李 娜，李 桐，李超杰

（1.煙臺(tái)市城市水源工程運(yùn)行維護(hù)中心，山東 煙臺(tái)264003；2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京211100）

橡膠壩以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全、施工方便、投資較省等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)河道攔蓄水工程上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。橡膠壩壩高是橡膠壩工程運(yùn)行管理中最重要的控制參數(shù)之一，高精準(zhǔn)測(cè)量橡膠壩壩高監(jiān)測(cè)值很重要。

筆者結(jié)合橡膠壩工程運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)出一種利用測(cè)量橡膠壩壩袋內(nèi)最低點(diǎn)與最高點(diǎn)壓力差來(lái)測(cè)算壩袋高度的技術(shù)方法。

1 橡膠壩壩高壓差法測(cè)量原理

1.1 液體內(nèi)部壓強(qiáng)與液體深度關(guān)系

壓差法測(cè)量的基本原理是以液體內(nèi)部壓強(qiáng)原理為依據(jù)，利用液體內(nèi)部壓強(qiáng)與液體深度的關(guān)系，推求橡膠壩壩高測(cè)量方法計(jì)算公式。

壩袋液柱深度通常利用壓力傳感器分別測(cè)得壩袋內(nèi)底部的壓強(qiáng)和頂部的壓強(qiáng)，壩袋頂部和底部的壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)的液柱深度二者之間的差值即為橡膠壩壩高。

1.2 密閉容器內(nèi)液體壓強(qiáng)傳遞特點(diǎn)

橡膠壩壩袋內(nèi)部為密閉的腔體，密閉的容器內(nèi)部液體能將其受到的壓強(qiáng)按原大小向各個(gè)方向傳遞。壩袋自重、風(fēng)浪壓力、壩袋頂部溢流水深、漂浮物等外部因素在壩袋內(nèi)最高點(diǎn)產(chǎn)生的壓強(qiáng)可以等值地傳遞到壩袋內(nèi)任何位置。即壩袋內(nèi)任意兩點(diǎn)間壓強(qiáng)值相減，會(huì)抵消掉外部作用力對(duì)壩袋內(nèi)壓力的影響。

1.3 頂部壓力傳感器始終處于壩袋最高點(diǎn)

選用中間開(kāi)孔的球形浮漂，將傳感器插入浮漂開(kāi)孔并固定在浮漂內(nèi)，在浮漂底部加裝適當(dāng)配重，使浮漂保持浮在壩袋內(nèi)液面之上，且壓力傳感器末端始終處于朝上狀態(tài)。球形浮漂在光滑的弧形壩袋內(nèi)，受垂直向上的浮力、垂直向下的重力和壩袋對(duì)其的壓力作用，遵循力的平衡原理，浮漂和傳感器將始終處于壩袋頂部最高點(diǎn)位置。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

煙臺(tái)市外夾河陌堂橡膠壩工程位于福山區(qū)回里鎮(zhèn)陌堂村東北，距其上游旺遠(yuǎn)橡膠壩2.79 km，壩址以上控制流域面積860 km2。橡膠壩壩高4 m，底板高程9.8 m，最高擋水位13.80 m；壩體為1孔斜坡式橡膠壩，壩長(zhǎng)142 m，一次性攔蓄水量173.0萬(wàn)m3。陌堂橡膠壩是一座以?xún)砂掇r(nóng)田灌溉和補(bǔ)充地下水源為主，兼顧生態(tài)景觀(guān)功能的擋水建筑物。

2.2 測(cè)量設(shè)備選定

壓力傳感器是一種能夠感應(yīng)壓力信號(hào)并將該信號(hào)按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換成與壓力相對(duì)應(yīng)的可用的輸出電信號(hào)的裝置。作者選用一對(duì)24 V額定電壓、4～20 mA輸出、測(cè)量水深量程為0～5 m的壓敏電阻式壓力傳感器，進(jìn)行壩袋內(nèi)頂部壓強(qiáng)和底部壓強(qiáng)的測(cè)量。

因壓力傳感器輸出的是模擬量信號(hào)，為減少不必要的工程量以及遠(yuǎn)距離布設(shè)信號(hào)線(xiàn)帶來(lái)的施工難度，作者選用一對(duì)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電臺(tái)和一個(gè)雙輸入485數(shù)據(jù)模塊，用于模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸。

壓力傳感器的安裝最主要的是定位，讓傳感器準(zhǔn)確停留在壩袋內(nèi)部的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)。壓力傳感器安裝分兩種情況：對(duì)已建設(shè)完成的橡膠壩，一種方法是拆除壩袋底部的錨固，人員進(jìn)入壩袋內(nèi)將壓力傳感器安裝好，再對(duì)壩袋重新進(jìn)行錨固，優(yōu)點(diǎn)是安裝準(zhǔn)確度高，缺點(diǎn)是工程量較大，需要配合大型機(jī)器作業(yè)，成本較高；另一種方法是通過(guò)超壓溢流管穿入穿線(xiàn)鋼絲，自橡膠壩排氣孔將此鋼絲拽出，然后穿入尼龍引線(xiàn)，利用此引線(xiàn)將帶浮漂和配重的傳感器牽引至預(yù)設(shè)位置。該法優(yōu)點(diǎn)成本低、工程量小，不影響工程運(yùn)行，缺點(diǎn)是操作起來(lái)較為復(fù)雜，需要利用專(zhuān)業(yè)穿線(xiàn)器等工具。陌堂橡膠壩已建設(shè)完成，采取第二種方法。

2.3 安裝時(shí)需要注意事項(xiàng)

1）頂部壓力傳感器浮漂的選擇。浮漂越大，頂部壓力傳感器越能準(zhǔn)確地漂浮在壩袋內(nèi)部的最高點(diǎn)，但是超壓溢流管管徑有限，且存在彎曲，應(yīng)綜合考慮浮漂浮力大小與管徑，選擇漂力滿(mǎn)足要求且大小合適的浮漂。

2）壓力傳感器信號(hào)線(xiàn)布設(shè)。壓力傳感器在采購(gòu)前應(yīng)提前規(guī)劃安裝位置及走線(xiàn)，根據(jù)走線(xiàn)位置確定好壓力傳感器信號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)度。在采購(gòu)前應(yīng)與廠(chǎng)家聯(lián)系，確保信號(hào)線(xiàn)在水下部分無(wú)接頭，以免長(zhǎng)期在水下浸泡，發(fā)生進(jìn)水、短路等故障。

3 創(chuàng)新性分析

3.1 雙壓力傳感器測(cè)量液柱高度

采用測(cè)量壩袋內(nèi)液體高度的方法進(jìn)行間接測(cè)量壩袋高度；采用雙壓力傳感器分別測(cè)量壩袋內(nèi)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的壓力，測(cè)算出壩袋內(nèi)水深，最終換算出壩袋高度。

3.2 準(zhǔn)確定位壩袋最高點(diǎn)位置

采用球形浮漂，利用三力平衡原理，使浮漂自動(dòng)停留在弧形壩袋內(nèi)部最高處，從而準(zhǔn)確測(cè)得壩袋內(nèi)最高點(diǎn)壓力。

3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的深度拓展應(yīng)用

可采用PLC編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，在PLC內(nèi)直接引用實(shí)時(shí)測(cè)得的壩高變量與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比判斷，可實(shí)現(xiàn)充排水水泵自動(dòng)啟停、管路閥門(mén)自動(dòng)啟閉。

4 應(yīng)用效果分析

壓差法橡膠壩壩高測(cè)量方法在陌堂橡膠壩工程上應(yīng)用以來(lái)，大大減少了人工觀(guān)測(cè)的時(shí)間成本，解決了惡劣天氣下視線(xiàn)不清或壩袋有溢流時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量壩高的難題，實(shí)現(xiàn)了一線(xiàn)管理人員24 h、全天候、遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)量橡膠壩壩袋高度。現(xiàn)將部分監(jiān)測(cè)到的壩高數(shù)值，與人工觀(guān)測(cè)壩高數(shù)值進(jìn)行了對(duì)比，詳見(jiàn)表1。

表1 壩高觀(guān)測(cè)數(shù)值對(duì)比

對(duì)表1中的2種橡膠壩壩高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)壓差法測(cè)得的壩高與直接觀(guān)測(cè)法所測(cè)的基本吻合，兩者誤差控制在5 mm以?xún)?nèi)。因直接觀(guān)測(cè)法受人的影響因素較大，總的來(lái)說(shuō)，壓差法測(cè)量精度要優(yōu)于直接觀(guān)測(cè)法。

5 結(jié)語(yǔ)

壓差法壩高測(cè)量與傳統(tǒng)的測(cè)量方法比較，具有設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，易操作，準(zhǔn)確性高，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)該方法測(cè)得的壩高數(shù)據(jù)，精度完全符合橡膠壩標(biāo)準(zhǔn)化管理要求。下一步，可考慮將壩高變量直接導(dǎo)入PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確安全起落壩袋。該測(cè)量裝置較適用于新建橡膠壩，對(duì)已建成的橡膠壩而言，建議其在更換壩袋時(shí)進(jìn)行安裝。