聶 帥，張煒杰，沈禎祥，褚福仁，李義旺

（江蘇省防汛防旱搶險(xiǎn)中心，江蘇 南京 211500）

堤防漏洞是防洪搶險(xiǎn)中的險(xiǎn)情之一，具有形成快、搶堵難、易造成財(cái)產(chǎn)損失等特點(diǎn)，加強(qiáng)防洪搶險(xiǎn)相關(guān)技術(shù)研究至關(guān)重要。傳統(tǒng)的漏洞探測技術(shù)往往需要耗費(fèi)大量人力物力，同時(shí)對(duì)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高，因此簡單有效且現(xiàn)代化的漏洞探測儀研發(fā)尤為重要。本項(xiàng)目基于動(dòng)水頭壓力和流速差原理，研究一種新型的堤防漏洞險(xiǎn)情探測儀，能在堤防迎水坡迅速探測漏洞位置，從而做到“搶早搶小、防范未然”，可及時(shí)有效控制及排除漏洞險(xiǎn)情，為防汛搶險(xiǎn)人員提供技術(shù)支持［1-2］。

1 堤防漏洞險(xiǎn)情探測儀基本原理

堤防漏洞險(xiǎn)情探測儀是基于動(dòng)水頭壓力和流速差原理，研制的一種新型堤防漏洞險(xiǎn)情探測裝置，該裝置主要由測速單元模塊、伸縮桿、控制終端顯示器等組成（圖1）。

圖1 堤防漏洞險(xiǎn)情探測儀設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

測速單元模塊由探測盤和18 個(gè)旋槳式流速傳感器構(gòu)成，探測盤上的每個(gè)探測單元模塊都包括微型壓力傳感器和旋槳傳感器［3］。微型傳感器將動(dòng)水頭壓力信號(hào)放大后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，而旋槳傳感器將流動(dòng)速度轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電脈沖信號(hào)經(jīng)放大處理成電脈沖信號(hào)，由單片機(jī)計(jì)數(shù)處理。通過計(jì)算機(jī)編程，對(duì)感應(yīng)器得到的徑向流速數(shù)據(jù)與漏洞水力特性進(jìn)行比較分析，確定漏洞的位置、大小。伸縮桿的一端與探測盤鉸接，另一端連接控制終端顯示器，控制終端顯示器用于接收、顯示旋槳式流速傳感器所采集的數(shù)據(jù)。18 個(gè)測速單元處理完后通過串行接口與主機(jī)通信，經(jīng)過處理后在終端顯示器上顯示，由光纖放大器、STC12C5A60S2單片機(jī)、串口型液晶顯示屏構(gòu)成［4］。新型堤防漏洞探測儀的設(shè)計(jì)圖及成品圖見圖2。

圖2 新型堤防漏洞探測儀

2 風(fēng)力試驗(yàn)情況分析

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

固定電風(fēng)扇位置，使電風(fēng)扇保持在同一檔位（功率）進(jìn)行工作。通過電風(fēng)扇的風(fēng)力模擬水流，通過調(diào)整探測盤與電風(fēng)扇位置分別為1 m、2 m、3 m，記錄儀器示數(shù)變化情況，檢測探測儀對(duì)風(fēng)力、風(fēng)速變化探測情況。

2.2 試驗(yàn)分析

利用電風(fēng)扇風(fēng)力模擬水流，測試在不同距離條件下，堤防漏洞險(xiǎn)情探測儀探測效果。探測盤與風(fēng)扇距離分別為1 m、2 m、3 m 時(shí)，相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同測距的測試流速單位：m/s

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，利用風(fēng)速模擬水流，堤防漏洞探測儀探測出同樣功率風(fēng)速（水流）隨距離增大逐漸減弱。

3 室內(nèi)試驗(yàn)情況分析

3.1 試驗(yàn)過程

調(diào)整試泵池出水口開度，分別在全開、1/2開度、1/4開度控制水流速，并記錄探測盤在不同角度下與漏洞不同垂直距離和水平距離的數(shù)據(jù)。

（1）試泵池內(nèi)部張貼尺寸標(biāo)記，以確定水位刻度、漏洞與探測盤中心距離等。

（2）測量試泵池不同開度流速，測量不同開度情況下的流量數(shù)據(jù)，多次測量取平均值。出水口開度通過控制出水口開關(guān)（在開關(guān)上標(biāo)注全開、1/2、1/4記號(hào)），測量流速。準(zhǔn)備1 個(gè)已知容量的盛水容器，通過記錄裝滿容器所用時(shí)間，得出試泵池的平均流速。

（3）調(diào)整探測盤角度，分別在全開、1/2、1/4開度的情況下，通過改變探測盤與漏洞口距離，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析試驗(yàn)情況。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)開展過程中，按照試驗(yàn)計(jì)劃表的內(nèi)容逐項(xiàng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并由專人對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄以及整理（表2）。

表2 不同開度的測試流速單位：m/s

探測盤與水平面垂直時(shí)，探測盤旋槳傳感器6、7、8、9、15、16、17 為相對(duì)靠近漏洞口的位置。試驗(yàn)結(jié)果表明：探測儀對(duì)試泵池模擬的漏洞險(xiǎn)情有效果，靠近漏洞區(qū)域數(shù)個(gè)旋槳采集點(diǎn)數(shù)值出現(xiàn)明顯變化；探測盤垂直于出水口進(jìn)行探測優(yōu)于探測盤水平放置進(jìn)行探測，且探測盤越靠近漏洞口數(shù)據(jù)變化越明顯。

4 堤防現(xiàn)場試驗(yàn)情況分析

4.1 試驗(yàn)過程

通過前往堤防現(xiàn)場開展試驗(yàn)，對(duì)已知堤防漏洞情況進(jìn)行探測，通過改變漏洞險(xiǎn)情控制閥門開度，模擬漏洞不同流速、大小，檢測探測儀在堤防現(xiàn)場對(duì)漏洞險(xiǎn)情的探測情況。將模擬漏洞險(xiǎn)情控制閥門開度設(shè)為20%，將漏洞險(xiǎn)情探測儀下水，通過不斷調(diào)整裝置（探測盤）位置，觀察顯示屏上數(shù)值變化情況（表3），尋找漏洞險(xiǎn)情位置。

表3 堤防現(xiàn)場漏洞險(xiǎn)情探測試驗(yàn)流速單位：m/s

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)探測盤移動(dòng)到漏洞口附近時(shí)，顯示屏上13、14、15 號(hào)旋槳數(shù)值由0 逐漸出現(xiàn)明顯變化。移動(dòng)探測盤，改變各旋槳與漏洞口的距離，觀察數(shù)值情況，確定漏洞中心位置。

調(diào)整控制閥門，分別在關(guān)閉（無漏洞情況）、10%、20%、30%、50%、100%的開度控制水流速，并記錄旋槳數(shù)值變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：探測盤上的旋槳傳感器、壓力傳感器在探測到有水流變化時(shí)，數(shù)值會(huì)出現(xiàn)明顯變化；隨著控制閥門開度增大，顯示屏上數(shù)值也逐漸增大；當(dāng)裝置探測到漏洞險(xiǎn)情時(shí)，18 個(gè)旋槳中13、14、15 號(hào)旋槳示數(shù)較大，漏洞口在此位置，漏洞中心在旋槳14附近。

5 結(jié)論分析

3 次實(shí)驗(yàn)過程中共收集51 組數(shù)據(jù)，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析可得以下結(jié)論。

（1）探測盤垂直于出水口進(jìn)行探測優(yōu)于探測盤水平放置進(jìn)行探測，且越靠近漏洞口數(shù)值變化越明顯。

（2）當(dāng)?shù)谭牢闯霈F(xiàn)漏洞險(xiǎn)情或未尋找到漏洞險(xiǎn)情時(shí)，旋槳在顯示屏上顯示的流速為0；當(dāng)?shù)谭莱霈F(xiàn)漏洞險(xiǎn)情（尋找到漏洞險(xiǎn)情），旋槳在顯示屏上顯示的流速出現(xiàn)明顯變化，且當(dāng)旋槳越靠近漏洞顯示的數(shù)值越大。

（3）當(dāng)探測到漏洞險(xiǎn)情時(shí)，18 個(gè)旋槳中數(shù)值最大的旋槳處即可確定為堤防漏洞中心位置。

（4）隨著控制閥門開度逐漸增大（漏洞流量逐漸增大），旋槳在顯示屏上顯示出來的數(shù)值也逐漸變大。

（5）相較于傳統(tǒng)漏洞探測方法，該探測儀在安全性方面優(yōu)勢較大，技術(shù)人員只需在堤防上面通過操作伸縮桿將探測盤置于迎水坡，觀察顯示屏示數(shù)變化情況，即可對(duì)堤防漏洞位置進(jìn)行探測。

本次試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期效果，堤防漏洞險(xiǎn)情探測儀能夠在查找漏洞險(xiǎn)情以及確定漏洞的流速中發(fā)揮關(guān)鍵作用，能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員處理堤防漏洞險(xiǎn)情提供技術(shù)支持與封堵指導(dǎo)。