南水北调东线穿黄干渠流量计安装方案研究

赵 琳，张亮方，张 晨，李伟秀，苏婷婷

(1.山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250013；2.南水北调(山东)机电维修有限责任公司，山东 济南 250102)

近年来，我国建设了众多跨流域调水工程，其中南水北调工程是缓解我国北方水资源危机的战略性工程，非常重视渠道自动控制技术及运行管理[1]。明渠水流量能够进行准确的测量[2]，对南水北调的运行管理至关重要。穿黄河工程是南水北调东线一期工程的一个关键节点，其水情信息的准确性和实时性是至关重要的[3]，因此要求实现流量的精确计量和控制[4]。穿黄工程原有2套流量计，分别安装于出湖闸和穿引黄渠埋涵出口下游。其中，出湖闸的8声道时差法超声波流量计经过多年运行后出现换能器异常、水位计失效等问题，通过维修与检测确定无法正常运行，需要马上进行更换。由于渠道常年有水，且穿黄工程出湖闸正在通水，无法停水，需要研究合适的超声波流量计安装方案。出湖闸南干渠平面布置见图1。

图1 出湖闸南干渠平面布置图

1 流量计安装方案对比分析

超声波流量计由于精度高、反应快、宽量程比以及始动流量小等优越特性得到了广泛应用[5]，其组件包括超声波换能器、电缆以及后续的信号处理装置，即超声发射器和接收器，主控制芯片及其外围电路[6- 7]。8声道时差法超声波流量计的安装位置，应在引水口门下游适当位置且水流平稳处布设，为减少不稳定流态引起的不均匀流速影响，采用交叉传输的阵列式布局[8]，通过增加超声波声道数，可以测量超大口径或者河流、大坝闸口的流量[5]。

出湖闸的机房内安装有闸控机柜和UPS，因此本次8声道时差法超声波流量计适合采用分体安装：把超声波流量计主机的超声波模块与主机显示模块都安装在出湖闸管理房，方便UPS供电，室内安装防盗、防老化、易于维护；换能器安装在出湖闸下游南干渠的渠道中，该位置流态较稳，有利于超声波流量计监测；换能器通过同轴电缆RG58传输信号至流量计主机，换能器电缆穿管，沿堤顶两侧直埋至管理房。

南干渠典型断面如图2所示。

图2 南干渠典型断面图

根据现场检查发现，出湖闸的电缆损坏较重，需要在渠道沿岸重新敷设电缆，并将电缆接入出湖闸管理房内。出湖闸管理房原来配置了UPS不间断电源且运行正常，考虑异常断电易影响超声波流量计设备的正常稳定运行，本次安装的超声波流量计也考虑通过该UPS供电。不过，因为渠道常年有水，安装、维护、调试水下换能器具有一定的困难。若抽排渠道内的明水，出湖闸下游地下水位较高，过高的地下水位会对渠道衬砌板造成破坏，必须考虑合适的排水方案；另外，也可以考虑带水安装水下换能器。下面对这两种不同的安装方案进行分析和研究。

1.1 制造钢围堰排水安装方案分析

围堰施工前要收集施工水域的水文特征[9]。出湖闸超声波流量计位于出湖闸下游50m处，渠底高程34.48m，设计水深4.6m，该处近历史地下水位平均值为38.18m，历史地下水位曲线如图3所示。

图3 历史地下水位曲线图

为了避免过高的地下水位对渠道衬砌板造成的破坏，排水安装需要修筑围堰并打降水井降低于渠道沿线地下水位。本方案考虑用钢围堰作为阻水围堰，将2片钢围堰横跨渠道安装，每片钢围堰重量6.54t，包含10片方形组件和4片梯形组件；每片钢围堰的组件之间装有密封橡胶条，组件之间通过螺栓连接，钢围堰与渠道衬砌板之间采用遇水膨胀的止水条密封止水。钢围堰安装方式采用单片整体吊装置入渠道中，两片钢围堰间距12～14m；静置20h后，采用潜水泵排出围堰之间渠道中的积水。随着水位下降，可以根据需要，自上而下加装水平支撑和垂直支撑，水平支撑水平间距2m，直到水位降到可以维护流量计的水位。单片钢围堰示意如图4所示。

图4 单片钢围堰示意图

8声道超声波流量计16个换能器分别安装于相距10m的两个断面上，交叉组成8个声路，达到测量的目的。

1.2 超声波流量计带水安装方案分析

通过对现场进行查勘和分析，带水安装超声波流量计适宜安装在出湖闸下游150m的位置，该位置底宽度14m，距离下游渠道桥约50m，边坡比1∶2，运行水深4m，不过可以降至3.5m。本方案考虑超声波流量计主机显示模块及超声波传送模块都安装在出湖闸管理房内，换能器安装在定制的带水安装支架上。支架主体框架结构的材料选用50mm×50mm的热镀锌角钢，换能器安装底板选用500mm×200mm×8mm的镀锌板，换能器直接固定在底板上，所有焊接处都要做耐腐蚀处理。换能器与安装支架作为整体放入水下，安装时参考当前水位值，确定支架安装高程和8对换能器的安装高程。考虑8个声道的换能器在渠道两岸及水面以下的布置方案如图5所示。

图5 换能器水下布置示意图

在带水安装的情况下，水下换能器无法在安装后进行包封，需要采用水下换能器保护罩进行保护，防止挂水草等杂物，便于固定安装。

1.3 方案对比分析

从安装的方便性、造价情况、供电情况、耐用性、安全性等方面对以上方案进行对比，详细情况见表1。

表1 两种安装方案对比表

钢围堰具有强度高、可循环使用、防水性能良好[10]等优点，不过钢围堰本身受水位、地形地质、工期等各方面因素的影响较大[11]，存在较大的安全隐患；围堰内外的水头差对围堰整体的力学性能和稳定性影响显著[9]，因此要严格控制水位差；一旦围堰发生整体或局部的失稳、坍塌时，随之出现的快速涌水问题可能给工程带来巨大的人员伤亡与财产损失[12]，因此在围堰施工过程中需要布设应变安全监测仪器，随时掌握钢围堰的应力变化。水流经过换能器，会在换能器附近产生漩涡，换能器会受到剪切力的影响[13]，换能器必须要进行包封，钢围堰排水安装方式需要用混凝土包封也更贴合渠壁，带水安装方式采用保护罩密封也不影响运行。经对比分析，带水安装方式不需排水、安装相对简单、造价相对低、安全性更高，采用带水安装方式较好；流量计主机模块都安装在出湖闸管理房，安全性、耐用性、稳定性更好。

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2 8声道时差法超声波流量计带水安装方案研究

2.1 时差法超声波流量计测流原理

流速-面积法是指测出过流断面的点、线或小面积等某些局部流速，通过这些局部流速来计算整个过水断面的平均流速[14]。时差法超声波流量计是采用流速-面积法测流的重要方法。时差法超声波流量计利用换能器发射超声波脉冲信号，信号在流体中传播会受到流体的影响会发生改变，信号在顺向和逆向传播的时间不同，时差法超声波流量计正是利用超声波在流体中传播时因水流方向不同而传播速度不同的特点，通过测量顺水流方向传播时间与逆水流方向传播时间的时间差，来计算流体的速度与流量[15]。例如，时差法超声波流量计在渠道左右岸分别布设两个换能器，分别负责发射和接受超声波脉冲信号，其测流示意如图6所示。

图6 时差法超声波流量计换能器测流示意图

该声道水流流速为：

(1)

这样两个换能器测得的流速信息是声道线上的流速信息，需要将其修正为流体的面流速[17]。多个声道的换能器测得多个声道的流速信息，计算出平均流速，再通过渠道断面计算出流量。

南干渠典型断面为等腰梯形断面，其水力要素如图7所示。

图7 典型断面水力要素图

其断面水力半径：

(2)

其断面流量：

(3)

2.2 换能器选择及安装支架研究

流速分布是现阶段认为的分析研究河流潮流等都极为重要的物理量，它是反映流体特性最基本的特征量[23]。对于不同类型的明渠，流速在明渠垂线方向和渠宽方向的分布梯度不同[24- 25]，梯形断面渠道的最大流速在相对水深0.6～0.8m范围内，距离渠壁越近，最大流速点的位置越高[26]，单声道超声波流量计布设在该范围比较合适；而8声道时差法超声波流量计的8个声道需要均匀布置在渠道水面以下，超声波流量计根据所测量的8层流速与过水断面做积分运算得到瞬时过水流量。

要实现换能器带水安装，需要确定第1、第8声道高程，并将其余6声道均匀布置在这两个高程之间。换能器高程：

(4)

式中，h—高程；l—换能器之间的距离；f—换能器频率。

参考南干渠的水位值，通过上面的计算公式确定第1、第8声道支架安装高程，从而确定8对换能器的安装高程，再专门定制支架用来安装8对换能器。设计支架框架采用规格50mm×50mm的热镀锌角钢，换能器安装底板采用规格500mm×200mm×8mm的镀锌板，换能器直接安装固定在底板上，所有焊接处都要用油漆粉刷，确保水下耐腐蚀。8对换能器与安装支架构成一个整体，将支架整体放入水下。定制安装支架示意如图8所示。

图8 安装支架示意图(单位：m)

2.3 换能器模拟对准方案

换能器的入射角可以在30°～60°之间进行调节，因每个声道的声道角度都不同，根据理论计算的角度对换能器在坡道上做模拟对准，调整换能器至正确的角度后固定换能器到支架的安装底板上。依次重复以上的步骤，每个换能器均调整好角度后固定于底板，该步骤需要在光照弱的情况下进行，以便于观测激光对准器的激光点。

2.4 安装支架入水固定方案

支架焊接完成，将换能器安装在底板后，需要将支架在水下固定，应提前模拟带水安装过程。由于支架大而重，而且需要准确安装在提前设计的支架安装参考线上，该步骤所需人员较多，施工工程量较大，需要保证安全性，支架放置到位后，在支架露出水面部分的横担和斜拉撑上开孔，并用膨胀螺栓将支架顶部牢固固定在渠道斜坡壁上。支架安装完毕后，需要将水面上部的裸露部分用水泥包封。

2.5 数据接入要求

RS485通讯其主要特点在于它是一种半双工通讯，传输距离比较远[27]，本次流量计主机信号采用RS485接口(Modbus协议)传输至出湖闸原有PLC，利用南水北调东线山东干线已建成的计算机网络(业务内网)上传信号至穿黄工程备调中心工控机，工控机显示屏上显示数据。再通过计算机网络(业务内网)将采集的水量信息上传调度中心，为自动化调度监控、运行维护、工程管理等业务的信息化作业平台和调度会商决策提供服务，实现运行管理信息化。目前，穿黄干渠已完成出湖闸8声道时差法超声波流量计的带水安装并运行了一段时间，流量计一直工作正常。

3 结语

本文提出南水北调穿黄干渠超声波流量计在调水过程中的带水安装和排水安装两种方案并进行了对比分析，认为带水安装更适合工程实际。文章研究了8声道时差法超声波流量计带水支架安装的具体方案，可以有效解决渠道调水过程中突发多声道超声波流量计损坏、更换困难的问题，为此类工程问题的解决提供了借鉴。带水安装方案属于应急方案，而常规的渠壁安装方式更利于长期稳定运行，如果渠道能够在特定时期排空渠水，可在无水的状态下将应急安装的流量计换能器更改为渠壁安装、并采用混凝土包封。不过，穿黄干渠由于一直有水，换能器的安装方式尚未进行更改。