壓差法在煙臺市陌堂橡膠壩工程中的應(yīng)用

李 娜，李 桐，李超杰

（1.煙臺市城市水源工程運(yùn)行維護(hù)中心，山東 煙臺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)簡單、運(yùn)行安全、施工方便、投資較省等優(yōu)點，在我國河道攔蓄水工程上得到越來越多的應(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)測量橡膠壩壩高監(jiān)測值很重要。

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

1 橡膠壩壩高壓差法測量原理

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，推求橡膠壩壩高測量方法計算公式。

壩袋液柱深度通常利用壓力傳感器分別測得壩袋內(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

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)任意兩點間壓強(qiáng)值相減，會抵消掉外部作用力對壩袋內(nèi)壓力的影響。

1.3 頂部壓力傳感器始終處于壩袋最高點

選用中間開孔的球形浮漂，將傳感器插入浮漂開孔并固定在浮漂內(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位置。

2 應(yīng)用實例

2.1 工程概況

煙臺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142 m，一次性攔蓄水量173.0萬m3。陌堂橡膠壩是一座以兩岸農(nóng)田灌溉和補(bǔ)充地下水源為主，兼顧生態(tài)景觀功能的擋水建筑物。

2.2 測量設(shè)備選定

壓力傳感器是一種能夠感應(yīng)壓力信號并將該信號按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換成與壓力相對應(yīng)的可用的輸出電信號的裝置。作者選用一對24 V額定電壓、4～20 mA輸出、測量水深量程為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)的測量。

因壓力傳感器輸出的是模擬量信號，為減少不必要的工程量以及遠(yuǎn)距離布設(shè)信號線帶來的施工難度，作者選用一對無線數(shù)傳電臺和一個雙輸入485數(shù)據(jù)模塊，用于模擬量信號轉(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)部的最高點和最低點。壓力傳感器安裝分兩種情況：對已建設(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，再對壩袋重新進(jìn)行錨固，優(yōu)點是安裝準(zhǔn)確度高，缺點是工程量較大，需要配合大型機(jī)器作業(yè)，成本較高；另一種方法是通過超壓溢流管穿入穿線鋼絲，自橡膠壩排氣孔將此鋼絲拽出，然后穿入尼龍引線，利用此引線將帶浮漂和配重的傳感器牽引至預(yù)設(shè)位置。該法優(yōu)點成本低、工程量小，不影響工程運(yùn)行，缺點是操作起來較為復(fù)雜，需要利用專業(yè)穿線器等工具。陌堂橡膠壩已建設(shè)完成，采取第二種方法。

2.3 安裝時需要注意事項

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，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，選擇漂力滿足要求且大小合適的浮漂。

2）壓力傳感器信號線布設(shè)。壓力傳感器在采購前應(yīng)提前規(guī)劃安裝位置及走線，根據(jù)走線位置確定好壓力傳感器信號線長度。在采購前應(yīng)與廠家聯(lián)系，確保信號線在水下部分無接頭，以免長期在水下浸泡，發(fā)生進(jìn)水、短路等故障。

3 創(chuàng)新性分析

3.1 雙壓力傳感器測量液柱高度

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

3.2 準(zhǔn)確定位壩袋最高點位置

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

3.3 測量數(shù)據(jù)的深度拓展應(yīng)用

可采用PLC編程實現(xiàn)自動化控制，在PLC內(nèi)直接引用實時測得的壩高變量與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比判斷，可實現(xiàn)充排水水泵自動啟停、管路閥門自動啟閉。

4 應(yīng)用效果分析

壓差法橡膠壩壩高測量方法在陌堂橡膠壩工程上應(yīng)用以來，大大減少了人工觀測的時間成本，解決了惡劣天氣下視線不清或壩袋有溢流時無法準(zhǔn)確測量壩高的難題，實現(xiàn)了一線管理人員24 h、全天候、遠(yuǎn)程自動測量橡膠壩壩袋高度?，F(xiàn)將部分監(jiān)測到的壩高數(shù)值，與人工觀測壩高數(shù)值進(jìn)行了對比，詳見表1。

表1 壩高觀測數(shù)值對比

對表1中的2種橡膠壩壩高監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)壓差法測得的壩高與直接觀測法所測的基本吻合，兩者誤差控制在5 mm以內(nèi)。因直接觀測法受人的影響因素較大，總的來說，壓差法測量精度要優(yōu)于直接觀測法。

5 結(jié)語

壓差法壩高測量與傳統(tǒng)的測量方法比較，具有設(shè)備安裝簡單，易操作，準(zhǔn)確性高，成本低廉等優(yōu)點。經(jīng)過該方法測得的壩高數(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自動化控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)準(zhǔn)確安全起落壩袋。該測量裝置較適用于新建橡膠壩，對已建成的橡膠壩而言，建議其在更換壩袋時進(jìn)行安裝。