［摘要］以李家岸涵闸引黄送水工程为研究对象，依据该闸涵实例应用数据，借助流量测量实验分析，超声波流量计在闸涵规范化维护管理中的应用开展专题探究，通过李家岸涵闸引黄送水工程中的流量测量实验可知:试验中参考测得的水位h和设定的不同糙率常数n，分别利用缆道流速仪、超声波流量计、泄流曲线查算以及公式计算，对流量实施了多次比测，从图表数据比测结果看出，四类测量结果相互差别非常小，其中查算泄流曲线获得的流量误差较大，而缆道流速仪测量和超声波流量计测量的流量较为相近。超声测量的水深与糙率拟合性较好，呈现紧密关联状态。由此可以看出，涵闸流量测量管理应用超声流量测量技术是可行的，其测量精度完全满足工程测量管理要求。

闸涵维护管理既是一个管理学课题，也是一个技术类课题，借助技术手段实现数据化控制、维护和管理，可以使闸涵维护管理更数据化、科学化和规范化。本文依据案例闸涵实例应用数据，借助具体流量测量实验分析，对闸涵维护管理应用超声波流量计测流开展专题探究，以为同类工程应用提供研究和技术参考。

1超声流量测量原理

时下工程选用的超声波流量计多为基于速率差或多普勒原理的超声波流量计，利用逆水流及顺水流超声脉冲速率差异测定流速流量。

1．1时差法超声测定机理

超声测定流量实质上是借助超声波测定流速，然后通过特定计算得到流量。当向上游传播声波时，其波速下降，向下游传播声波时，其波速提高。要测定准确流量，尤其是对水深较大，上下游流速差异较大的大型渠道，要求应用多层换能器，以多声道测定方法才能更加准确地测出流速演变量，从而准确计算出流量。时差法超声多声道流速测定机理示意见图1具体所示。

式中:θ为流向与波向夹角;L为声道长度;v为流速均值;T为顺逆流时间均值;ΔT为顺逆流的时间差;i为声道数;H为水深;Ki为声道加权积分常数，B=(B1+B2)/2。

1．2多谱勒频移测流机理

多普勒频移测流是借助声波多普勒频移率测量而推算出闸涵流量的方法。超声发生器与流体颗粒间存在着相对运动关系，流速和相对运动形成反射波的多普勒频移现象，在反射波和入射波间形成差异频率。测定了这些差异频率，我们就能求解出对应的流速，进而得到流量。为了更加有效地获取多普勒频移信号，超声多普勒频移流量计一般均选用收发一体的换能器，具体见图2所示。

在上述频移流量推算式中，K=2/(n+1)，c代表介质波传速率;θ为波流夹角;f0代表波源波频;Δf多普勒均量频移，n的取值可以具体见表1所示。

2超声波流量计在李家岸引黄闸流量测量实验中的应用研究

2．1李家岸引黄闸运行现状

李家岸引黄闸位处黄泛冲积平原，担负着附近六个县(市)的引黄灌溉及地区生活和工业用水任务。该闸涵为箱式钢筋混凝土构造，全长81m，属1级建筑，3联9孔，每孔3m净宽，3m净高，校核防洪水位40．52m，设计防洪水位39．52m，设计，胸墙顶高度28．88m，底板高度25．88m，堤顶高度41．62m，机架桥顶高度42．00m，闸前减压平台高度32．50m，防沙闸门机架桥高度38．50m，现有堤顶高度39．00m，较高设计运行水位36．29m，设计灌溉引水位是28．10m。地方闸管所出于规范化管理的需要，已对其上下游水位、流速和流量实施了超声实时监测，现场数据经过线缆传至监控室计算机系统，然后以微波技术上传给黄委以及省市河务管理局。

2．2流量测量实验

实验结合灌区放水实施，涵洞闭启遵循该闸工程操作规范，流量控制在每秒100m3的标准范围内，参考灌区放水一般规律，依照每秒15m3的级差，选取确定每秒100、80、65、50、35、20m3等六个等级实施。较小涵内水深不低于0．7m，以保障方便流速监测和流量计算。保持各涵洞水位基本一致。糙率又称粗糙常数，一般以n表示，是反映渠壁面粗糙状态之对水流影响的一个综合常数值。粗糙常数n跟水深、流量以及渠槽表面粗糙程度密切相关，如果水流挟带泥沙，则水流含沙量大小也对糙率n有影响。对案例引黄涵闸来说，一定程度存在床面相对粗糙、断面不规整和水流含沙量相对大等具体情况，所以参考实测和相关推算，确定较小n值在0．035，较大n值在0．100。

2．2．1超声波流量计安装步骤

(1)安装主机:主机安装主要注意电源线和射频信号电缆的正确接连。连接电源线要选取电压稳定的电源，如果电源电压稳态不满足要求时，应考虑使用稳压器，以确保电源电压符合主机的要求。架设信号电缆，其两端须给与一定的识别标记，以防止电缆与主机及换能器连接时因不易分辨而导致错误连接。

(2)安装换能器:实验选用时差型超声波流量计测定流速，测量探头为换能器，每涵安装一对洞，与主机通过信号电缆相连。安装换能器重要的是换能器定位，即找出涵洞两边换能器安装的准确部位，涵洞中心线与换能器的声路夹角通常都选取45o，通常选用激光经纬定位仪测量比较准确。换能器安装好后，要准确测出声路角、声路高、声路长等换能器现场安装状态基本参数。

(3)安装超声水位计:不但要有流速数据，还须掌握水断面面积，才能实现超声测定流量。涵洞断面一般情况下都是确定的，所以只要测出水面高程，过水断面的面积也就能通过计算得出。超声水位计就是用来测定水面高程的。在超声波流量计的传感器连线正中点的正上方涵洞顶板，为安装超声水位计的正确位置，见图3具体所示。

2．2．2流量测量方法及步骤

(1)测量:在确定一个工况组合后，同步实施各种测量，主要有:设备测流，确定标准流量;各个洞内水位计测各涵水位，微机机自动推算该时段的水位均值;各个洞内流量计测定流速，微机自动推算测验时段的流速均值;参考对应底板高度，各个涵洞观测出口和距离出口3m处的水位，不间断观测或者每1min观测一次，之后微机推算水深，分别算出一个测验时段的水位均值;与此同时参考对应底板高度推算水深。

(2)推算各洞流量:首先确定一个糙率常数n，应用前述测定的水深数据推算出各涵洞的流量Qi。与标准流量Q比较检测∑Qi是否相等。假如不是相等，则需对糙率常数n进行必要调整。多次不停观测，直到发现n0始终在一定范围内循环变化，则在其中较终选取一个中间值供计算所用。

3实验结果分析

通过李家岸涵闸引黄送水工程中的流量测量实验，试验中参考测得的水位h和设定的不同糙率常数n，分别利用缆道流速仪、超声波流量计、泄流曲线查算以及公式计算，对流量实施了多次比测。在满足±5%允许误差情况下，选用统计解析方法对数据实施筛选处理，获得了满足实验解析的样本系列，具体见表2和图4所示。借助计算机对实验数据实施拟合计算，得到了水深h与糙率常数n的拟合曲线，具体见图

5所示。

从图表数据比测结果中我们看到，四类测量结果相互差别非常小，其中查算泄流曲线获得的流量误差较大，而缆道流速仪测量和超声波流量计测量的流量较为相近。超声测量的水深与糙率拟合性较好，呈现紧密关联状态。由此可以看出，涵闸流量测量管理应用超声流量测量技术是可行的，其测量精度完全满足工程测量管理要求。

4结语

文依据案例闸涵实例应用数据，借助具体流量测定试验解析，对闸涵规范化维护管理应用超声波流量计测流进行专题探讨。基本收获:(1)梳理介绍了超声流量测量原理;(2)开展了应用超声波流量计进行闸涵流量在线自动化测量;(3)对实验结果进行了直方和拟合比对分析。实验得出的现实和前瞻性判断是:(1)超声波流量计可以对引黄涵闸进行在线自动化测流，能够帮助工程管理人员对涵闸运行实现闸门开闭控制和开展数据实时监测、存储和报送;(2)超声流量测量，其精度误差可以控制在±5%范围以内，精度满足规范管理需要;(3)流量监测系统数据能够一并传输到黄委和省市专业管理局，并入涵闸远程监控系统，涵闸数据管理远程化、实时化和信息化质量大幅提升;(4)可以借助计算机系统的强大功能，建立实时涵闸信息数据库，自动实施数据备份、转储功能，保障了历史数据的安全性;对接收到的诸种数据统计解析，自动生成日、月、年报表，并对历史数据按诸多条件实施查询、记录、修改及打印，应用数据化信息开展规范化管理的效率更高，效果更好;(5)水流量实时监测及信息化处理，可为涵闸按量刷卡引水供水提供技术发展空间。