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                    時間:2023-7-31 08:41:00

                  多種流量計在隧洞排水中應用

                  摘要:某標段施工多條隧洞,且要求每條隧洞排水單獨量測,前期采用接管式”智能電磁流量計、“外夾式”超聲波流量計、傳統“三角”量水圍堰監控量測隧洞排水量,均未滿足相關要求,對排水計量造成較大影響。后通過對傳統“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方案的比選,最終選用后者,目前已成功運行1ta,量測結果獲得參建各方一致認可,同時巴歇爾.槽配流量計量測隧洞排水已在滇中引水工程多個標段推廣應用。
                  1概述
                  1.1工程概況
                    滇中引水工程麗江段施工2標香爐山隧洞排水量估算值為138m'/h至919m/h,最開始采用“外夾式”超聲波流量計進行隧洞排水量測[1],由于隧洞排水內石粉、水泥漿、泥沙等含量較高,且含量不均勻,致使量測數據出現不規律性跳躍,精度無法保障。后采用“接管式”智能電磁流量計量測隧洞排水,使用約1個月左右,石粉、水泥漿等附著于電磁流量計內壁,致使電磁流量計不能再讀取數據,需頻繁更換,且更換期間無法量測隧洞排水。最終在滇中引水工程所有標段中,該標段最先引進巴歇爾槽[2]配超聲波明渠流量計31量測隧洞排水,量測數據正確、穩定,獲取數據方便、時效性高,目前已在滇中引水工程多個標段推廣應用。
                  1.2基本地質條件.
                    該標段隧洞區巖石風化主要為碳酸鹽巖溶蝕性風化及非碳酸鹽巖均勻性風化兩大類型。碳酸鹽巖其溶蝕風化程度在平面上和垂向上差異均較大,三疊系上統中窩組(T;z)溶蝕風化程度較弱,中統北衙組(T2b2)灰巖溶蝕風化程度最強,其強溶蝕風化帶厚度--般200~400m。斷裂帶部位因其巖體破碎,地下水活動強烈,風化程度明顯增強。標段總體深埋,隧洞主要位于微新巖帶,但沿斷裂帶有風化加劇現象。隧洞區中等~強透水巖層主要集中在Tb2、T2z、T,b1-2灰巖、白云質灰巖、泥質灰巖段和松桂組(Tsn)砂巖段,隨著埋深的增加(巖體風化減弱)巖層滲透系數有減小的趨勢。標段斷裂主要為壓扭性斷裂,其順斷層方向一般屬中等~強透水,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,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,隧洞穿越存在遭遇巖溶管道產生涌突水的風險。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。
                  隧洞施工可能對地表水體產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流量計方案比選
                  2.1‘接管式”智能電磁流量計
                    電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律制造而成的一種流量測量儀表,通電后產生磁場,隧洞排水通過磁場時產生感應電動勢,傳感器電極采集感應電動勢后傳輸至轉換器,轉換器將信號放大、濾波、整形、修正等,按照流量公式換算出相應的流量數據,最終傳輸至MCU形成瞬時流量、累計流量并控制輸出。流量公式如下:
                  E=KBVD(1)
                    式中:E-感應電壓,V;K-儀表常數;B--磁感應強度,T;V-測量管面內平均流速,m/s;D-流量計的通徑,1mm。
                    現場一般將電磁流量計安裝于排水管出口附近,兩端及排水管管口焊接上法蘭盤后采用螺栓與排水管連接,電磁流量計安裝在水平管道較低處或者管道上升處,確保測量精度不受現場客觀因素影響,電磁流量計的主要精度等級有0.3級、和0.5級。
                  根據現場實踐該流量計優缺點如下:
                  1)優點。①具有雙向測量系統;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無阻礙流動部件,無壓損。
                  2)缺點。①測量介質電導率-般需大于5us/cm,測量始動流速一般需大于0.5m/s;②測量介質的溫度受限于襯里材質,對于高溫介質的測量效果不佳;③無法測量氣體、蒸氣等介質;④測量電極長時間工作,可能會出現結垢情況,需清潔后才可測量;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,施工過程中灌漿較為頻繁,隧洞排水內石粉、水泥殘漿等雜質較多,流量計內壁很容易被損壞,嚴重影響流量計測量精度及使用壽命,平均兩個月需更換1次。
                  2.2外夾式”超聲波流量計
                    超聲波流量計是根據聲波在被測介質中的傳播速度制造而成的一種流量測量儀表,在被測介質中的傳播速度為被測介質的平均流速與聲波本身速度的幾何和,使用時局限性較強。流量計算公式如下:
                   
                    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←超聲波在管壁內和電脈沖信號在電路中傳輸所產生的滯后時間的總和,s。
                   
                    根據現場實踐該流量計優缺點如下:
                  1)優點。超聲波流量計現場無需破管、現場便于安裝。
                  2)缺點。①超聲波流量計測量范圍和精度不高、抗干擾能力差;②使用壽命短(一般精度只能保證1a);③儀表計算時采用的流體密度是人為設定密度,流體溫度發生變化后密度隨之改變,導致測量的流量值與實際值存在差異,從而影響測量精度。
                  2.3傳統“三角(或矩形)”量水圍堰配電感傳感器
                    電感傳感器[6]主要利用電磁感應原理將被測非電量如位移、壓力、流量、振動等轉換成線圈自感量L或互感量M的變化,再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出
                    在傳統“三角(或矩形)”量水圍堰[7]內安裝電感傳感器,電感傳感器將其四周水位產生的壓力及流速轉化為電流或電壓,通過電纜數據線傳輸至控制箱,再通過信號發射裝置發送至信號收集裝置,最終可直接讀取排水瞬時流量和累計流量!熬匦巍绷克畤邷y量原理見圖1,流量計算公式如下:
                   
                    式中:B一堰板總寬(水槽內側寬度),m,b一堰板缺口寬度,m,p-堰高,m,h-堰上水頭高度,m。.
                  根據現場實踐該流量計優缺點如下:
                  1)優點。①結構簡單、工作可靠;②測量精度高、零點穩定;③輸出功率較大;④可采用太陽能板提供電源,清潔、環保。
                  2)缺點。如果隧洞排水內石粉、水泥殘漿等易附著性物質較多,傳感器容易損壞、更換頻率極高,維護成本較高。
                  2.4巴歇爾槽配明渠流量計
                    巴歇爾槽[8]配明渠流量計自動監測系統由巴歇爾槽、數采儀、阿里云軟件組成,主要設備包括:巴歇爾槽、數采儀(由明渠流量計、電纜線、數據線、控制箱、信號發射裝置、天線)、數據接收裝置、阿里云數據儲存系統、電腦(用戶通過(網址、IP地址)調看數據),其中巴歇爾槽由上游收縮段、短直喉道和下游擴散段3部分組成,分大型、標準型和小型,大型有8種、標準型12種、小型5種,根據排水流量選擇合適的型號。
                    明渠流量計安裝于巴歇爾槽上游收縮段,巴歇爾槽把流量轉成液位,通過測量明渠流量計下方巴歇爾槽收縮段內水流的液位,再根據相應巴歇爾槽的水位與流量的關系,通過計算公式轉換為排水流量。巴歇爾槽測量原理見圖2,流量計算公式如下:
                   
                    式中:Q-流量,L/s;C和n-常數(通過巴歇爾槽的選項,查詢對應的系數);Ha--水深液位,1m。
                    根據現場實踐該流量計優缺點如下:
                  1)優點。①結構簡單、工作可靠,使用壽命長;②采用不銹鋼或玻璃鋼兩種材質可適應不同介質的需要;③巴歇爾槽形成平穩雍水面,其測量的水位精度高;④記錄1次數據的間隔時間可設置任意時長,該工程設置的時長為lmin采集1次數據,更進一步提高量測數據的精度;⑤采用阿里云系統存儲數據,安全可靠,可以登錄網址隨時隨地查看數據;⑥后期維修成本低,自投入使用1+a以來,尚未進行任何維修,現場一直連續采集數據且滿足施工需求。
                  2)缺點。①巴歇爾槽施工較為復雜,附屬設備多,安裝費用相對較高;②為保證設施的正常運行,確保其測量精度,需對槽體進行定期除銹、清淤、設備檢查等日常巡查,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,使水流進人槽內不出現偏流,現場安裝精度要求較高;④巴歇爾槽.上游應有大于10倍槽寬的平直段,使水流平穩進入巴歇爾槽,現場占地面積較大;⑤數據在量測和傳輸過程中易受磁場干擾,需安裝在電磁干擾較小的地方。
                  3結語
                    通過以上4種水量計量設施對比,各有優缺點,根據具體需求選擇適用的流量計。通過該標段多條隧洞排水流量計使用情況,巴歇爾槽憑借其計量精度高、數據采集連續性強、后續維修較低等優勢,已成功運行1+a,量測結果獲得參建各方一致認可,同時巴歇爾槽配流量計量測隧洞排水已在滇中引水工程多個標段推廣應用。同時巴歇爾槽在農業灌溉、河流水量檢測、污水排放監控等領域得到廣泛應用。在提高水量的計量精度和加強水量計量監測管理中,有著重要的作用。

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