万家寨引黄南干7号洞出口大流量高精度测流设施及其使用总结

桑文才

(山西省万家寨引黄工程管理局，山西 太原　030012)



万家寨引黄南干7号洞出口大流量高精度测流设施及其使用总结

桑文才

(山西省万家寨引黄工程管理局，山西 太原030012)

【摘要】万家寨引黄工程向汾河输水量最大达19.35m3/s，在输水隧洞出口安装了梯形薄壁堰、Accusonic7500四声道超声波流量计、Risonic2000双面八声道超声波流量计。鉴于梯形薄壁堰超常规测流，对其流量系数进行了室内模型试验，并用断面流速法进行了校核。选取不同流量下长时段测流数据进行比较，测流相对精度均高于1.5%。本文结合现场建筑物布置情况、输水运行实践，对三套流量计使用情况进行了分析，认为三套流量计测流均精度高，稳定性好，并对各自优缺点进行了分析。

【关键词】薄壁堰；超声流量计；明渠；流量测验

万家寨引黄工程位于山西省西北部，从偏关县黄河万家寨水库大坝左侧引水，经过总干线后分为两支，向南经102km南干线、81.2km汾河天然河道进入汾河水库，由水库经58.15km连接段向太原市供水；向北经160.83km北干线向朔州、大同地区供水。总干线全长44.4km，引水流量48m3/s。南干线引水流量25.8m3/s，北干线引水流量22.2m3/s。引黄工程除81.2km的天然河道段外，主要由6座泵站、隧洞、渡槽、埋涵及PCCP管道组成。向太原供水线路于2002年10月建成，向大同、朔州地区供水线路于2011年7月建成。

准确测量南干线7号隧洞进入汾河的水量，不仅是引黄输水运行调度的需要，也是汾河流域水文测验、汾河水库调度运行的需要。为此，在南干线7号隧洞出口安装了梯形薄壁堰、超声波流量计等测流设施。 多年的运行表明：梯形薄壁堰、超声波流量计工作正常、运行稳定、测验精度高。

1　梯形薄壁堰

1.1布置位置

南干线7号洞出口1号明渠段长180m，上游与南干线7号洞出口节制闸相接，下游与消力池相连。明渠底宽12m，底坡1/500，边坡1∶1.5，在明渠桩号约0+110处布置一梯形薄壁堰。梯形薄壁堰尺寸为：b=5.995m，P=1.6m，边坡m=5.36∶1，肩宽T=8.225m(见下图)。

南干7号洞出口梯形堰结构图(单位：m)

1.2流量系数的确定

根据测流规范[1-2]，标准堰型可使用规范给出的流量系数，否则需进行现场率定、模型试验等专项研究。规范给出的薄壁堰标准测流范围为0.02～1.009m3/s,堰口宽为0.25～1.5m，该工程设计测流12.9m3/s，堰口宽5.995m，远超规范标准。其流量系数必须进行专题研究。

1.3模型试验

试验采用系列模型延伸法进行，即按照几个不同比尺的模型试验流量系数求得原型尺寸的流量系数。按照重力相似准则，考虑试验场地及供水情况等因素，选取了三种比尺的正态模型(λL=6、8、10)进行试验，用K300型电磁流量计测流(量测精度0.02%～1%)，水位用针形水位计测读(量测精度0.1mm)，测得的各模型流量系数见表1[3]。

表1　7号洞出口梯形堰模型试验不同比尺的流量系数

由上述数据进行线性拟合并外延，得到原型流量系数为1.862(即λL=1)。

1.4流速面积法对比

测流断面选在头马营7号洞出口闸室内，依据泵站流量测试规程[4-6]采用多部流速仪同时测流。闸室为矩形结构，宽3.80m，1台水泵输水时设计输水量6.45m3/s，水深2.0m；2台泵时设计输水量12.90m3/s,水深2.4m。设7条测流垂线，间距在160～760mm之间，边墙处间距最小，中间最大；每条垂线6个测点，间距由底向上依次为150～350mm。共使用了42部流速仪，同时布设在测流支架向上游面伸出的水平支杆上，施测时流速仪同时测量、记数。施测时段为2002年10月8日11时27分至19日22时，当时只有单台泵工作，流量在6m3/s左右，所测流量与薄壁堰测流量相差0.61%，见表2。

表2　7号洞出口梯形堰与流速断面法测流对比

2　超声波流量计

2.1Accusonic7500型超声流量计

在南干线7号洞距洞口100m处安装一套计量级超声波流量计，型号为Accusonic7500，为四声道明渠测流型，根据厂商的技术说明书，测流精度可达1.5%。在实际使用中，考虑仪器精度和安装情况，测流精度应能达到1.95%[7]。

2.2Risonic2000超声波流量计

为了加强测流的稳定性和精确情，于2013年在Accusonic7500流量计附近，加装一套双面八声道超声波流量计，型号为Risonic2000，标称精度为1.0%。

3　流量计测流对比

选取不同开泵数时流量稳定约10d时段，对上述三套流量计测量结果进行比较，三种流量计测值比较接近，测值偏差均小于1.5%，见表3。

表3　7号洞出口三套流量计平均测流值　单位：m3/s

以3个测值平均值为基准，求得各流量计的相对偏差，见表4。

表4　7号洞出口三套流量计测流值比较

4　分　析

a.梯形薄壁堰是一种操作简单、稳定可靠的传统测流方式[8]，依据水力学计算公式，只要测得堰前水位，便可计算出流量。对于小流量测量(1m3/s以下)，严格按照规范[1-2]进行薄壁堰加工安装，可直接采用规范给出的流量系数进行流量计算。对于大流量，则需通过模型试验或现场体积法、流速仪法进行流量系数测定。该工程流量系数以模型试验值为准，现场也进行了单流量点(6m3/s)流速仪法与薄壁堰测流对比，测值相差约0.61%。

b.现场分别于2002年、2013年安装了两套多声路超声波时差法流量测量仪。两流量计均属于当前代表性产品[9-11]，适用于各种流量范围、各种断面型式，且测流精度高，自动化程度高。

c.头马营两套超声波流量计均布置在隧洞出口，位置相差不超过20m；薄壁堰布置在出口明渠中，与超声波流量计位置相差不超过200m。区间水量变化很小，3个测量差值主要是由于仪器本身原因引起的，取长时段的观测样本时水流状态变化因素可以忽略不计。从测值对比情况来看，三套流量计测值比较接近，最大差值小于1.5%。，三套流量计均工作正常，测值准确可靠。

d.该工程的运行实践表明，薄壁堰、超声流量计均可实现高精度测流。随着过水流量加大，薄壁堰制作安装费用加大，流量系数需专题研究；而超声波流量计安装使用费基本不随流量的加大而增加，是一种理想的大流量高精度测量方法。

e.目前，适用于明渠大流量的在线超声流量计检定规程尚未出台，如何现场确定其精确度是目前面临的一个研究难题。虽然可用流速面积法进行校对，但在大断面明渠上进行费时费力，国内实施的例子并不多。王丁坤[11]等在南水北调中线京石段上进行的工作，确定测流总不确定度满足10%的规范要求，评价精度比流量计标称精度(2.0%)低很多。李效贤[12]在东深供水上进行的流量比对，仅给出了相对偏差小于2.61%的结论，没有达到检定的全部要求。其他文献也没给出明确检定结论。

5　结　语

薄壁堰、超声流量计均是精度很高的测流设备。薄壁堰作为一种传统量水建筑物，积累了丰富的实践经验，其测流效果得到了广泛的认可。但随着测流断面加大，堰板制作安装工作量很大，且对水流状态要求也比较高。超声流量计是近年来兴起的一种新型高精度测流设备，无论小型管道，还是几十米上百米的明渠均能适应，且造价基本不随断面的增大而增加；但目前还没有一套行之有效的准确度评定方法，使用经验不足，还需在实践中不断积累总结经验。

参考文献

[1]SL 24—91 堰槽测流规范[S].北京：水利电力出版社，1991.

[2]SL 537—2011 水工建筑物与堰槽测规范[S].北京：中国水利水电出版社，2011.

[3]邸国平.引黄南干线7号洞出口明渠梯形薄壁堰流量系数的选定[J].山西水利科技， 2001(4):21-23.

[4]SD140—85 泵站现场测试规程[S].北京：水利电力出版社，1985.

[5]GB/T 3214—91 水泵流量的测定方法[S].北京：中国标准出版社，1991.

[6]GB/T 20043—2005.水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验国际规程[S].北京：中国标准出版社，2005.

[7]徐春荣，马用宽.万家寨引黄工程无压隧洞流量测量分析[J].水电自动化与大坝监测,2003,27(4):64-66.

[8]李善征,张春义,吴敬东.明渠堰槽测流技术综述[J].北京水利，2003(1):23-25.

[9]易琳，李文学,等.三峡右岸电站机组测流系统[J].水电自动化与大坝监测,2007,31(6):43-45.

[10]须伦根,徐春荣,郑源.大中型泵站现场流量测试技术及应用[J].中国测试技术,2006,32(5):29-32.

[11]王丁坤,吕社庆,王珺.Risonic2000超声波流量计流量率定成果分析[J].人民黄河,2010,31(6):51-52.

[12]李效贤.大型渠道超声波法与流速仪法测流比对试验[J].中国农村水利水电,2006(8)107-108,112.

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

中图分类号：TV123

文献标识码：B

文章编号：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