压差法在烟台市陌堂橡胶坝工程中的应用

李 娜，李 桐，李超杰

（1.烟台市城市水源工程运行维护中心，山东 烟台264003；2.河海大学农业科学与工程学院，江苏 南京211100）

橡胶坝以其结构简单、运行安全、施工方便、投资较省等优点，在我国河道拦蓄水工程上得到越来越多的应用。橡胶坝坝高是橡胶坝工程运行管理中最重要的控制参数之一，高精准测量橡胶坝坝高监测值很重要。

笔者结合橡胶坝工程运行管理经验，研发出一种利用测量橡胶坝坝袋内最低点与最高点压力差来测算坝袋高度的技术方法。

1 橡胶坝坝高压差法测量原理

1.1 液体内部压强与液体深度关系

压差法测量的基本原理是以液体内部压强原理为依据，利用液体内部压强与液体深度的关系，推求橡胶坝坝高测量方法计算公式。

坝袋液柱深度通常利用压力传感器分别测得坝袋内底部的压强和顶部的压强，坝袋顶部和底部的压强对应的液柱深度二者之间的差值即为橡胶坝坝高。

1.2 密闭容器内液体压强传递特点

橡胶坝坝袋内部为密闭的腔体，密闭的容器内部液体能将其受到的压强按原大小向各个方向传递。坝袋自重、风浪压力、坝袋顶部溢流水深、漂浮物等外部因素在坝袋内最高点产生的压强可以等值地传递到坝袋内任何位置。即坝袋内任意两点间压强值相减，会抵消掉外部作用力对坝袋内压力的影响。

1.3 顶部压力传感器始终处于坝袋最高点

选用中间开孔的球形浮漂，将传感器插入浮漂开孔并固定在浮漂内，在浮漂底部加装适当配重，使浮漂保持浮在坝袋内液面之上，且压力传感器末端始终处于朝上状态。球形浮漂在光滑的弧形坝袋内，受垂直向上的浮力、垂直向下的重力和坝袋对其的压力作用，遵循力的平衡原理，浮漂和传感器将始终处于坝袋顶部最高点位置。

2 应用实例

2.1 工程概况

烟台市外夹河陌堂橡胶坝工程位于福山区回里镇陌堂村东北，距其上游旺远橡胶坝2.79 km，坝址以上控制流域面积860 km2。橡胶坝坝高4 m，底板高程9.8 m，最高挡水位13.80 m；坝体为1孔斜坡式橡胶坝，坝长142 m，一次性拦蓄水量173.0万m3。陌堂橡胶坝是一座以两岸农田灌溉和补充地下水源为主，兼顾生态景观功能的挡水建筑物。

2.2 测量设备选定

压力传感器是一种能够感应压力信号并将该信号按照一定的规则转换成与压力相对应的可用的输出电信号的装置。作者选用一对24 V额定电压、4～20 mA输出、测量水深量程为0～5 m的压敏电阻式压力传感器，进行坝袋内顶部压强和底部压强的测量。

因压力传感器输出的是模拟量信号，为减少不必要的工程量以及远距离布设信号线带来的施工难度，作者选用一对无线数传电台和一个双输入485数据模块，用于模拟量信号转换和传输。

压力传感器的安装最主要的是定位，让传感器准确停留在坝袋内部的最高点和最低点。压力传感器安装分两种情况：对已建设完成的橡胶坝，一种方法是拆除坝袋底部的锚固，人员进入坝袋内将压力传感器安装好，再对坝袋重新进行锚固，优点是安装准确度高，缺点是工程量较大，需要配合大型机器作业，成本较高；另一种方法是通过超压溢流管穿入穿线钢丝，自橡胶坝排气孔将此钢丝拽出，然后穿入尼龙引线，利用此引线将带浮漂和配重的传感器牵引至预设位置。该法优点成本低、工程量小，不影响工程运行，缺点是操作起来较为复杂，需要利用专业穿线器等工具。陌堂橡胶坝已建设完成，采取第二种方法。

2.3 安装时需要注意事项

1）顶部压力传感器浮漂的选择。浮漂越大，顶部压力传感器越能准确地漂浮在坝袋内部的最高点，但是超压溢流管管径有限，且存在弯曲，应综合考虑浮漂浮力大小与管径，选择漂力满足要求且大小合适的浮漂。

2）压力传感器信号线布设。压力传感器在采购前应提前规划安装位置及走线，根据走线位置确定好压力传感器信号线长度。在采购前应与厂家联系，确保信号线在水下部分无接头，以免长期在水下浸泡，发生进水、短路等故障。

3 创新性分析

3.1 双压力传感器测量液柱高度

采用测量坝袋内液体高度的方法进行间接测量坝袋高度；采用双压力传感器分别测量坝袋内最高点和最低点的压力，测算出坝袋内水深，最终换算出坝袋高度。

3.2 准确定位坝袋最高点位置

采用球形浮漂，利用三力平衡原理，使浮漂自动停留在弧形坝袋内部最高处，从而准确测得坝袋内最高点压力。

3.3 测量数据的深度拓展应用

可采用PLC编程实现自动化控制，在PLC内直接引用实时测得的坝高变量与预设值进行对比判断，可实现充排水水泵自动启停、管路阀门自动启闭。

4 应用效果分析

压差法橡胶坝坝高测量方法在陌堂橡胶坝工程上应用以来，大大减少了人工观测的时间成本，解决了恶劣天气下视线不清或坝袋有溢流时无法准确测量坝高的难题，实现了一线管理人员24 h、全天候、远程自动测量橡胶坝坝袋高度。现将部分监测到的坝高数值，与人工观测坝高数值进行了对比，详见表1。

表1 坝高观测数值对比

对表1中的2种橡胶坝坝高监测数据进行对比分析，发现压差法测得的坝高与直接观测法所测的基本吻合，两者误差控制在5 mm以内。因直接观测法受人的影响因素较大，总的来说，压差法测量精度要优于直接观测法。

5 结语

压差法坝高测量与传统的测量方法比较，具有设备安装简单，易操作，准确性高，成本低廉等优点。经过该方法测得的坝高数据，精度完全符合橡胶坝标准化管理要求。下一步，可考虑将坝高变量直接导入PLC自动化控制系统中，实现准确安全起落坝袋。该测量装置较适用于新建橡胶坝，对已建成的橡胶坝而言，建议其在更换坝袋时进行安装。