摘要:某標(biāo)段施工多條隧洞，且要求每條隧洞排水單獨(dú)量測(cè)，前期采用“接管式”智能電磁流量計(jì)、“外夾式”超聲波流量計(jì)、傳統(tǒng)“三角”量水圍堰監(jiān)控量測(cè)隧洞排水量，均未滿足相關(guān)要求，對(duì)排水計(jì)量造成較大影響。后通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)“三角(或矩形)”量水圍堰配電感傳感器及巴歇爾槽配明渠流量計(jì)方案的比選，最終選用后者，目前已成功運(yùn)行1ta,量測(cè)結(jié)果獲得參建各方一致認(rèn)可，同時(shí)巴歇爾.槽配流量計(jì)量測(cè)隧洞排水已在滇中引水工程多個(gè)標(biāo)段推廣應(yīng)用。
1概述
1.1工程概況
滇中引水工程麗江段施工2標(biāo)香爐山隧洞排水量估算值為138m'/h至919m/h,最開(kāi)始采用“外夾式”超聲波流量計(jì)進(jìn)行隧洞排水量測(cè)[1]，由于隧洞排水內(nèi)石粉、水泥漿、泥沙等含量較高，且含量不均勻，致使量測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不規(guī)律性跳躍,精度無(wú)法保障。后采用“接管式”智能電磁流量計(jì)量測(cè)隧洞排水，使用約1個(gè)月左右，石粉、水泥漿等附著于電磁流量計(jì)內(nèi)壁，致使電磁流量計(jì)不能再讀取數(shù)據(jù)，需頻繁更換，且更換期間無(wú)法量測(cè)隧洞排水。最終在滇中引水工程所有標(biāo)段中，該標(biāo)段最先引進(jìn)巴歇爾槽[2]配超聲波明渠流量計(jì)31量測(cè)隧洞排水，量測(cè)數(shù)據(jù)正確、穩(wěn)定，獲取數(shù)據(jù)方便、時(shí)效性高，目前已在滇中引水工程多個(gè)標(biāo)段推廣應(yīng)用。
1.2基本地質(zhì)條件.
該標(biāo)段隧洞區(qū)巖石風(fēng)化主要為碳酸鹽巖溶蝕性風(fēng)化及非碳酸鹽巖均勻性風(fēng)化兩大類(lèi)型。碳酸鹽巖其溶蝕風(fēng)化程度在平面上和垂向上差異均較大，三疊系上統(tǒng)中窩組(T;z)溶蝕風(fēng)化程度較弱，中統(tǒng)北衙組(T2b2)灰?guī)r溶蝕風(fēng)化程度最強(qiáng)，其強(qiáng)溶蝕風(fēng)化帶厚度--般200~400m。斷裂帶部位因其巖體破碎,地下水活動(dòng)強(qiáng)烈,風(fēng)化程度明顯增強(qiáng)。標(biāo)段總體深埋，隧洞主要位于微新巖帶，但沿?cái)嗔褞в酗L(fēng)化加劇現(xiàn)象。隧洞區(qū)中等~強(qiáng)透水巖層主要集中在Tb2、T2z、T,b1-2灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r段和松桂組(Tsn)砂巖段，隨著埋深的增加(巖體風(fēng)化減弱)巖層滲透系數(shù)有減小的趨勢(shì)。標(biāo)段斷裂主要為壓扭性斷裂，其順斷層方向一般屬中等~強(qiáng)透水，垂直斷層方向一般為屬弱透水。
1.3地下水特征
紅麥盆地以北，隧洞僅少量洞段涉及拉什海巖溶水系統(tǒng)，位于吾竹比向斜核部，緊鄰F10-3斷裂帶，地下水埋深較大，存在深部循環(huán)，隧洞穿越存在遭遇巖溶管道產(chǎn)生涌突水的風(fēng)險(xiǎn)。紅麥盆地以南，線路平面上涉及清水江一-劍川V-1巖溶水子系統(tǒng)。
隧洞施工可能對(duì)地表水體產(chǎn)生影響的有汝南河和清水江，以及沿線居民用山頂小泉，此外對(duì)清水江、鶴慶盆地、劍川盆地的部分巖溶大泉有一定的影響。估算隧洞排水量為138m3/h至919m3/h。
2流量計(jì)方案比選
2.1‘接管式”智能電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律制造而成的一種流量測(cè)量?jī)x表，通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，隧洞排水通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，傳感器電極采集感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)后傳輸至轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器將信號(hào)放大、濾波、整形、修正等，按照流量公式換算出相應(yīng)的流量數(shù)據(jù)，最終傳輸至MCU形成瞬時(shí)流量、累計(jì)流量并控制輸出。流量公式如下:
E=KBVD(1)
式中:E-感應(yīng)電壓，V;K-儀表常數(shù);B--磁感應(yīng)強(qiáng)度，T;V-測(cè)量管面內(nèi)平均流速，m/s;D-流量計(jì)的通徑，1mm。
現(xiàn)場(chǎng)一般將電磁流量計(jì)安裝于排水管出口附近，兩端及排水管管口焊接上法蘭盤(pán)后采用螺栓與排水管連接，電磁流量計(jì)安裝在水平管道較低處或者管道上升處，確保測(cè)量精度不受現(xiàn)場(chǎng)客觀因素影響,電磁流量計(jì)的主要精度等級(jí)有0.3級(jí)、和0.5級(jí)。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐該流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)如下:
1)優(yōu)點(diǎn)。①具有雙向測(cè)量系統(tǒng);②傳感器安裝所需的直管段大于5倍的管道直徑即可;③壓力損失小;④無(wú)阻礙流動(dòng)部件，無(wú)壓損。
2)缺點(diǎn)。①測(cè)量介質(zhì)電導(dǎo)率-般需大于5us/cm，測(cè)量始動(dòng)流速一般需大于0.5m/s;②測(cè)量介質(zhì)的溫度受限于襯里材質(zhì)，對(duì)于高溫介質(zhì)的測(cè)量效果不佳;③無(wú)法測(cè)量氣體、蒸氣等介質(zhì);④測(cè)量電極長(zhǎng)時(shí)間工作，可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢情況，需清潔后才可測(cè)量;⑤用電消耗較大，不宜使用電池供電;⑥由于工程隧洞滲水較大，施工過(guò)程中灌漿較為頻繁，隧洞排水內(nèi)石粉、水泥殘漿等雜質(zhì)較多，流量計(jì)內(nèi)壁很容易被損壞，嚴(yán)重影響流量計(jì)測(cè)量精度及使用壽命，平均兩個(gè)月需更換1次。
2.2外夾式”超聲波流量計(jì)
超聲波流量計(jì)是根據(jù)聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度制造而成的一種流量測(cè)量?jī)x表，在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度為被測(cè)介質(zhì)的平均流速與聲波本身速度的幾何和，使用時(shí)局限性較強(qiáng)。流量計(jì)算公式如下:
式中:c一靜止流體中的聲速，m/s;ʋ一-流體流速,m/s;θ一流體靜止時(shí)超聲軌跡與管道軸線之間的夾角，°;D-管道直徑，1mm;r←超聲波在管壁內(nèi)和電脈沖信號(hào)在電路中傳輸所產(chǎn)生的滯后時(shí)間的總和，s。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐該流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)如下:
1)優(yōu)點(diǎn)。超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需破管、現(xiàn)場(chǎng)便于安裝。
2)缺點(diǎn)。①超聲波流量計(jì)測(cè)量范圍和精度不高、抗干擾能力差;②使用壽命短(一般精度只能保證1a);③儀表計(jì)算時(shí)采用的流體密度是人為設(shè)定密度,流體溫度發(fā)生變化后密度隨之改變,導(dǎo)致測(cè)量的流量值與實(shí)際值存在差異，從而影響測(cè)量精度。
2.3傳統(tǒng)“三角(或矩形)”量水圍堰配電感傳感器
電感傳感器[6]主要利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出
在傳統(tǒng)“三角(或矩形)”量水圍堰[7]內(nèi)安裝電感傳感器，電感傳感器將其四周水位產(chǎn)生的壓力及流速轉(zhuǎn)化為電流或電壓，通過(guò)電纜數(shù)據(jù)線傳輸至控制箱，再通過(guò)信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)送至信號(hào)收集裝置，最終可直接讀取排水瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。“矩形”量水圍堰測(cè)量原理見(jiàn)圖1，流量計(jì)算公式如下:
式中:B一堰板總寬(水槽內(nèi)側(cè)寬度)，m，b一堰板缺口寬度,m,p-堰高,m,h-堰上水頭高度,m。.
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐該流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)如下:
1)優(yōu)點(diǎn)。①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠;②測(cè)量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定;③輸出功率較大;④可采用太陽(yáng)能板提供電源，清潔、環(huán)保。
2)缺點(diǎn)。如果隧洞排水內(nèi)石粉、水泥殘漿等易附著性物質(zhì)較多，傳感器容易損壞、更換頻率極高，維護(hù)成本較高。
2.4巴歇爾槽配明渠流量計(jì)
巴歇爾槽[8]配明渠流量計(jì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由巴歇爾槽、數(shù)采儀、阿里云軟件組成，主要設(shè)備包括:巴歇爾槽、數(shù)采儀(由明渠流量計(jì)、電纜線、數(shù)據(jù)線、控制箱、信號(hào)發(fā)射裝置、天線)、數(shù)據(jù)接收裝置、阿里云數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)、電腦(用戶通過(guò)(網(wǎng)址、IP地址)調(diào)看數(shù)據(jù))，其中巴歇爾槽由上游收縮段、短直喉道和下游擴(kuò)散段3部分組成，分大型、標(biāo)準(zhǔn)型和小型，大型有8種、標(biāo)準(zhǔn)型12種、小型5種,根據(jù)排水流量選擇合適的型號(hào)。
明渠流量計(jì)安裝于巴歇爾槽上游收縮段，巴歇爾槽把流量轉(zhuǎn)成液位，通過(guò)測(cè)量明渠流量計(jì)下方巴歇爾槽收縮段內(nèi)水流的液位，再根據(jù)相應(yīng)巴歇爾槽的水位與流量的關(guān)系，通過(guò)計(jì)算公式轉(zhuǎn)換為排水流量。巴歇爾槽測(cè)量原理見(jiàn)圖2，流量計(jì)算公式如下:
式中:Q-流量，L/s;C和n-常數(shù)(通過(guò)巴歇爾槽的選項(xiàng)，查詢對(duì)應(yīng)的系數(shù));Ha--水深液位，1m。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐該流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)如下:
1)優(yōu)點(diǎn)。①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠,使用壽命長(zhǎng);②采用不銹鋼或玻璃鋼兩種材質(zhì)可適應(yīng)不同介質(zhì)的需要;③巴歇爾槽形成平穩(wěn)雍水面，其測(cè)量的水位精度高;④記錄1次數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間可設(shè)置任意時(shí)長(zhǎng)，該工程設(shè)置的時(shí)長(zhǎng)為lmin采集1次數(shù)據(jù)，更進(jìn)一步提高量測(cè)數(shù)據(jù)的精度;⑤采用阿里云系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，安全可靠，可以登錄網(wǎng)址隨時(shí)隨地查看數(shù)據(jù);⑥后期維修成本低，自投入使用1+a以來(lái)，尚未進(jìn)行任何維修，現(xiàn)場(chǎng)一直連續(xù)采集數(shù)據(jù)且滿足施工需求。
2)缺點(diǎn)。①巴歇爾槽施工較為復(fù)雜，附屬設(shè)備多，安裝費(fèi)用相對(duì)較高;②為保證設(shè)施的正常運(yùn)行，確保其測(cè)量精度，需對(duì)槽體進(jìn)行定期除銹、清淤、設(shè)備檢查等日常巡查，特別在泥沙含量較多的渠道中，清淤較為頻繁;③巴歇爾槽的中心線要與溝渠的中心線重合，使水流進(jìn)人槽內(nèi)不出現(xiàn)偏流，現(xiàn)場(chǎng)安裝精度要求較高;④巴歇爾槽.上游應(yīng)有大于10倍槽寬的平直段，使水流平穩(wěn)進(jìn)入巴歇爾槽，現(xiàn)場(chǎng)占地面積較大;⑤數(shù)據(jù)在量測(cè)和傳輸過(guò)程中易受磁場(chǎng)干擾，需安裝在電磁干擾較小的地方。
3結(jié)語(yǔ)
通過(guò)以上4種水量計(jì)量設(shè)施對(duì)比,各有優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)具體需求選擇適用的流量計(jì)。通過(guò)該標(biāo)段多條隧洞排水流量計(jì)使用情況，巴歇爾槽憑借其計(jì)量精度高、數(shù)據(jù)采集連續(xù)性強(qiáng)、后續(xù)維修較低等優(yōu)勢(shì)，已成功運(yùn)行1+a,量測(cè)結(jié)果獲得參建各方一致認(rèn)可，同時(shí)巴歇爾槽配流量計(jì)量測(cè)隧洞排水已在滇中引水工程多個(gè)標(biāo)段推廣應(yīng)用。同時(shí)巴歇爾槽在農(nóng)業(yè)灌溉、河流水量檢測(cè)、污水排放監(jiān)控等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在提高水量的計(jì)量精度和加強(qiáng)水量計(jì)量監(jiān)測(cè)管理中，有著重要的作用。
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