孟宇（遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110003）

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轉(zhuǎn)子式流速儀檢定水槽的設(shè)計(jì)方法

孟宇
（遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110003）

［摘 要］以轉(zhuǎn)子式流速儀檢定水槽設(shè)計(jì)為例，簡要論述檢定水槽在設(shè)計(jì)中的分析和計(jì)算方法，設(shè)計(jì)中對檢定水槽的深度、寬度、長度和消波措施進(jìn)行詳細(xì)分析、計(jì)算，同時(shí)指出檢定水槽對地基沉降的要求，并對地基處理方案進(jìn)行分析。

［關(guān)鍵詞］流速儀；檢定水槽；基礎(chǔ)處理

1 概況

為保證水文基本資料的準(zhǔn)確、可靠，流速儀應(yīng)按期進(jìn)行檢定。檢定水槽是用來檢定轉(zhuǎn)子式流速儀的直線靜水槽。

流速儀檢定水槽的設(shè)計(jì)原理是，在橫斷面均勻一致的長方形直線靜水槽上方架設(shè)兩條軌道，在軌道上安裝一輛能夠來回運(yùn)動(dòng)的檢定車，流速儀經(jīng)由測桿固定在檢定車上，并浸泡在水槽的水面以下，懸掛進(jìn)入水中一定位置（通常在水下0.6 m）。水槽中的水是靜止的，當(dāng)檢定車在軌道上以不同的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，可等效為流速儀是靜止的，而水槽里的水以車速相對于流速儀流動(dòng)。在檢定車車速已知的條件下，測量出流速儀的轉(zhuǎn)率，再通過一系列的公式將轉(zhuǎn)率換算成流速并與車速進(jìn)行比較，由此確定流速儀檢測的誤差，判斷其準(zhǔn)確度。

2 轉(zhuǎn)子式流速儀檢定水槽設(shè)計(jì)

2.1 總體布置

檢定水槽凈長155 m，凈寬3 m，高3 m，其中檢修段長5 m，檢定段長149.5 m檢修段與檢定段間設(shè)有擋墻，擋墻高2.90 m，墻寬0.50 m。檢定水槽橫斷面形式采用矩形混凝土槽結(jié)構(gòu)，墻頂寬0.50 m，底寬0.85 m，底板厚0.80 m，寬5.10 m，槽體采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，抗凍等級F50，抗?jié)B等級W4。底板下設(shè)準(zhǔn)800mm鋼筋混凝土灌注樁，樁深15 m，樁基坐落在新鮮巖面上，樁身采用C25混凝土。

檢定水槽設(shè)5道沉降縫，其中槽體兩側(cè)為28.55 m，中間為25 m一道，沉降縫采用閉孔泡沫板，縫寬20mm。每道沉降縫處均設(shè)置橡膠止水。檢定水槽橫斷面形式見圖1。

圖1 檢定水槽橫斷面圖（單位：mm）

2.2 水深的確定

檢定車設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度是5 m/s，但檢定槽實(shí)際檢定期間最大檢定速度為4 m/s。根據(jù)GB/T 21699-2008《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準(zhǔn)方法》可知，檢定槽臨界速度：

式中：vc為臨界速度，m/s；d為檢定槽水深，m；g為重力加速度，m/s2。

經(jīng)計(jì)算vc=4.95 m/s，大于檢定槽實(shí)際檢定期間最大檢定速度，滿足規(guī)范及運(yùn)行要求，因此檢定槽水深確定為2.50 m。

2.3 寬度設(shè)計(jì)

流速儀進(jìn)行檢定時(shí)，懸掛于檢定車測桿上，檢定車拖動(dòng)流速儀進(jìn)行檢定。流速儀同時(shí)檢定時(shí)，測桿之間的距離必須確保儀器之間相互不產(chǎn)生干擾，兩測桿間的距離大于0.5 m。設(shè)計(jì)檢定車一次同時(shí)檢測3臺流速儀，根據(jù)測桿間距要求，設(shè)計(jì)擬定檢定槽凈寬3 m，則流速儀測桿間距為0.75 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 長度設(shè)計(jì)

檢定槽軌道一般分為禁行段、加速段、穩(wěn)定段、測量段、制動(dòng)段。首尾為禁行段，距離兩端15 m左右，為保證安全，一般情況下，檢定車不允許運(yùn)行到這一區(qū)域。加速段是用來確保檢定車加速到指定速度，穩(wěn)定段確保檢定車以該速度運(yùn)行一段距離，最后進(jìn)入測量段檢定流速儀，三段沒有明確界限。

加速段和制動(dòng)段的長度應(yīng)由檢定車的設(shè)計(jì)指標(biāo)和流速儀在檢定槽中檢定的最大速度來決定，通常待測的速度越快，所需加速段和穩(wěn)定段越長，制動(dòng)段的長度必須滿足安全的需要。測量段的長度應(yīng)能保證流速儀的檢定誤差在最高速度下檢定時(shí)不超過允許值。因此所需長度將由流速儀的型式、信號的產(chǎn)生及傳輸方式和檢定方法來決定。

根據(jù)以上理論要求并結(jié)合實(shí)際檢定流速儀經(jīng)驗(yàn)，檢定水槽設(shè)計(jì)凈長155 m。為了方便檢定車的維修與保養(yǎng)，在水槽的一端設(shè)計(jì)一段無水檢修區(qū)，檢修區(qū)長5 m，當(dāng)需要對檢定車進(jìn)行維修與保養(yǎng)時(shí)，可以將檢定車推到無水檢修區(qū)檢修。無水檢修區(qū)與水槽之間設(shè)有擋墻，擋墻高度為2.90 m，墻寬0.50 m，擋墻高度略低于水槽槽深，目的是能夠保證檢定車的最低點(diǎn)不觸碰到擋墻，安全地推到無水檢修區(qū)。

2.5 消波設(shè)計(jì)

檢定車設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度是5 m/s，但檢定水槽實(shí)際檢定期間最大檢定速度為4 m/s，由于檢定水槽建設(shè)在室內(nèi)，屬無風(fēng)狀態(tài)，檢定車在檢定流速儀過程中，水面是固定的，檢定車來回運(yùn)動(dòng)，用檢定車模擬水流速度來對流速儀進(jìn)行檢定。消波設(shè)計(jì)以檢定車最大檢定速度認(rèn)定為檢定槽面的風(fēng)速，以此來計(jì)算檢定槽平均波高。

由于檢定水槽無規(guī)范規(guī)定計(jì)算消波公式，設(shè)計(jì)借鑒SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A波浪和護(hù)坡計(jì)算內(nèi)容，計(jì)算檢定槽檢定過程中的平均波高：

式中：W為計(jì)算風(fēng)速，m/s；Hm為水域平均水深，m；D為風(fēng)區(qū)長度，m。

經(jīng)計(jì)算，檢定水槽平均波高m。根據(jù)檢定水槽的實(shí)際運(yùn)行情況，只對檢修段與檢定段間擋墻和水槽另一端邊墻設(shè)計(jì)消波措施，消波措施見圖2，3。

圖2 擋墻消波措施剖面圖（單位：mm）

圖3 檢定槽邊墻消波措施剖面圖（單位：mm）

2.6 沉降縫及止水設(shè)計(jì)

檢定水槽設(shè)5道沉降縫，其中槽體兩側(cè)為28.55 m，中間為25 m一道，沉降縫采用閉孔泡沫板，縫寬20mm。每道沉降縫處均設(shè)置橡膠止水。

2.7 地基處理

2.7.1 穩(wěn)定計(jì)算

1）設(shè)計(jì)工況

根據(jù)檢定水槽的實(shí)際運(yùn)行情況，確定設(shè)計(jì)工況：基本組合：完建情況，檢定流速儀，水槽運(yùn)行期；特殊組合：地震情況，檢定流速儀，水槽運(yùn)行期。

2）基底應(yīng)力計(jì)算

以25 m一段進(jìn)行基底應(yīng)力計(jì)算：

式中：鄱M為作用在槽體上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底面垂直水槽方向的形心軸的力矩，kN·m，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)；A為槽體底板底面積，m2；W為槽體基底面對于該底面垂直水槽方向的形心軸的截面矩，m3；鄱G為作用在槽體上的全部豎向荷載，kN；P為槽體基底應(yīng)力的最大值或最小值，kPa。

檢定水槽各工況基底應(yīng)力計(jì)算成果匯總見表1。

表1 檢定水槽各工況基底應(yīng)力計(jì)算成果匯總表

從計(jì)算結(jié)果可知，檢定水槽地基應(yīng)力滿足地基允許承載力要求，閘室基底應(yīng)力最大值與最小值之比的允許值基本組合為2，特殊組合為2.5，從計(jì)算結(jié)果可知，檢定槽基底應(yīng)力最大值與最小值之比滿足規(guī)范要求。

2.7.2 地基處理

根據(jù)檢定槽穩(wěn)定計(jì)算可知，檢定槽各工況基底應(yīng)力滿足地基承載力要求，但同時(shí)考慮到檢定槽運(yùn)行期間對地基沉降量要求很高，一旦發(fā)生沉降將無法對流速儀進(jìn)行檢定，需對水槽重新調(diào)試、整平，整個(gè)過程需要1～2個(gè)月的時(shí)間，會(huì)對檢定水槽的正常工作造成影響，經(jīng)綜合考慮此設(shè)計(jì)對其檢定水槽基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土灌注樁，樁基坐落在新鮮巖面上，防止地基沉降。

擬設(shè)計(jì)鋼筋混凝土灌注樁樁徑0.80 m，為了避免樁基礎(chǔ)施工可能引起的松弛效應(yīng)和擠壓效應(yīng)對相鄰樁的不利影響，規(guī)范要求鋼筋混凝土灌注樁的中心距不能小于2.5倍樁徑（2.0 m），同時(shí)，為了使樁群構(gòu)成整體基礎(chǔ)，中心距不能大于6倍樁徑（4.8 m）。設(shè)計(jì)灌注樁采用矩陣布置，其中檢定水槽兩側(cè)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；檢定槽中間段（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。

擬建鋼筋混凝土灌注樁樁基坐落在新鮮巖面上，樁深15 m，樁身采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.8 引水 排水措施

檢定水槽槽內(nèi)充滿水所需水量為1 121.25 m3，工程采用打井抽取地下水引水，井深50 m，井徑準(zhǔn)300mm，單井出水量為100 m3/h，利用井用潛水泵將水引至檢定水槽內(nèi)。

檢定槽在運(yùn)行一段時(shí)間后，需對槽內(nèi)水體進(jìn)行更換，以免槽內(nèi)水質(zhì)變差，影響檢定結(jié)果。檢定水槽在靠近檢修段槽底設(shè)置一個(gè)排水坑，排水坑尺寸為0.6 m×0.6 m×0.6 m（長×寬×深），排水坑用于排除檢定槽內(nèi)水體，坑底設(shè)置準(zhǔn)125mm鋼管，利用單級單吸離心泵將水排至河道。

3 結(jié)語

轉(zhuǎn)子式流速儀檢定水槽在設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢定流速儀的型號、檢定速度等條件合理地確定檢定水槽的深度、寬度、長度和消波措施。同時(shí)檢定水槽對地基沉降量要求高，設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮地基處理方案，本文采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)深度至新鮮巖面，可以有效避免地基沉降，為后續(xù)檢定工作帶來方便。但此方案地基處理投資較大，有條件的工程可以通過對地基土的壓縮試驗(yàn)計(jì)算出具體沉降量，來選取最佳設(shè)計(jì)方案，同時(shí)可以節(jié)省工程投資。通過以上對轉(zhuǎn)子式流速儀檢定水槽設(shè)計(jì)方法上的分析，可以對同類工程的設(shè)計(jì)起到一定的參照和借鑒作用。

［參考文獻(xiàn)］

［1］GB/T21699-2008，直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準(zhǔn)方法［S］.

［2］SL274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］王慷.流速儀檢定設(shè)施重建的必然趨勢［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2011（4）.

［4］李琛，張錫永，張均順，邢瑞平.濰坊流速儀檢定水槽升級技術(shù)改造［J］.海洋通報(bào)，1999（2）.

［中圖分類號］P332

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1002－0624（2016）06－0001－03

[收稿日期]2015-12-26