趙 琳，張亮方，張 晨，李偉秀，蘇婷婷

(1.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.南水北調(diào)(山東)機(jī)電維修有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250102)

近年來，我國(guó)建設(shè)了眾多跨流域調(diào)水工程，其中南水北調(diào)工程是緩解我國(guó)北方水資源危機(jī)的戰(zhàn)略性工程，非常重視渠道自動(dòng)控制技術(shù)及運(yùn)行管理[1]。明渠水流量能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量[2]，對(duì)南水北調(diào)的運(yùn)行管理至關(guān)重要。穿黃河工程是南水北調(diào)東線一期工程的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其水情信息的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性是至關(guān)重要的[3]，因此要求實(shí)現(xiàn)流量的精確計(jì)量和控制[4]。穿黃工程原有2套流量計(jì)，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(shí)差法超聲波流量計(jì)經(jīng)過多年運(yùn)行后出現(xiàn)換能器異常、水位計(jì)失效等問題，通過維修與檢測(cè)確定無法正常運(yùn)行，需要馬上進(jìn)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(jì)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(jì)安裝方案對(duì)比分析

超聲波流量計(jì)由于精度高、反應(yīng)快、寬量程比以及始動(dòng)流量小等優(yōu)越特性得到了廣泛應(yīng)用[5]，其組件包括超聲波換能器、電纜以及后續(xù)的信號(hào)處理裝置，即超聲發(fā)射器和接收器，主控制芯片及其外圍電路[6- 7]。8聲道時(shí)差法超聲波流量計(jì)的安裝位置，應(yīng)在引水口門下游適當(dāng)位置且水流平穩(wěn)處布設(shè)，為減少不穩(wěn)定流態(tài)引起的不均勻流速影響，采用交叉?zhèn)鬏數(shù)年嚵惺讲季諿8]，通過增加超聲波聲道數(shù)，可以測(cè)量超大口徑或者河流、大壩閘口的流量[5]。

出湖閘的機(jī)房?jī)?nèi)安裝有閘控機(jī)柜和UPS，因此本次8聲道時(shí)差法超聲波流量計(jì)適合采用分體安裝：把超聲波流量計(jì)主機(jī)的超聲波模塊與主機(jī)顯示模塊都安裝在出湖閘管理房，方便UPS供電，室內(nèi)安裝防盜、防老化、易于維護(hù)；換能器安裝在出湖閘下游南干渠的渠道中，該位置流態(tài)較穩(wěn)，有利于超聲波流量計(jì)監(jiān)測(cè)；換能器通過同軸電纜RG58傳輸信號(hào)至流量計(jì)主機(jī)，換能器電纜穿管，沿堤頂兩側(cè)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，出湖閘的電纜損壞較重，需要在渠道沿岸重新敷設(shè)電纜，并將電纜接入出湖閘管理房?jī)?nèi)。出湖閘管理房原來配置了UPS不間斷電源且運(yùn)行正常，考慮異常斷電易影響超聲波流量計(jì)設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行，本次安裝的超聲波流量計(jì)也考慮通過該UPS供電。不過，因?yàn)榍莱Ｄ暧兴?，安裝、維護(hù)、調(diào)試水下?lián)Q能器具有一定的困難。若抽排渠道內(nèi)的明水，出湖閘下游地下水位較高，過高的地下水位會(huì)對(duì)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?lián)Q能器。下面對(duì)這兩種不同的安裝方案進(jìn)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(jì)位于出湖閘下游50m處，渠底高程34.48m，設(shè)計(jì)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(duì)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(jù)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(hù)流量計(jì)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(jì)16個(gè)換能器分別安裝于相距10m的兩個(gè)斷面上，交叉組成8個(gè)聲路，達(dá)到測(cè)量的目的。

1.2 超聲波流量計(jì)帶水安裝方案分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查勘和分析，帶水安裝超聲波流量計(jì)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(yùn)行水深4m，不過可以降至3.5m。本方案考慮超聲波流量計(jì)主機(jī)顯示模塊及超聲波傳送模塊都安裝在出湖閘管理房?jī)?nèi)，換能器安裝在定制的帶水安裝支架上。支架主體框架結(jié)構(gòu)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(shí)參考當(dāng)前水位值，確定支架安裝高程和8對(duì)換能器的安裝高程。考慮8個(gè)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?lián)Q能器無法在安裝后進(jìn)行包封，需要采用水下?lián)Q能器保護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)，防止掛水草等雜物，便于固定安裝。

1.3 方案對(duì)比分析

從安裝的方便性、造價(jià)情況、供電情況、耐用性、安全性等方面對(duì)以上方案進(jìn)行對(duì)比，詳細(xì)情況見表1。

表1 兩種安裝方案對(duì)比表

鋼圍堰具有強(qiáng)度高、可循環(huán)使用、防水性能良好[10]等優(yōu)點(diǎn)，不過鋼圍堰本身受水位、地形地質(zhì)、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(nèi)外的水頭差對(duì)圍堰整體的力學(xué)性能和穩(wěn)定性影響顯著[9]，因此要嚴(yán)格控制水位差；一旦圍堰發(fā)生整體或局部的失穩(wěn)、坍塌時(shí)，隨之出現(xiàn)的快速涌水問題可能給工程帶來巨大的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失[12]，因此在圍堰施工過程中需要布設(shè)應(yīng)變安全監(jiān)測(cè)儀器，隨時(shí)掌握鋼圍堰的應(yīng)力變化。水流經(jīng)過換能器，會(huì)在換能器附近產(chǎn)生漩渦，換能器會(huì)受到剪切力的影響[13]，換能器必須要進(jìn)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(hù)罩密封也不影響運(yùn)行。經(jīng)對(duì)比分析，帶水安裝方式不需排水、安裝相對(duì)簡(jiǎn)單、造價(jià)相對(duì)低、安全性更高，采用帶水安裝方式較好；流量計(jì)主機(jī)模塊都安裝在出湖閘管理房，安全性、耐用性、穩(wěn)定性更好。

第一，旅游危機(jī)事件網(wǎng)絡(luò)輿情傳播的行為主體在輿情傳播的各個(gè)階段所發(fā)揮的作用各有不同。事件當(dāng)事人或利益攸關(guān)方通常是事件網(wǎng)絡(luò)輿情傳播的起點(diǎn)，在輿情傳播的潛伏期起到重要的推動(dòng)作用；新聞媒體及其他網(wǎng)民活躍最顯著的時(shí)期是在輿情傳播的爆發(fā)期和成熟期，成為旅游危機(jī)事件網(wǎng)絡(luò)輿情傳播的生力軍，是旅游危機(jī)事件社會(huì)效應(yīng)擴(kuò)大的表現(xiàn)；官方代表在旅游危機(jī)事件網(wǎng)絡(luò)輿情傳播的各個(gè)階段均需發(fā)揮其減緩或阻滯網(wǎng)絡(luò)輿情傳播的作用，其所代表的政府公信力是引導(dǎo)其他輿情主體理性參與輿情傳播的重要力量。

2 8聲道時(shí)差法超聲波流量計(jì)帶水安裝方案研究

2.1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)流原理

流速-面積法是指測(cè)出過流斷面的點(diǎn)、線或小面積等某些局部流速，通過這些局部流速來計(jì)算整個(gè)過水?dāng)嗝娴钠骄魉賉14]。時(shí)差法超聲波流量計(jì)是采用流速-面積法測(cè)流的重要方法。時(shí)差法超聲波流量計(jì)利用換能器發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)，信號(hào)在流體中傳播會(huì)受到流體的影響會(huì)發(fā)生改變，信號(hào)在順向和逆向傳播的時(shí)間不同，時(shí)差法超聲波流量計(jì)正是利用超聲波在流體中傳播時(shí)因水流方向不同而傳播速度不同的特點(diǎn)，通過測(cè)量順?biāo)鞣较騻鞑r(shí)間與逆水流方向傳播時(shí)間的時(shí)間差，來計(jì)算流體的速度與流量[15]。例如，時(shí)差法超聲波流量計(jì)在渠道左右岸分別布設(shè)兩個(gè)換能器，分別負(fù)責(zé)發(fā)射和接受超聲波脈沖信號(hào)，其測(cè)流示意如圖6所示。

圖6 時(shí)差法超聲波流量計(jì)換能器測(cè)流示意圖

該聲道水流流速為：

(1)

這樣兩個(gè)換能器測(cè)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(gè)聲道的換能器測(cè)得多個(gè)聲道的流速信息，計(jì)算出平均流速，再通過渠道斷面計(jì)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(xiàn)階段認(rèn)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(duì)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(duì)水深0.6～0.8m范圍內(nèi)，距離渠壁越近，最大流速點(diǎn)的位置越高[26]，單聲道超聲波流量計(jì)布設(shè)在該范圍比較合適；而8聲道時(shí)差法超聲波流量計(jì)的8個(gè)聲道需要均勻布置在渠道水面以下，超聲波流量計(jì)根據(jù)所測(cè)量的8層流速與過水?dāng)嗝孀龇e分運(yùn)算得到瞬時(shí)過水流量。

要實(shí)現(xiàn)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(gè)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(jì)算公式確定第1、第8聲道支架安裝高程，從而確定8對(duì)換能器的安裝高程，再專門定制支架用來安裝8對(duì)換能器。設(shè)計(jì)支架框架采用規(guī)格50mm×50mm的熱鍍鋅角鋼，換能器安裝底板采用規(guī)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(duì)換能器與安裝支架構(gòu)成一個(gè)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(duì)準(zhǔn)方案

換能器的入射角可以在30°～60°之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，因每個(gè)聲道的聲道角度都不同，根據(jù)理論計(jì)算的角度對(duì)換能器在坡道上做模擬對(duì)準(zhǔn)，調(diào)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(fù)以上的步驟，每個(gè)換能器均調(diào)整好角度后固定于底板，該步驟需要在光照弱的情況下進(jìn)行，以便于觀測(cè)激光對(duì)準(zhǔn)器的激光點(diǎn)。

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(yīng)提前模擬帶水安裝過程。由于支架大而重，而且需要準(zhǔn)確安裝在提前設(shè)計(jì)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(dān)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(shù)據(jù)接入要求

RS485通訊其主要特點(diǎn)在于它是一種半雙工通訊，傳輸距離比較遠(yuǎn)[27]，本次流量計(jì)主機(jī)信號(hào)采用RS485接口(Modbus協(xié)議)傳輸至出湖閘原有PLC，利用南水北調(diào)東線山東干線已建成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng))上傳信號(hào)至穿黃工程備調(diào)中心工控機(jī)，工控機(jī)顯示屏上顯示數(shù)據(jù)。再通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng))將采集的水量信息上傳調(diào)度中心，為自動(dòng)化調(diào)度監(jiān)控、運(yùn)行維護(hù)、工程管理等業(yè)務(wù)的信息化作業(yè)平臺(tái)和調(diào)度會(huì)商決策提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理信息化。目前，穿黃干渠已完成出湖閘8聲道時(shí)差法超聲波流量計(jì)的帶水安裝并運(yùn)行了一段時(shí)間，流量計(jì)一直工作正常。

3 結(jié)語

本文提出南水北調(diào)穿黃干渠超聲波流量計(jì)在調(diào)水過程中的帶水安裝和排水安裝兩種方案并進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為帶水安裝更適合工程實(shí)際。文章研究了8聲道時(shí)差法超聲波流量計(jì)帶水支架安裝的具體方案，可以有效解決渠道調(diào)水過程中突發(fā)多聲道超聲波流量計(jì)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(yīng)急方案，而常規(guī)的渠壁安裝方式更利于長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，如果渠道能夠在特定時(shí)期排空渠水，可在無水的狀態(tài)下將應(yīng)急安裝的流量計(jì)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(jìn)行更改。