韓子波

摘 要：南水北調(diào)工程個(gè)別分水閘流量計(jì)存在數(shù)據(jù)異常。本文結(jié)合南水北調(diào)工程沿線分水閘運(yùn)行情況，分析其存在的問(wèn)題，為日后分水閘設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行提供參考。

關(guān)鍵詞：分水閘;南水北調(diào);流量計(jì);淤積

中圖分類(lèi)號(hào)：TH814.92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）23-0082-03

Abstract： There are data abnormalities in individual sluice flowmeters of the South-to-North Water Transfer Project. This paper combined the operation of the sluice along the South-to-North Water Transfer Project， analyzed its existing problems， and provided references for the design， construction and operation of the sluice in the future.

Keywords： diversion gate;South-to-North Water Transfer;flowmeter;siltation

南水北調(diào)中線干線一期工程自2003年12月正式開(kāi)工建設(shè)，2013年12月25日完成主體工程建設(shè)，2014年12月12日正式通水運(yùn)行。該系統(tǒng)在沿線閘門(mén)控制處設(shè)計(jì)安裝有175臺(tái)超聲波流量計(jì)和28臺(tái)電磁流量計(jì)，主要分布在工程沿線節(jié)制閘、分水閘、退水閘和調(diào)節(jié)池閘門(mén)控制處，這些流量測(cè)量設(shè)備是保證工程運(yùn)行管理和供水計(jì)量收費(fèi)的重要設(shè)施，不但可以對(duì)分水量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，全面掌控過(guò)水流量動(dòng)態(tài)變化，為工程調(diào)水全線水量平衡計(jì)算提供直接依據(jù)，而且將為核算各供水戶的供水量及水費(fèi)收繳提供基礎(chǔ)支撐[1]。

1 分水閘供水工程概況

郭屯分水閘位于河南省輝縣市王敬屯鄉(xiāng)郭屯村南700 m，郭屯分水閘位于總干渠右堤上，中心線與總干渠軸線垂直，承擔(dān)向獲嘉縣城供水的任務(wù)，設(shè)計(jì)引水流量為3 m3/s，閘底板高程為98.80 m。分水閘在結(jié)構(gòu)上分為三段：進(jìn)口段、閘室控制段和涵管段。

進(jìn)口段在平面上呈八字?jǐn)U散形，分為擋土墻段和矩型槽段。為不減少總干渠的過(guò)水?dāng)嗝?，擋土墻和矩形槽?cè)墻均為八字形斜降墻，墻頂均與總干渠內(nèi)側(cè)堤坡持平。分水閘進(jìn)口段在平面上呈八字?jǐn)U散形，長(zhǎng)度為13.19 m，擴(kuò)散角每側(cè)為150°。進(jìn)口段分擋土墻段和矩型槽段，擋土墻段底板為自總干渠渠底高程95.91 m至矩型槽上游端底高程97.92 m的斜底板，底板厚為0.30 m。上游前沿底寬為8.97 m，下游底寬為4.04 m，擋土墻最高斷面的高度為3.09 m。矩型槽段底板高程為自97.92 m至閘底板高程98.80 m的斜底板，底板厚為0.70 m。上游前沿底寬為4.04 m，下游底寬為1.90 m，矩型槽最高斷面的高度為4.41 m。

分水閘閘室控制段靠上游岸坡堤頂布置，底板長(zhǎng)度為7.00 m，底板高程為98.80 m。閘室控制段采用一孔平底板矩形整體布置型式，閘孔寬度為1.90 m，閘墩頂高程為105.01 m。檢修平臺(tái)平堤頂，堤頂高程為105.01 m，檢修平臺(tái)上設(shè)啟閉機(jī)排架，檢修平臺(tái)至啟閉層的高度為3.50 m。啟閉機(jī)層為露頂式。閘室控制段設(shè)一扇工作閘門(mén)、一扇檢修門(mén)。工作門(mén)門(mén)型為平面鋼閘門(mén)，其啟吊設(shè)備為液壓式啟閉機(jī)，工作閘門(mén)位于檢修閘門(mén)下游側(cè)，共有1孔，設(shè)置1扇閘門(mén)。閘門(mén)孔口尺寸（寬×高）為1.90 m×1.90 m，閘門(mén)最大設(shè)計(jì)水頭為4.71 m。閘門(mén)采用潛孔式平面定輪焊接鋼閘門(mén)，門(mén)葉結(jié)構(gòu)采用多主橫梁同層布置，單吊點(diǎn)，閘門(mén)行走支承選用懸臂滾輪，止水選用前止水。閘門(mén)操作運(yùn)用方式為動(dòng)水啟閉。檢修門(mén)啟吊設(shè)備采用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。檢修閘門(mén)設(shè)置在分水閘上游進(jìn)口處，共有1孔，設(shè)1扇閘門(mén)?？卓诔叽纾▽挕粮撸?.90 m×1.90 m，閘門(mén)最大設(shè)計(jì)水頭為4.71 m。閘門(mén)采用潛孔式平面定輪焊接鋼閘門(mén)，門(mén)葉結(jié)構(gòu)采用雙主橫梁同層布置，單吊點(diǎn)，閘門(mén)行走支承選用懸臂滾輪，止水選用后止水。閘門(mén)操作運(yùn)用方式為靜水啟閉，啟閉機(jī)選用1臺(tái)100 kN固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)，最大啟門(mén)力為100 kN。

分水閘涵洞洞身段為一孔矩形斷面，孔口尺寸為1.90 m×1.90 m，洞底坡坡度為1/500，涵洞進(jìn)口底板高程為98.80 m，同閘底板，涵洞段長(zhǎng)為15 m，出口底板高程為98.77 m，接配套工程進(jìn)水前池，前池下游接配套工程供水管道。配套工程輸水線路長(zhǎng)為22.94 km，管材均為PCP管，管徑為DN 1 200 mm。

分水閘流量計(jì)為超聲波流量計(jì)，安裝在涵管段閘門(mén)下游側(cè);配套工程流量計(jì)安裝在配套工程供水管道首端處，采用電磁流量計(jì)。超聲波時(shí)差法流量計(jì)，利用聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差來(lái)測(cè)量聲線上的線平均流速，采用多個(gè)聲道測(cè)量流速并加權(quán)積分計(jì)算流量。電磁流量計(jì)是一種根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理來(lái)測(cè)量管內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的感應(yīng)式儀表[2]。體積流量與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[e]和測(cè)量管內(nèi)徑[D]成線性關(guān)系，與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度[B]成反比，與其他物理參數(shù)無(wú)關(guān)。

2 分水閘運(yùn)行情況

分水閘運(yùn)行期間，轄區(qū)內(nèi)分水閘流量計(jì)瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)多次發(fā)生短時(shí)跳變，瞬時(shí)流量異常增大，月累計(jì)水量異常增大。經(jīng)流量計(jì)廠家技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)排查故障，判斷原因?yàn)榱髁坑?jì)1#換能器探頭被淤泥淹沒(méi)，無(wú)法正常工作，現(xiàn)場(chǎng)采取將1#探頭屏蔽的方式，暫時(shí)使用2#探頭進(jìn)行計(jì)量（但數(shù)據(jù)明顯偏大）。為了進(jìn)一步確定原因，管理人員安排專(zhuān)業(yè)潛水作業(yè)隊(duì)伍到水下進(jìn)行查看，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，分水閘箱涵內(nèi)淤堵比較嚴(yán)重，工作門(mén)下游2 m處淤泥厚度為1 m左右，箱涵和進(jìn)水前池結(jié)合部位淤泥厚度為1.5 m左右。經(jīng)初步分析，原因?yàn)榉炙l分水流量小，而且進(jìn)水前池較大，過(guò)水截面變大，流速較小造成泥沙淤積。由于該分水閘正在運(yùn)行使用，且配套工程正值用水高峰期，換能器探頭所在涵洞處于滿水狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行停水檢修，為了確保正常、穩(wěn)定運(yùn)行和水量的準(zhǔn)確計(jì)量，有關(guān)管理部門(mén)派遣專(zhuān)業(yè)潛水作業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行分水閘清淤。運(yùn)行期間共清淤兩次，一次利用用水低峰時(shí)間段緊急停水清淤，一次采取專(zhuān)業(yè)潛水作業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行分水閘不停水清淤。郭屯分水閘流量計(jì)修復(fù)清淤工作一次花費(fèi)約3.5萬(wàn)元。淤積影響如下：影響流量計(jì)正常工作，導(dǎo)致流量計(jì)計(jì)量錯(cuò)誤;影響配套工程正常分水;造成高額的清淤費(fèi)用。進(jìn)水前池清淤實(shí)景圖如圖1所示。

3 分水口分水?dāng)?shù)據(jù)分析

3.1 清淤數(shù)據(jù)分析

流量計(jì)安裝在涵洞出口，2017年1月1日至2017年4月22日平均流速為0.05 m/s，平均瞬時(shí)流量為0.18 m3/s，日分水量為1.46萬(wàn)m3/s;2017年4月22日至2017年7月25日平均流速為0.13 m/s，平均瞬時(shí)流量為0.36 m3/s，日分水量為3.10萬(wàn)m3/s;2017年7月25日清淤后平均流速為0.05 m/s，平均瞬時(shí)流量為0.19 m3/s，日分水量為1.57萬(wàn)m3/s。

如表1所示，清淤前瞬時(shí)流量相差較大，水量差較大，水量差百分比大于10%，清淤后瞬時(shí)流量接近，水量差較小，水量差百分比小于10%，隨著時(shí)間的推移，清淤后水量逐月增大，再次清淤后，水量差又變小。

3.2 率定數(shù)據(jù)分析

率定時(shí)郭屯分水口閘門(mén)開(kāi)度為300 mm，分水閘箱涵有嚴(yán)重淤積，有關(guān)流量測(cè)量數(shù)據(jù)與分水閘下游配套工程首端電磁流量計(jì)數(shù)據(jù)差一倍多。配套工程首端采用電磁流量計(jì)、單一管線、28 km自流進(jìn)入水廠，首端末端數(shù)據(jù)相當(dāng)。

作業(yè)人員于2018年3月24日進(jìn)場(chǎng)，采用外夾式超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量率定如圖2所示。經(jīng)過(guò)設(shè)備安裝與調(diào)試，3月24日12：00進(jìn)行了1 h的流量率定。本次率定收集2018年3月24日12：30到13：30的過(guò)程數(shù)據(jù)，同時(shí)段調(diào)取了分水口門(mén)的時(shí)差法流量計(jì)和地方首端電磁流量計(jì)數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，率定期間，首端電磁流量計(jì)偏差保持在6.0%左右，負(fù)向偏小;分水口門(mén)暗涵流量計(jì)偏差保持在85.6%左右，正向偏大。

因郭屯分水口門(mén)現(xiàn)場(chǎng)僅具備率定一個(gè)流量級(jí)，考慮現(xiàn)場(chǎng)安全供水，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分級(jí)流量調(diào)整，所以郭屯分水口門(mén)流量計(jì)率定關(guān)系定為[Y=0.539x]，其中[x]為分水口門(mén)流量計(jì)的流量監(jiān)測(cè)數(shù)值，[Y]為修正后的分水口門(mén)流量計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)值。

4 淤積原因分析及處理方法

針對(duì)沿線淤積嚴(yán)重分水口，管理處做出了分析研究，并提出或采取了一些措施。經(jīng)分析，原因主要有：分水運(yùn)行目標(biāo)流速較小;在分水口設(shè)計(jì)過(guò)水?dāng)嗝?，分水水流從上游到下游?jīng)由與總干渠連接的小斷面暗函突變?yōu)榕c配套供水管道連接的大斷面前池，流速變小。以上兩種原因造成大量泥沙在暗函和前池淤積。治淤目前采取在干渠分水口處增設(shè)攔污清淤裝置、不定期污泥泵清淤、人工清淤、機(jī)械清淤等方式，但都存在各種問(wèn)題，耗費(fèi)大量的人力、物力，影響分水，水質(zhì)、清淤不徹底、不理想。

5 分水閘設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行建議

超聲時(shí)差測(cè)流技術(shù)包含三個(gè)不可分割的部分：準(zhǔn)確的時(shí)間測(cè)量技術(shù)、準(zhǔn)確的幾何參數(shù)測(cè)量技術(shù)和有效的流速代表性算法。換能器需要施工方在方涵現(xiàn)場(chǎng)安裝，安裝完畢需要精確測(cè)量流量模型需要配置的幾何參數(shù)，包括聲道長(zhǎng)度、聲道角、聲道高度、斷面面積等，特別是由于河南段分水口采用了單聲道面配置，聲道方向與水流流動(dòng)方向的夾角通常存在較大的不確定度;幾何參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確度依賴于現(xiàn)場(chǎng)施工和質(zhì)量控制水平，往往同一款流量計(jì)由不同的施工隊(duì)伍安裝，幾何參數(shù)偏差造成的流量誤差可能有高有低。

另外，主要的問(wèn)題還在于有效的流速代表性算法，其一是探頭凸出壁面造成的流體擾動(dòng)影響，對(duì)于幾十米寬的方涵可以忽略，對(duì)于分水口兩三米的方涵寬度，換能器凸出幾十毫米，可能導(dǎo)致百分之幾的流速測(cè)量偏差，其影響需要進(jìn)行修正;其二是平均流速算法，流量計(jì)內(nèi)置的算法應(yīng)對(duì)的是理想的足夠長(zhǎng)直的方涵情況，兩個(gè)試點(diǎn)的順直段水流通道距離很短，分水口下游幾米到幾十米的位置安裝流量計(jì)，暗涵水流與干渠水流形成90°的切角，流場(chǎng)可能存在很大的漩渦，僅用單聲道面兩個(gè)聲道很難得到準(zhǔn)確的平均流速，漩渦可能導(dǎo)致百分之幾甚至百分之幾十的測(cè)量偏差。

流量計(jì)使用基本原則如下：順直段足夠長(zhǎng)，無(wú)擴(kuò)散和收縮;如果上下游既有明渠，也有管道，管道段作為首選;無(wú)論管道還是暗涵，都應(yīng)有冗余的考慮，水的流道和流量計(jì)一主一備，便于運(yùn)維;明渠要考慮水草和淤積的影響;管道順直段足夠長(zhǎng)，超聲時(shí)差法的適應(yīng)性更好;電磁流量計(jì)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)要求高，順直段足夠長(zhǎng)，上下游無(wú)閥門(mén)，時(shí)差法和電磁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量都會(huì)比較高;大管道時(shí)差是首選;時(shí)差法流量計(jì)要把控安裝質(zhì)量。

建議設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮防於、治於問(wèn)題;考慮流量計(jì)安裝需要滿足的水流條件、位置;施工時(shí)嚴(yán)格控制流量計(jì)安裝的施工精度要求;運(yùn)行時(shí)，要考慮流量計(jì)工作條件，及時(shí)維護(hù)，保證精度;充分考慮好流量計(jì)計(jì)量問(wèn)題，避免爭(zhēng)議;與受水單位建立運(yùn)行溝通機(jī)制;考慮停水檢修問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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