萬家寨引黃南干7號洞出口大流量高精度測流設(shè)施及其使用總結(jié)

桑文才

(山西省萬家寨引黃工程管理局，山西 太原　030012)

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萬家寨引黃南干7號洞出口大流量高精度測流設(shè)施及其使用總結(jié)

桑文才

(山西省萬家寨引黃工程管理局，山西 太原030012)

【摘要】萬家寨引黃工程向汾河輸水量最大達(dá)19.35m3/s，在輸水隧洞出口安裝了梯形薄壁堰、Accusonic7500四聲道超聲波流量計(jì)、Risonic2000雙面八聲道超聲波流量計(jì)。鑒于梯形薄壁堰超常規(guī)測流，對其流量系數(shù)進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，并用斷面流速法進(jìn)行了校核。選取不同流量下長時(shí)段測流數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，測流相對精度均高于1.5%。本文結(jié)合現(xiàn)場建筑物布置情況、輸水運(yùn)行實(shí)踐，對三套流量計(jì)使用情況進(jìn)行了分析，認(rèn)為三套流量計(jì)測流均精度高，穩(wěn)定性好，并對各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】薄壁堰；超聲流量計(jì)；明渠；流量測驗(yàn)

萬家寨引黃工程位于山西省西北部，從偏關(guān)縣黃河萬家寨水庫大壩左側(cè)引水，經(jīng)過總干線后分為兩支，向南經(jīng)102km南干線、81.2km汾河天然河道進(jìn)入汾河水庫，由水庫經(jīng)58.15km連接段向太原市供水；向北經(jīng)160.83km北干線向朔州、大同地區(qū)供水?？偢删€全長44.4km，引水流量48m3/s。南干線引水流量25.8m3/s，北干線引水流量22.2m3/s。引黃工程除81.2km的天然河道段外，主要由6座泵站、隧洞、渡槽、埋涵及PCCP管道組成。向太原供水線路于2002年10月建成，向大同、朔州地區(qū)供水線路于2011年7月建成。

準(zhǔn)確測量南干線7號隧洞進(jìn)入汾河的水量，不僅是引黃輸水運(yùn)行調(diào)度的需要，也是汾河流域水文測驗(yàn)、汾河水庫調(diào)度運(yùn)行的需要。為此，在南干線7號隧洞出口安裝了梯形薄壁堰、超聲波流量計(jì)等測流設(shè)施。 多年的運(yùn)行表明：梯形薄壁堰、超聲波流量計(jì)工作正常、運(yùn)行穩(wěn)定、測驗(yàn)精度高。

1　梯形薄壁堰

1.1布置位置

南干線7號洞出口1號明渠段長180m，上游與南干線7號洞出口節(jié)制閘相接，下游與消力池相連。明渠底寬12m，底坡1/500，邊坡1∶1.5，在明渠樁號約0+110處布置一梯形薄壁堰。梯形薄壁堰尺寸為：b=5.995m，P=1.6m，邊坡m=5.36∶1，肩寬T=8.225m(見下圖)。

南干7號洞出口梯形堰結(jié)構(gòu)圖(單位：m)

1.2流量系數(shù)的確定

根據(jù)測流規(guī)范[1-2]，標(biāo)準(zhǔn)堰型可使用規(guī)范給出的流量系數(shù)，否則需進(jìn)行現(xiàn)場率定、模型試驗(yàn)等專項(xiàng)研究。規(guī)范給出的薄壁堰標(biāo)準(zhǔn)測流范圍為0.02～1.009m3/s,堰口寬為0.25～1.5m，該工程設(shè)計(jì)測流12.9m3/s，堰口寬5.995m，遠(yuǎn)超規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。其流量系數(shù)必須進(jìn)行專題研究。

1.3模型試驗(yàn)

試驗(yàn)采用系列模型延伸法進(jìn)行，即按照幾個(gè)不同比尺的模型試驗(yàn)流量系數(shù)求得原型尺寸的流量系數(shù)。按照重力相似準(zhǔn)則，考慮試驗(yàn)場地及供水情況等因素，選取了三種比尺的正態(tài)模型(λL=6、8、10)進(jìn)行試驗(yàn)，用K300型電磁流量計(jì)測流(量測精度0.02%～1%)，水位用針形水位計(jì)測讀(量測精度0.1mm)，測得的各模型流量系數(shù)見表1[3]。

表1　7號洞出口梯形堰模型試驗(yàn)不同比尺的流量系數(shù)

由上述數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合并外延，得到原型流量系數(shù)為1.862(即λL=1)。

1.4流速面積法對比

測流斷面選在頭馬營7號洞出口閘室內(nèi)，依據(jù)泵站流量測試規(guī)程[4-6]采用多部流速儀同時(shí)測流。閘室為矩形結(jié)構(gòu)，寬3.80m，1臺水泵輸水時(shí)設(shè)計(jì)輸水量6.45m3/s，水深2.0m；2臺泵時(shí)設(shè)計(jì)輸水量12.90m3/s,水深2.4m。設(shè)7條測流垂線，間距在160～760mm之間，邊墻處間距最小，中間最大；每條垂線6個(gè)測點(diǎn)，間距由底向上依次為150～350mm。共使用了42部流速儀，同時(shí)布設(shè)在測流支架向上游面伸出的水平支桿上，施測時(shí)流速儀同時(shí)測量、記數(shù)。施測時(shí)段為2002年10月8日11時(shí)27分至19日22時(shí)，當(dāng)時(shí)只有單臺泵工作，流量在6m3/s左右，所測流量與薄壁堰測流量相差0.61%，見表2。

表2　7號洞出口梯形堰與流速斷面法測流對比

2　超聲波流量計(jì)

2.1Accusonic7500型超聲流量計(jì)

在南干線7號洞距洞口100m處安裝一套計(jì)量級超聲波流量計(jì)，型號為Accusonic7500，為四聲道明渠測流型，根據(jù)廠商的技術(shù)說明書，測流精度可達(dá)1.5%。在實(shí)際使用中，考慮儀器精度和安裝情況，測流精度應(yīng)能達(dá)到1.95%[7]。

2.2Risonic2000超聲波流量計(jì)

為了加強(qiáng)測流的穩(wěn)定性和精確情，于2013年在Accusonic7500流量計(jì)附近，加裝一套雙面八聲道超聲波流量計(jì)，型號為Risonic2000，標(biāo)稱精度為1.0%。

3　流量計(jì)測流對比

選取不同開泵數(shù)時(shí)流量穩(wěn)定約10d時(shí)段，對上述三套流量計(jì)測量結(jié)果進(jìn)行比較，三種流量計(jì)測值比較接近，測值偏差均小于1.5%，見表3。

表3　7號洞出口三套流量計(jì)平均測流值　單位：m3/s

以3個(gè)測值平均值為基準(zhǔn)，求得各流量計(jì)的相對偏差，見表4。

表4　7號洞出口三套流量計(jì)測流值比較

4　分　析

a.梯形薄壁堰是一種操作簡單、穩(wěn)定可靠的傳統(tǒng)測流方式[8]，依據(jù)水力學(xué)計(jì)算公式，只要測得堰前水位，便可計(jì)算出流量。對于小流量測量(1m3/s以下)，嚴(yán)格按照規(guī)范[1-2]進(jìn)行薄壁堰加工安裝，可直接采用規(guī)范給出的流量系數(shù)進(jìn)行流量計(jì)算。對于大流量，則需通過模型試驗(yàn)或現(xiàn)場體積法、流速儀法進(jìn)行流量系數(shù)測定。該工程流量系數(shù)以模型試驗(yàn)值為準(zhǔn)，現(xiàn)場也進(jìn)行了單流量點(diǎn)(6m3/s)流速儀法與薄壁堰測流對比，測值相差約0.61%。

b.現(xiàn)場分別于2002年、2013年安裝了兩套多聲路超聲波時(shí)差法流量測量儀。兩流量計(jì)均屬于當(dāng)前代表性產(chǎn)品[9-11]，適用于各種流量范圍、各種斷面型式，且測流精度高，自動(dòng)化程度高。

c.頭馬營兩套超聲波流量計(jì)均布置在隧洞出口，位置相差不超過20m；薄壁堰布置在出口明渠中，與超聲波流量計(jì)位置相差不超過200m。區(qū)間水量變化很小，3個(gè)測量差值主要是由于儀器本身原因引起的，取長時(shí)段的觀測樣本時(shí)水流狀態(tài)變化因素可以忽略不計(jì)。從測值對比情況來看，三套流量計(jì)測值比較接近，最大差值小于1.5%。，三套流量計(jì)均工作正常，測值準(zhǔn)確可靠。

d.該工程的運(yùn)行實(shí)踐表明，薄壁堰、超聲流量計(jì)均可實(shí)現(xiàn)高精度測流。隨著過水流量加大，薄壁堰制作安裝費(fèi)用加大，流量系數(shù)需專題研究；而超聲波流量計(jì)安裝使用費(fèi)基本不隨流量的加大而增加，是一種理想的大流量高精度測量方法。

e.目前，適用于明渠大流量的在線超聲流量計(jì)檢定規(guī)程尚未出臺，如何現(xiàn)場確定其精確度是目前面臨的一個(gè)研究難題。雖然可用流速面積法進(jìn)行校對，但在大斷面明渠上進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)力，國內(nèi)實(shí)施的例子并不多。王丁坤[11]等在南水北調(diào)中線京石段上進(jìn)行的工作，確定測流總不確定度滿足10%的規(guī)范要求，評價(jià)精度比流量計(jì)標(biāo)稱精度(2.0%)低很多。李效賢[12]在東深供水上進(jìn)行的流量比對，僅給出了相對偏差小于2.61%的結(jié)論，沒有達(dá)到檢定的全部要求。其他文獻(xiàn)也沒給出明確檢定結(jié)論。

5　結(jié)　語

薄壁堰、超聲流量計(jì)均是精度很高的測流設(shè)備。薄壁堰作為一種傳統(tǒng)量水建筑物，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其測流效果得到了廣泛的認(rèn)可。但隨著測流斷面加大，堰板制作安裝工作量很大，且對水流狀態(tài)要求也比較高。超聲流量計(jì)是近年來興起的一種新型高精度測流設(shè)備，無論小型管道，還是幾十米上百米的明渠均能適應(yīng)，且造價(jià)基本不隨斷面的增大而增加；但目前還沒有一套行之有效的準(zhǔn)確度評定方法，使用經(jīng)驗(yàn)不足，還需在實(shí)踐中不斷積累總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.07.012

中圖分類號：TV123

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1673-8241(2016)07- 0033- 04

Large discharge and high precision flow measurement facilities on Wanjiazhai Yellow River Diversion Project south branch No.7 tunnel outlet and the summary of application thereof

SANG Wencai

(ShanxiWanjiazhaiYellowRiverDiversionProjectAdministration,Taiyuan030012,China)

Abstract:The maximum water diversion capacity of Wanjiazhai Yellow River Diversion Project to Fenhe River is up to 19.35m3/s. The exit of water outlet tunnel is provided with a trapezoidal thin-wall weir, an Accusonic7500 four tracks ultrasonic flowmeter and a Risonic2000 double-sided eight tracks ultrasonic flowmeter. Indoor model test is implemented on the flow coefficient thereof, and it is calibrated through cross section flow rate method due to the extraordinary flow measurement of trapezoidal thin-wall weir. Long duration flow measurement data under different flow discharge are selected for comparison. The relative precision of flow measurement is higher than 1.5%. In the paper, site building layout condition and water conveyance operation practice are combined for analyzing the application condition of three sets of flowmeters. It is believed that the flow measurement precision of three sets of flowmeters are high with high stability. Respective advantages and disadvantages are analyzed.

Key words:thin-walled weir; ultrasonic flowmeter; open channel; flow measurement