转子式流速仪检定水槽的设计方法

孟宇（辽宁江河水利水电新技术设计研究院，辽宁沈阳110003）



转子式流速仪检定水槽的设计方法

孟宇
（辽宁江河水利水电新技术设计研究院，辽宁沈阳110003）

［摘 要］以转子式流速仪检定水槽设计为例，简要论述检定水槽在设计中的分析和计算方法，设计中对检定水槽的深度、宽度、长度和消波措施进行详细分析、计算，同时指出检定水槽对地基沉降的要求，并对地基处理方案进行分析。

［关键词］流速仪；检定水槽；基础处理

1 概况

为保证水文基本资料的准确、可靠，流速仪应按期进行检定。检定水槽是用来检定转子式流速仪的直线静水槽。

流速仪检定水槽的设计原理是，在横断面均匀一致的长方形直线静水槽上方架设两条轨道，在轨道上安装一辆能够来回运动的检定车，流速仪经由测杆固定在检定车上，并浸泡在水槽的水面以下，悬挂进入水中一定位置（通常在水下0.6 m）。水槽中的水是静止的，当检定车在轨道上以不同的速度运动时，可等效为流速仪是静止的，而水槽里的水以车速相对于流速仪流动。在检定车车速已知的条件下，测量出流速仪的转率，再通过一系列的公式将转率换算成流速并与车速进行比较，由此确定流速仪检测的误差，判断其准确度。

2 转子式流速仪检定水槽设计

2.1 总体布置

检定水槽净长155 m，净宽3 m，高3 m，其中检修段长5 m，检定段长149.5 m检修段与检定段间设有挡墙，挡墙高2.90 m，墙宽0.50 m。检定水槽横断面形式采用矩形混凝土槽结构，墙顶宽0.50 m，底宽0.85 m，底板厚0.80 m，宽5.10 m，槽体采用C30钢筋混凝土结构，抗冻等级F50，抗渗等级W4。底板下设准800mm钢筋混凝土灌注桩，桩深15 m，桩基坐落在新鲜岩面上，桩身采用C25混凝土。

检定水槽设5道沉降缝，其中槽体两侧为28.55 m，中间为25 m一道，沉降缝采用闭孔泡沫板，缝宽20mm。每道沉降缝处均设置橡胶止水。检定水槽横断面形式见图1。

图1 检定水槽横断面图（单位：mm）

2.2 水深的确定

检定车设计最高运行速度是5 m/s，但检定槽实际检定期间最大检定速度为4 m/s。根据GB/T 21699-2008《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》可知，检定槽临界速度：

式中：vc为临界速度，m/s；d为检定槽水深，m；g为重力加速度，m/s2。

经计算vc=4.95 m/s，大于检定槽实际检定期间最大检定速度，满足规范及运行要求，因此检定槽水深确定为2.50 m。

2.3 宽度设计

流速仪进行检定时，悬挂于检定车测杆上，检定车拖动流速仪进行检定。流速仪同时检定时，测杆之间的距离必须确保仪器之间相互不产生干扰，两测杆间的距离大于0.5 m。设计检定车一次同时检测3台流速仪，根据测杆间距要求，设计拟定检定槽净宽3 m，则流速仪测杆间距为0.75 m，满足设计要求。

2.4 长度设计

检定槽轨道一般分为禁行段、加速段、稳定段、测量段、制动段。首尾为禁行段，距离两端15 m左右，为保证安全，一般情况下，检定车不允许运行到这一区域。加速段是用来确保检定车加速到指定速度，稳定段确保检定车以该速度运行一段距离，最后进入测量段检定流速仪，三段没有明确界限。

加速段和制动段的长度应由检定车的设计指标和流速仪在检定槽中检定的最大速度来决定，通常待测的速度越快，所需加速段和稳定段越长，制动段的长度必须满足安全的需要。测量段的长度应能保证流速仪的检定误差在最高速度下检定时不超过允许值。因此所需长度将由流速仪的型式、信号的产生及传输方式和检定方法来决定。

根据以上理论要求并结合实际检定流速仪经验，检定水槽设计净长155 m。为了方便检定车的维修与保养，在水槽的一端设计一段无水检修区，检修区长5 m，当需要对检定车进行维修与保养时，可以将检定车推到无水检修区检修。无水检修区与水槽之间设有挡墙，挡墙高度为2.90 m，墙宽0.50 m，挡墙高度略低于水槽槽深，目的是能够保证检定车的最低点不触碰到挡墙，安全地推到无水检修区。

2.5 消波设计

检定车设计最高运行速度是5 m/s，但检定水槽实际检定期间最大检定速度为4 m/s，由于检定水槽建设在室内，属无风状态，检定车在检定流速仪过程中，水面是固定的，检定车来回运动，用检定车模拟水流速度来对流速仪进行检定。消波设计以检定车最大检定速度认定为检定槽面的风速，以此来计算检定槽平均波高。

由于检定水槽无规范规定计算消波公式，设计借鉴SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》附录A波浪和护坡计算内容，计算检定槽检定过程中的平均波高：

式中：W为计算风速，m/s；Hm为水域平均水深，m；D为风区长度，m。

经计算，检定水槽平均波高m。根据检定水槽的实际运行情况，只对检修段与检定段间挡墙和水槽另一端边墙设计消波措施，消波措施见图2，3。

图2 挡墙消波措施剖面图（单位：mm）

图3 检定槽边墙消波措施剖面图（单位：mm）

2.6 沉降缝及止水设计

检定水槽设5道沉降缝，其中槽体两侧为28.55 m，中间为25 m一道，沉降缝采用闭孔泡沫板，缝宽20mm。每道沉降缝处均设置橡胶止水。

2.7 地基处理

2.7.1 稳定计算

1）设计工况

根据检定水槽的实际运行情况，确定设计工况：基本组合：完建情况，检定流速仪，水槽运行期；特殊组合：地震情况，检定流速仪，水槽运行期。

2）基底应力计算

以25 m一段进行基底应力计算：

式中：鄱M为作用在槽体上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水槽方向的形心轴的力矩，kN·m，顺时针为正，逆时针为负；A为槽体底板底面积，m2；W为槽体基底面对于该底面垂直水槽方向的形心轴的截面矩，m3；鄱G为作用在槽体上的全部竖向荷载，kN；P为槽体基底应力的最大值或最小值，kPa。

检定水槽各工况基底应力计算成果汇总见表1。

表1 检定水槽各工况基底应力计算成果汇总表

从计算结果可知，检定水槽地基应力满足地基允许承载力要求，闸室基底应力最大值与最小值之比的允许值基本组合为2，特殊组合为2.5，从计算结果可知，检定槽基底应力最大值与最小值之比满足规范要求。

2.7.2 地基处理

根据检定槽稳定计算可知，检定槽各工况基底应力满足地基承载力要求，但同时考虑到检定槽运行期间对地基沉降量要求很高，一旦发生沉降将无法对流速仪进行检定，需对水槽重新调试、整平，整个过程需要1～2个月的时间，会对检定水槽的正常工作造成影响，经综合考虑此设计对其检定水槽基础采用钢筋混凝土灌注桩，桩基坐落在新鲜岩面上，防止地基沉降。

拟设计钢筋混凝土灌注桩桩径0.80 m，为了避免桩基础施工可能引起的松弛效应和挤压效应对相邻桩的不利影响，规范要求钢筋混凝土灌注桩的中心距不能小于2.5倍桩径（2.0 m），同时，为了使桩群构成整体基础，中心距不能大于6倍桩径（4.8 m）。设计灌注桩采用矩阵布置，其中检定水槽两侧段（28.55 m）沿水槽方向中心距3.85 m，垂直水槽方向中心距3.30 m；检定槽中间段（25 m）沿水槽方向中心距3.90 m，垂直水槽方向中心距3.30 m。

拟建钢筋混凝土灌注桩桩基坐落在新鲜岩面上，桩深15 m，桩身采用C25钢筋混凝土结构。

2.8 引水 排水措施

检定水槽槽内充满水所需水量为1 121.25 m3，工程采用打井抽取地下水引水，井深50 m，井径准300mm，单井出水量为100 m3/h，利用井用潜水泵将水引至检定水槽内。

检定槽在运行一段时间后，需对槽内水体进行更换，以免槽内水质变差，影响检定结果。检定水槽在靠近检修段槽底设置一个排水坑，排水坑尺寸为0.6 m×0.6 m×0.6 m（长×宽×深），排水坑用于排除检定槽内水体，坑底设置准125mm钢管，利用单级单吸离心泵将水排至河道。

3 结语

转子式流速仪检定水槽在设计中，应根据实际检定流速仪的型号、检定速度等条件合理地确定检定水槽的深度、宽度、长度和消波措施。同时检定水槽对地基沉降量要求高，设计中应着重考虑地基处理方案，本文采用桩基础，基础深度至新鲜岩面，可以有效避免地基沉降，为后续检定工作带来方便。但此方案地基处理投资较大，有条件的工程可以通过对地基土的压缩试验计算出具体沉降量，来选取最佳设计方案，同时可以节省工程投资。通过以上对转子式流速仪检定水槽设计方法上的分析，可以对同类工程的设计起到一定的参照和借鉴作用。

［参考文献］

［1］GB/T21699-2008，直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法［S］.

［2］SL274-2001，碾压式土石坝设计规范［S］.

［3］王慷.流速仪检定设施重建的必然趋势［J］.水利技术监督，2011（4）.

［4］李琛，张锡永，张均顺，邢瑞平.潍坊流速仪检定水槽升级技术改造［J］.海洋通报，1999（2）.

［中图分类号］P332

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）06－0001－03

[收稿日期]2015-12-26