涵規(guī)范化維護(hù)管理中的應(yīng)用開(kāi)展專(zhuān)題探究，參考測(cè)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、超聲流量計(jì)、泄流曲線查算以及公式計(jì)算，對(duì)流量實(shí)施了多次比測(cè)，從圖表數(shù)據(jù)比測(cè)結(jié)果看出，四類(lèi)測(cè)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最大，而纜道流速儀測(cè)量和超聲流量計(jì)測(cè)量的流量最為相近。超聲測(cè)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(cè)量管理應(yīng)用超聲流量測(cè)量技術(shù)是可行的，其測(cè)量精度完全滿(mǎn)足工程測(cè)量管理要求。
閘涵維護(hù)管理既是一個(gè)管理學(xué)課題，也是一個(gè)技術(shù)類(lèi)課題，借助技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化控制、維護(hù)和管理，可以使閘涵維護(hù)管理更數(shù)據(jù)化、科學(xué)化和規(guī)范化。案例閘涵實(shí)例應(yīng)用數(shù)據(jù)，借助具體流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)閘涵維護(hù)管理應(yīng)用超聲流量計(jì)測(cè)流開(kāi)展專(zhuān)題探究，以為同類(lèi)工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考。
1超聲流量測(cè)量原理
時(shí)下工程選用的超聲流量計(jì)多為基于速率差或多普勒原理的超聲流量計(jì)，利用逆水流及順?biāo)鞒暶}沖速率差異測(cè)定流速流量。
1.1時(shí)差法超聲測(cè)定機(jī)理
超聲測(cè)定流量實(shí)質(zhì)上是借助超聲波測(cè)定流速，然后通過(guò)特定計(jì)算得到流量。當(dāng)向上游傳播聲波時(shí)，其波速下降，向下游傳播聲波時(shí)，其波速提高。要測(cè)定準(zhǔn)確流量，尤其是對(duì)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(cè)定方法才能更加準(zhǔn)確地測(cè)出流速演變量，從而準(zhǔn)確計(jì)算出流量。時(shí)差法超聲多聲道流速測(cè)定機(jī)理示意見(jiàn)圖1具體所示。
式中:θ為流向與波向夾角;L為聲道長(zhǎng)度;v為流速均值;T為順逆流時(shí)間均值;ΔT為順逆流的時(shí)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(cè)流機(jī)理
多普勒頻移測(cè)流是借助聲波多普勒頻移率測(cè)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(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，流速和相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(cè)定了這些差異頻率，就能求解出對(duì)應(yīng)的流速，進(jìn)而得到流量。為了更加有效地獲取多普勒頻移信號(hào)，超聲多普勒頻移流量計(jì)一般均選用收發(fā)一體的換能器，具體見(jiàn)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(jiàn)表1所示。
2超聲流量計(jì)在李家岸引黃閘流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究
2.1李家岸引黃閘運(yùn)行現(xiàn)狀
李家岸引黃閘位處黃泛沖積平原，擔(dān)負(fù)著附近六個(gè)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(zhǎng)81m，屬1級(jí)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(jì)防洪水位39．52m，設(shè)計(jì)，胸墻頂高度28．88m，底板高度25．88m，堤頂高度41．62m，機(jī)架橋頂高度42．00m，閘前減壓平臺(tái)高度32．50m，防沙閘門(mén)機(jī)架橋高度38．50m，現(xiàn)有堤頂高度39．00m，最高設(shè)計(jì)運(yùn)行水位36．29m，設(shè)計(jì)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(duì)其上下游水位、流速和流量實(shí)施了超聲實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)線纜傳至監(jiān)控室計(jì)算機(jī)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(cè)量實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)結(jié)合灌區(qū)放水實(shí)施.涵洞閉啟遵循該閘工程操作規(guī)范,流量控制在每秒100m'的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),參考灌區(qū)放水一般規(guī)律,依照每秒15m'的級(jí)差，選取確定每秒100、80.65、50、35、20m'等六個(gè)等級(jí)實(shí)施。最小涵內(nèi)水深不低于0.7m,以保障方便流速監(jiān)測(cè)和流量計(jì)算。保持各涵洞水位基本一致。糙率又稱(chēng)粗糙常數(shù),一般以n表示,是反映渠壁面粗糙狀態(tài)之對(duì)水流影響的一個(gè)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(duì)糙率n有影響。對(duì)案例引黃涵閘來(lái)說(shuō),一定程度存在床面相對(duì)粗糙、斷面不規(guī)整和水流含沙量相對(duì)大等具體情況,所以參考實(shí)測(cè)和相關(guān)推算,確定最小n值在0.035,最大n值在0.100。
2.2.1超聲流量計(jì)安裝步驟
(1)安裝主機(jī):主機(jī)安裝主要注意電源線和射頻信號(hào)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(mǎn)足要求時(shí)，應(yīng)考慮使用穩(wěn)壓器，以確保電源電壓符合主機(jī)的要求。架設(shè)信號(hào)電纜,其兩端須給與一定的識(shí)別標(biāo)記,以防止電纜與主機(jī)及換能器連接時(shí)因不易分辨而導(dǎo)致錯(cuò)誤連接。
(2)安裝換能器:實(shí)驗(yàn)選用時(shí)差型超聲波流量計(jì)測(cè)定流速,測(cè)量探頭為換能器.每涵安裝--對(duì)洞，與主機(jī)通過(guò)信號(hào)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(zhǔn)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(cè)量比較準(zhǔn)確。換能器安裝好后,要準(zhǔn)確測(cè)出聲路角、聲路高、聲路長(zhǎng)等換能器現(xiàn)場(chǎng)安裝狀態(tài)基本參數(shù)。.
(3)安裝超聲水位計(jì):不但要有流速數(shù)據(jù),還須掌握水?dāng)?面面積,才能實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)定流量。涵洞斷面--般情況下都是確定的,所以只要測(cè)出水面高程,過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e也就能通過(guò)計(jì)算得出。超聲水位計(jì)就是用來(lái)測(cè)定水面高程的。在超聲流量計(jì)的傳感器連線正中點(diǎn)的正上方涵洞頂板，為安裝超聲水位計(jì)的正確位置,見(jiàn)圖3具體所示。
2.2.2流量測(cè)量方法及步驟
(1)測(cè)量:在確定一個(gè)工況組合后,同步實(shí)施各種測(cè)量，主要有:設(shè)備測(cè)流,確定標(biāo)準(zhǔn)流量;各個(gè)洞內(nèi)水位計(jì)測(cè)各涵水位，微機(jī)機(jī)自動(dòng)推算該時(shí)段的水位均值;各個(gè)洞內(nèi)流量計(jì)測(cè)定流速，微機(jī)自動(dòng)推算測(cè)驗(yàn)時(shí)段的流速均值;參考對(duì)應(yīng)底板高度,各個(gè)涵洞觀測(cè)出口和距離出口3m處的水位,不間斷觀測(cè)或者每1min觀測(cè)--次,之后微機(jī)推算水深,分別算出一個(gè)測(cè)驗(yàn)時(shí)段的水位均值;與此同時(shí)參考對(duì)應(yīng)底板高度推算水深。
(2)推算各洞流量:首先確定一個(gè)糙率常數(shù)n,應(yīng)用前述測(cè)定的水深數(shù)據(jù)推算出各涵洞的流量Q。與標(biāo)準(zhǔn)流量Q比較檢測(cè)EQ,是否相等。假如不是相等,則需對(duì)糙率常數(shù)n進(jìn)行必要調(diào)整。多次不停觀測(cè)，直到發(fā)現(xiàn)n0始終在一定范圍內(nèi)循環(huán)變化,則在其中最終選取一-個(gè)中間值供計(jì)算所用。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
參考測(cè)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、超聲流量計(jì)、泄流曲線查算以及公式計(jì)算,對(duì)流量實(shí)施了多次比測(cè)。在滿(mǎn)足士5%允許誤差情況下,選用統(tǒng)計(jì)解析方法對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施篩選處理,獲得了滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)解析的樣本系列,具體見(jiàn)表2和圖4所示。借助計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)施擬合計(jì)算,得到了水深h與糙率常數(shù)n的擬合曲線，具體見(jiàn)圖5所示。
從圖表數(shù)據(jù)比測(cè)結(jié)果中看到,四類(lèi)測(cè)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最大,而纜道流速儀測(cè)量和超聲流量計(jì)測(cè)量的流量最為相近。超聲測(cè)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(cè)量管理應(yīng)用超聲流量測(cè)量技術(shù)是可行的,其測(cè)量精度完全滿(mǎn)足工程測(cè)量管理要求。
4結(jié)語(yǔ)
閘涵實(shí)例應(yīng)用數(shù)據(jù),借助具體流量測(cè)定試驗(yàn)解析,對(duì)閘涵規(guī)范化維護(hù)管理應(yīng)用超聲流量計(jì)測(cè)流進(jìn)行專(zhuān)題探討。基本收獲:(1)梳理介紹了超聲流量測(cè)量原理;(2)開(kāi)展了應(yīng)用超聲流量計(jì)進(jìn)行閘涵流量在線自動(dòng)化測(cè)量;(3)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了直方和擬合比對(duì)分析。實(shí)驗(yàn)得出的現(xiàn)實(shí)和前瞻性判斷是:(1)超聲流量計(jì)可以對(duì)引黃涵閘進(jìn)行在線自動(dòng)化測(cè)流，能夠幫助工程管理人員對(duì)涵閘運(yùn)行實(shí)現(xiàn)閘門(mén)開(kāi)閉控制和開(kāi)展數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)和報(bào)送;(2)超聲流量測(cè)量，其精度誤差可以控制在+5%范圍以?xún)?nèi),精度滿(mǎn)足規(guī)范管理需要;(3)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠一并傳輸?shù)近S委和省市專(zhuān)業(yè)管理局,并入涵閘遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),涵閘數(shù)據(jù)管理遠(yuǎn)程化、實(shí).時(shí)化和信息化質(zhì)量大幅提升;(4)可以借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能,建立實(shí)時(shí)涵閘信息數(shù)據(jù)庫(kù),自動(dòng)實(shí)施數(shù)據(jù)備份、轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能,保障了歷史數(shù)據(jù)的安全性;對(duì)接收到的諸種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)解析,自動(dòng)生成日、月、年報(bào)表,并對(duì)歷史數(shù)據(jù)按諸多條件實(shí)施查詢(xún)、記錄、修改及打印,應(yīng)用數(shù)據(jù)化信息開(kāi)展規(guī)范化管理的效率更高,效果更好;(5)水流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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。
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