浅议阜宁腰闸上游水位自记台水位失真的一种处理方法

韩阳，黄璐，左亚会，郭亚伟，张海

（江苏省灌溉总渠管理处，江苏 淮安 223200）

1 基本情况

阜宁腰闸位于盐城市阜宁县境内陈集镇闸东村与芦蒲镇范荡村交界的苏北灌溉总渠上，是灌溉总渠上继洪泽高良涧闸、淮安运东闸后的第三级水工节制闸。工程于1957年建成，共21孔，主要功能为排洪、灌溉，亦可调节水位保障运东、阜宁船闸安全航运、电站发电，配合其他工程解决渠北高排区800多平方公里排涝。

1957年6月设立阜宁腰闸水文站。测站属性为一般水文测站，测验项目包括闸上游水位、闸下游水位、流量、降水量。闸上游两岸为土质斜坡，自记台采用岛岸结合式，位于闸上游150m处河流右岸岸边。水位自记台主要由测井、观测房及附属设施组成。水位测井底部连接进水管，与外部水体相通。进水管由多节桶状水泥管组合连接而成，一直延伸至下游河道中部。水位自记台内目前安装WFH-2A型浮子式水位计一套。

2 问题来源

经过几十年使用，阜宁腰闸上游测井水位出现涨落滞后、反应不灵敏现象。测站水文勘测人员采用常规冲淤方法（利用水泵抽取清水对测井进行压力式冲淤）先后进行多次冲淤，冲淤时能看到水流自内而外流出的迹象。冲淤后，水位连续下降过程中，测井内外水位基本一致。水位经过上涨过程后，测井内水位又会滞后于测井外河道水位，且随着时间推移，滞后越来越严重，致使测井内部水位不能完全代表外部河道水位。

3 解决问题

3.1 方案比选

针对此类由于进水管损坏而引起的测井水位失真问题，常规的水泵冲淤不能从根本上解决问题，唯有更换破损的进水管，方能“一劳永逸”。而更换进水管通常的方法就是潜水作业或建围堰施工两种。

采用潜水作业，直接更换进水管的方法，其主要工作量包括桶状水泥管采购、人工拼接安装等。施工过程中须派遣潜水员潜入水底作业。水下作业不仅施工难度大，而且难以保证质量。一旦进水管拼接出现较大漏缝或连接不好，以后必然又会淤积，导致测井进出水不畅、水位失真。

采用建围堰施工的方法，则可以彻底解决问题。不仅可以重新更换新的进水管，而且可以把沉沙池、测井内的少量淤泥一并清理干净。但是，此方法不仅施工成本较高而且施工周期也较长。另外，对于这种小型围堰施工项目，一般还需选择在枯水期较适宜，严重影响水位自记井的正常使用。

表1 三种方案比选

通过上表对三种方案的对比可以清楚地看出，方案三具有较大优势。

3.2 基本原理

虹吸现象是液态分子间引力与位能差造成的，利用水柱压力差，使水上升后再流到低处。由于管口水面承受不同的压力，水会由压力大的一边流向压力小的一边，直至水面变成相同的高度，两边的压力相等，水则停止流动。

3.3 基本做法

（1）测井壁人工开洞。近10年来，阜宁腰闸上游最低水位为3.3m，正常水位5.5m左右，考虑实际施工可能，在井身临河侧接近水面处开孔即可。

（2）安放连通管。倒U形虹吸连通管采用PVC钢丝螺旋增强管，管径同测井原进水管直径一致，该管具有强度高、韧性强、经久耐用、弯曲不起瘪等特点。将准备好的倒U形连通管从洞口伸入测井，一端在井内底部，另一端在井外河道。井壁开洞孔径应确保倒U形连通管能够顺利插入。

（3）连通管两端防淤处理。为确保虹吸连通管能够长期使用，测井内外水流通畅，需采取一定措施，既要防淤泥进入连通管，又要使连通管两端管口尽可能低。因虹吸连通管为整根PVC钢丝螺旋增强管，整根连通管的最高点为井壁开洞位置，呈现“中间高、两头低”的格局。因此，正常情况下，淤泥无法进入连通管内部，只有两端管口有被井底、河底淤泥堵塞的可能。对虹吸连通管两端采取相同处理方法，以虹吸连通管井内端口为例。首先，在连通管的管口外侧使用铜丝捆绑一浮子，使管口能够自然漂浮于水面。然后，在管口连接一配重物，使用铜丝与管口相连。配重物与管口之间的距离可以通过调节连接铜丝的长度，任意调整。配重物的质量应足够大，其所产生的重力必须大于自身和浮子完全沉没于水中所产生的总浮力。铜丝的长度根据实际需要调节，通常取0.5m，即连通管的管口悬浮于井底以上0.5m处的水中。连通管另一端同样处理。

连通管两端经上述处理后，便能确保连通管两端分别悬浮于测井内外水中，且与井底淤泥、河底淤泥保持一定距离（铜丝的连接长度即为虹吸管口离河底、井底的高度）。连通管井外部分摆放时，应尽量使连通管顺直并使轴线适当偏向下游，轴线与基本水尺断面夹角控制在10°以内。

连通管排气。在井壁开洞处固定连通管。借助测站潜水泵，从井外端的管口快速往连通管内注水，排清管内空气，并在管口不出水的情况下移开潜水泵即可。

图1 虹吸管安装示意图

因虹吸管采用的是一根整管，中间无拼接，在排除人为故意破坏的情况下，虹吸不会漏气，测井内外水流畅通，水位始终一致。另外，倒U形连通管使连通管内不易沉积淤泥，也有利于连通管的长期畅通。

4 实用性分析

4.1 滞后量和水位差计算

水位自记测井的滞后量和测井内外水位差是衡量测井好坏的一个重要因素。计算测井滞后量，通常按照下式计算：

式中，ZΔ为滞后量，m；C为流量系数；g为重力加速度，m/s2；Aw为测井横截面面积，m2；Ap为进水管横截面面积，m2；为水位变率，m/s（在计算观测井滞后量时取观测井中实际水位变率）。

从式中可以看出，采用新的虹吸管连接方法后，只要采用和原进水管直径相同的连通管，影响测井滞后量的各参数都没有发生变化，所以滞后量没有发生变化。

测井内外水体密度差异引起的水位差，可按下式计算：

式中，ZΔ为测井内外水位差，m；ρ为清水密度，t/m3；h为进水管的水头，m；Cs含沙量kg/m3；ρ0为泥沙密度，可采用2.65t/m3计算。

分析各参数可以发现，ρ、0ρ、Cs三个参数都没有发生变化，唯一可能发生变化的就是进水管的水头。而进水管的水头完全可以通过人为调整连通管两端与各自配重物之间连接铜丝的长度来实现，且调整方便、简单。

由此可见，采用虹吸管代替原进水管的方法，只要操作得当，既不影响原测井的滞后量也不影响原测井内外水位差，甚至可以根据需要，通过人工调整，进一步缩小原测井的滞后量和内外水位差。

4.2 适用范围

虹吸管代替测井进水管的办法主要是基于虹吸原理。根据压强公式P=ghρ，一个标准大气压（101.325kPa）能够支持的水柱高度h为

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

因此，虹吸管最高点与最低水位水面之间的距离不能超过上述数值。但从实际使用上考虑，其最大高度建议控制在7m以内，因为当虹吸管顶部高度过大，管内压强接近该温度下汽化压强时，水体将产生汽化而破坏水流的连续性，导致测井内外的水位不一致。

5 结语

由于使用年限过长或者外界后期施工等原因，导致测井进水管破裂，测井内外水流不畅、水位失真的情况在实际生产中一旦发生，短时间内难以恢复。而水文数据资料的报汛时效性和整编连续性尤为重要。虹吸管代替进水管在一定程度上能起到临时应急的作用，而且效果良好，可作为一种便捷有效的方案。