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行維護中心，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行管理中最重要的控制參數(shù)之一，高精準測量橡膠壩壩高監(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)部壓強原理為依據(jù)，利用液體內(nèi)部壓強與液體深度的關(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)底部的壓強和頂部的壓強，壩袋頂部和底部的壓強對應(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，進行壩袋內(nèi)頂部壓強和底部壓強的測量。

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，人員進入壩袋內(nèi)將壓力傳感器安裝好，再對壩袋重新進行錨固，優(yōu)點是安裝準確度高，缺點是工程量較大，需要配合大型機器作業(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確測量壩高的難題，實現(xiàn)了一線管理人員24 h、全天候、遠程自動測量橡膠壩壩袋高度。現(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準化管理要求。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行安裝。