淺議阜寧腰閘上游水位自記臺(tái)水位失真的一種處理方法

韓陽，黃璐，左亞會(huì)，郭亞偉，張海

（江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200）

1 基本情況

阜寧腰閘位于鹽城市阜寧縣境內(nèi)陳集鎮(zhèn)閘東村與蘆蒲鎮(zhèn)范蕩村交界的蘇北灌溉總渠上，是灌溉總渠上繼洪澤高良澗閘、淮安運(yùn)東閘后的第三級(jí)水工節(jié)制閘。工程于1957年建成，共21孔，主要功能為排洪、灌溉，亦可調(diào)節(jié)水位保障運(yùn)東、阜寧船閘安全航運(yùn)、電站發(fā)電，配合其他工程解決渠北高排區(qū)800多平方公里排澇。

1957年6月設(shè)立阜寧腰閘水文站。測(cè)站屬性為一般水文測(cè)站，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目包括閘上游水位、閘下游水位、流量、降水量。閘上游兩岸為土質(zhì)斜坡，自記臺(tái)采用島岸結(jié)合式，位于閘上游150m處河流右岸岸邊。水位自記臺(tái)主要由測(cè)井、觀測(cè)房及附屬設(shè)施組成。水位測(cè)井底部連接進(jìn)水管，與外部水體相通。進(jìn)水管由多節(jié)桶狀水泥管組合連接而成，一直延伸至下游河道中部。水位自記臺(tái)內(nèi)目前安裝WFH-2A型浮子式水位計(jì)一套。

2 問題來源

經(jīng)過幾十年使用，阜寧腰閘上游測(cè)井水位出現(xiàn)漲落滯后、反應(yīng)不靈敏現(xiàn)象。測(cè)站水文勘測(cè)人員采用常規(guī)沖淤方法（利用水泵抽取清水對(duì)測(cè)井進(jìn)行壓力式?jīng)_淤）先后進(jìn)行多次沖淤，沖淤時(shí)能看到水流自內(nèi)而外流出的跡象。沖淤后，水位連續(xù)下降過程中，測(cè)井內(nèi)外水位基本一致。水位經(jīng)過上漲過程后，測(cè)井內(nèi)水位又會(huì)滯后于測(cè)井外河道水位，且隨著時(shí)間推移，滯后越來越嚴(yán)重，致使測(cè)井內(nèi)部水位不能完全代表外部河道水位。

3 解決問題

3.1 方案比選

針對(duì)此類由于進(jìn)水管損壞而引起的測(cè)井水位失真問題，常規(guī)的水泵沖淤不能從根本上解決問題，唯有更換破損的進(jìn)水管，方能“一勞永逸”。而更換進(jìn)水管通常的方法就是潛水作業(yè)或建圍堰施工兩種。

采用潛水作業(yè)，直接更換進(jìn)水管的方法，其主要工作量包括桶狀水泥管采購、人工拼接安裝等。施工過程中須派遣潛水員潛入水底作業(yè)。水下作業(yè)不僅施工難度大，而且難以保證質(zhì)量。一旦進(jìn)水管拼接出現(xiàn)較大漏縫或連接不好，以后必然又會(huì)淤積，導(dǎo)致測(cè)井進(jìn)出水不暢、水位失真。

采用建圍堰施工的方法，則可以徹底解決問題。不僅可以重新更換新的進(jìn)水管，而且可以把沉沙池、測(cè)井內(nèi)的少量淤泥一并清理干凈。但是，此方法不僅施工成本較高而且施工周期也較長(zhǎng)。另外，對(duì)于這種小型圍堰施工項(xiàng)目，一般還需選擇在枯水期較適宜，嚴(yán)重影響水位自記井的正常使用。

表1 三種方案比選

通過上表對(duì)三種方案的對(duì)比可以清楚地看出，方案三具有較大優(yōu)勢(shì)。

3.2 基本原理

虹吸現(xiàn)象是液態(tài)分子間引力與位能差造成的，利用水柱壓力差，使水上升后再流到低處。由于管口水面承受不同的壓力，水會(huì)由壓力大的一邊流向壓力小的一邊，直至水面變成相同的高度，兩邊的壓力相等，水則停止流動(dòng)。

3.3 基本做法

（1）測(cè)井壁人工開洞。近10年來，阜寧腰閘上游最低水位為3.3m，正常水位5.5m左右，考慮實(shí)際施工可能，在井身臨河側(cè)接近水面處開孔即可。

（2）安放連通管。倒U形虹吸連通管采用PVC鋼絲螺旋增強(qiáng)管，管徑同測(cè)井原進(jìn)水管直徑一致，該管具有強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、經(jīng)久耐用、彎曲不起癟等特點(diǎn)。將準(zhǔn)備好的倒U形連通管從洞口伸入測(cè)井，一端在井內(nèi)底部，另一端在井外河道。井壁開洞孔徑應(yīng)確保倒U形連通管能夠順利插入。

（3）連通管兩端防淤處理。為確保虹吸連通管能夠長(zhǎng)期使用，測(cè)井內(nèi)外水流通暢，需采取一定措施，既要防淤泥進(jìn)入連通管，又要使連通管兩端管口盡可能低。因虹吸連通管為整根PVC鋼絲螺旋增強(qiáng)管，整根連通管的最高點(diǎn)為井壁開洞位置，呈現(xiàn)“中間高、兩頭低”的格局。因此，正常情況下，淤泥無法進(jìn)入連通管內(nèi)部，只有兩端管口有被井底、河底淤泥堵塞的可能。對(duì)虹吸連通管兩端采取相同處理方法，以虹吸連通管井內(nèi)端口為例。首先，在連通管的管口外側(cè)使用銅絲捆綁一浮子，使管口能夠自然漂浮于水面。然后，在管口連接一配重物，使用銅絲與管口相連。配重物與管口之間的距離可以通過調(diào)節(jié)連接銅絲的長(zhǎng)度，任意調(diào)整。配重物的質(zhì)量應(yīng)足夠大，其所產(chǎn)生的重力必須大于自身和浮子完全沉沒于水中所產(chǎn)生的總浮力。銅絲的長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)，通常取0.5m，即連通管的管口懸浮于井底以上0.5m處的水中。連通管另一端同樣處理。

連通管兩端經(jīng)上述處理后，便能確保連通管兩端分別懸浮于測(cè)井內(nèi)外水中，且與井底淤泥、河底淤泥保持一定距離（銅絲的連接長(zhǎng)度即為虹吸管口離河底、井底的高度）。連通管井外部分?jǐn)[放時(shí)，應(yīng)盡量使連通管順直并使軸線適當(dāng)偏向下游，軸線與基本水尺斷面夾角控制在10°以內(nèi)。

連通管排氣。在井壁開洞處固定連通管。借助測(cè)站潛水泵，從井外端的管口快速往連通管內(nèi)注水，排清管內(nèi)空氣，并在管口不出水的情況下移開潛水泵即可。

圖1 虹吸管安裝示意圖

因虹吸管采用的是一根整管，中間無拼接，在排除人為故意破壞的情況下，虹吸不會(huì)漏氣，測(cè)井內(nèi)外水流暢通，水位始終一致。另外，倒U形連通管使連通管內(nèi)不易沉積淤泥，也有利于連通管的長(zhǎng)期暢通。

4 實(shí)用性分析

4.1 滯后量和水位差計(jì)算

水位自記測(cè)井的滯后量和測(cè)井內(nèi)外水位差是衡量測(cè)井好壞的一個(gè)重要因素。計(jì)算測(cè)井滯后量，通常按照下式計(jì)算：

式中，ZΔ為滯后量，m；C為流量系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；Aw為測(cè)井橫截面面積，m2；Ap為進(jìn)水管橫截面面積，m2；為水位變率，m/s（在計(jì)算觀測(cè)井滯后量時(shí)取觀測(cè)井中實(shí)際水位變率）。

從式中可以看出，采用新的虹吸管連接方法后，只要采用和原進(jìn)水管直徑相同的連通管，影響測(cè)井滯后量的各參數(shù)都沒有發(fā)生變化，所以滯后量沒有發(fā)生變化。

測(cè)井內(nèi)外水體密度差異引起的水位差，可按下式計(jì)算：

式中，ZΔ為測(cè)井內(nèi)外水位差，m；ρ為清水密度，t/m3；h為進(jìn)水管的水頭，m；Cs含沙量kg/m3；ρ0為泥沙密度，可采用2.65t/m3計(jì)算。

分析各參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，ρ、0ρ、Cs三個(gè)參數(shù)都沒有發(fā)生變化，唯一可能發(fā)生變化的就是進(jìn)水管的水頭。而進(jìn)水管的水頭完全可以通過人為調(diào)整連通管兩端與各自配重物之間連接銅絲的長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)，且調(diào)整方便、簡(jiǎn)單。

由此可見，采用虹吸管代替原進(jìn)水管的方法，只要操作得當(dāng)，既不影響原測(cè)井的滯后量也不影響原測(cè)井內(nèi)外水位差，甚至可以根據(jù)需要，通過人工調(diào)整，進(jìn)一步縮小原測(cè)井的滯后量和內(nèi)外水位差。

4.2 適用范圍

虹吸管代替測(cè)井進(jìn)水管的辦法主要是基于虹吸原理。根據(jù)壓強(qiáng)公式P=ghρ，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325kPa）能夠支持的水柱高度h為

其中ρ水=1.0×103kg/m3，g=9.8N/kg所以h=10.339m。

因此，虹吸管最高點(diǎn)與最低水位水面之間的距離不能超過上述數(shù)值。但從實(shí)際使用上考慮，其最大高度建議控制在7m以內(nèi)，因?yàn)楫?dāng)虹吸管頂部高度過大，管內(nèi)壓強(qiáng)接近該溫度下汽化壓強(qiáng)時(shí)，水體將產(chǎn)生汽化而破壞水流的連續(xù)性，導(dǎo)致測(cè)井內(nèi)外的水位不一致。

5 結(jié)語

由于使用年限過長(zhǎng)或者外界后期施工等原因，導(dǎo)致測(cè)井進(jìn)水管破裂，測(cè)井內(nèi)外水流不暢、水位失真的情況在實(shí)際生產(chǎn)中一旦發(fā)生，短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)。而水文數(shù)據(jù)資料的報(bào)汛時(shí)效性和整編連續(xù)性尤為重要。虹吸管代替進(jìn)水管在一定程度上能起到臨時(shí)應(yīng)急的作用，而且效果良好，可作為一種便捷有效的方案。