新式量水堰測(cè)量?jī)x的研制與測(cè)評(píng)

劉錦芳 余思祥 林 偉

(國(guó)網(wǎng)福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建 三明 365100)

量水堰是一種通過堰頂水頭的測(cè)定來計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)通過堰口斷面水量的裝置，通常用于水電站或抽蓄電站的大壩、工程邊坡等水工建筑物的滲流監(jiān)測(cè)，一般設(shè)在渠道、水槽和溝渠中，常見的量水堰類型有三角堰、矩形堰和梯形堰。

根據(jù)《大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》(DL/T 1558—2016)要求，對(duì)于已安裝自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備的量水堰，需要人工測(cè)量進(jìn)行定期比測(cè)、校驗(yàn)和率定。因此，量水堰的人工測(cè)量，無論自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用與否，目前仍是不可或缺的一種測(cè)量方式。

1 傳統(tǒng)的人工測(cè)量弊端分析

傳統(tǒng)的量水堰(見圖1)水位測(cè)量，采用的是目視裝設(shè)在溝槽中鋼尺，讀取當(dāng)前水位刻度值，扣除堰板口底部水位高度數(shù)值，算出水頭，再通過關(guān)系式求出堰口斷面流量。

Q=kH2.5(三角堰)

圖1 典型三角堰結(jié)構(gòu)

或者

Q=kBH1.5

式中：Q為流量，m3/s；k為常數(shù)；B為堰寬，m；H為水頭，m。

由于溝槽一般位于地面上，測(cè)量時(shí)須俯身緊貼地面目視鋼尺，測(cè)量操作極其不便。且由于水的透明性，測(cè)量時(shí)視線無法平視鋼尺，由此帶來了測(cè)量誤差，有測(cè)試表明此誤差量最大可達(dá)1～3mm。因此，研制一種測(cè)量更便利、測(cè)量精度更高的儀器有著重要的意義。

2 儀器設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)指標(biāo)

由于量水堰處于潮濕的水環(huán)境周邊，為滿足實(shí)際測(cè)量的需要，新式測(cè)量?jī)x要達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：?高精度測(cè)量，新裝置能將原有的水位觀測(cè)精度1mm提高至0.1mm；?裝置能對(duì)水位進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)值應(yīng)真實(shí)可用；?裝置應(yīng)可靠耐用，抗干擾，適應(yīng)高度潮濕監(jiān)測(cè)環(huán)境；?裝置應(yīng)便于操作，測(cè)量過程簡(jiǎn)便、快捷。

2.2 設(shè)計(jì)方案構(gòu)思

新式測(cè)量?jī)x包含測(cè)量系統(tǒng)、整平系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和支架等結(jié)構(gòu)部件(見圖2)。其中支架起固定和支撐作用。整平系統(tǒng)對(duì)整個(gè)測(cè)量?jī)x進(jìn)行調(diào)平，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。報(bào)警系統(tǒng)對(duì)測(cè)針位置狀態(tài)進(jìn)行提示，保證測(cè)量的精度(見圖3)。測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)潮濕環(huán)境及水位變化的測(cè)量。

圖2 儀器結(jié)構(gòu)

圖3 測(cè)針細(xì)部

3 儀器實(shí)體簡(jiǎn)介

新式量水堰流量測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)和制作歷經(jīng)近1年，經(jīng)過數(shù)次改進(jìn)，最終成型并在水東電站大壩廊道投入使用。成型后的測(cè)量?jī)x主要結(jié)構(gòu)有：?測(cè)量系統(tǒng)：不銹鋼測(cè)針、刻度尺副和移動(dòng)轉(zhuǎn)輪等；?整平系統(tǒng)：整平螺絲、萬向水平儀、上承板和下承板；?接地報(bào)警系統(tǒng)：電源及開關(guān)、蜂鳴器、控制芯片和導(dǎo)線；?支架結(jié)構(gòu)：懸臂、斜撐和支柱。系統(tǒng)各部分組成如圖4所示。

圖4 新式測(cè)量?jī)x實(shí)體

刻度尺副材質(zhì)為不銹鋼+表層鍍膜防腐，以游標(biāo)卡尺的原理制作而成，主尺刻度1mm，副尺刻度10格，每格0.9mm，可實(shí)現(xiàn)0.1mm水位變化的測(cè)量(見圖5)。

圖5 測(cè)針刻度尺

萬向水平儀是利用液體流動(dòng)和液面水平的原理，以水準(zhǔn)氣泡直接顯示角位移，測(cè)量相對(duì)于水平位置微小傾角的一種角度測(cè)量器具。新式測(cè)量?jī)x采用的是高精度的萬向水平儀，DIV值低至2/1000，角度測(cè)量精度可達(dá)0.1°(見圖6)。

圖6 萬向水平儀

新式量水堰流量測(cè)量?jī)x的測(cè)針與支架高度絕緣隔離，接地報(bào)警器一端通過支架連接大地，一端與測(cè)針相連，當(dāng)測(cè)針與地表液面接觸時(shí)可接通電路觸發(fā)報(bào)警，報(bào)警電流小于1mA。為適應(yīng)周邊復(fù)雜的環(huán)境及提高設(shè)備的耐用性，對(duì)接地報(bào)警器進(jìn)行密閉式封裝，封裝設(shè)計(jì)如圖7所示，其中橡膠圈用于防潮隔水，可拆卸式接線頭方便設(shè)備維護(hù)和更換，預(yù)留螺絲孔固定接地報(bào)警器。

圖7 接地報(bào)警器內(nèi)部

4 使用效果評(píng)測(cè)

4.1 精度測(cè)試

為驗(yàn)證新式測(cè)量?jī)x的各項(xiàng)性能，在設(shè)備安裝后歷時(shí)數(shù)月、共上百次的跟蹤測(cè)量，取得了500多個(gè)比測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，為驗(yàn)證儀器的精準(zhǔn)性，采用容積法對(duì)水量進(jìn)行驗(yàn)證比測(cè)。各種測(cè)量方式的測(cè)量效果對(duì)比見表1。

表1 水東電站廊道量水堰WE4流量數(shù)據(jù)比測(cè)(均值) 單位：L/S

表2 測(cè)量精度對(duì)比

容積法測(cè)量的準(zhǔn)確性相對(duì)鋼尺是較高的，可以以容積法為參照。新式測(cè)量?jī)x的觀測(cè)誤差極小，水位觀測(cè)中誤差為0.04mm左右，流量標(biāo)準(zhǔn)差為0.00005L/s左右；觀測(cè)時(shí)各個(gè)測(cè)次之間的差值均不大于0.20mm，滿足混凝土壩監(jiān)測(cè)規(guī)范的要求。由圖8可以看出，新式測(cè)針與容積法測(cè)量的結(jié)果高度一致，由此可見本裝置的測(cè)值是高度精準(zhǔn)可信的。

圖8 三種測(cè)量方式流量比測(cè)過程線

4.2 同類產(chǎn)品運(yùn)用效果對(duì)比

新式測(cè)量?jī)x投入使用后取得了良好的測(cè)量效果，與其他儀器的測(cè)量方式相比，優(yōu)勢(shì)明顯(見表3)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

表3 各種測(cè)量方式優(yōu)勢(shì)對(duì)比

a.與鋼尺測(cè)量方式相比，新裝置能測(cè)量到小于1mm的水位變化，誤差更小，精度更高。且通過整平裝置的調(diào)平，測(cè)針各個(gè)方向的傾斜度不超過±0.1°(保守估計(jì)值，理論傾斜度為0.00°～±0.02°之間)，相對(duì)于鋼尺，準(zhǔn)確度更高。新式測(cè)量?jī)x的使用，能使測(cè)量工作更人性化、便利，測(cè)量結(jié)果更符合規(guī)范要求。

b.與容積法測(cè)量方式相比，新式測(cè)量?jī)x可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)比的操作，測(cè)量功能更強(qiáng)大。容積法測(cè)量需兩人配合測(cè)量，耗時(shí)耗力效率低，新式測(cè)量?jī)x測(cè)量時(shí)僅需一人操作，無須易耗品，半分鐘內(nèi)即可完成觀測(cè)。

c.一般而言，其他類型的測(cè)針裝置是采用鉛垂線來控制傾斜度的，然后再固定儀器測(cè)針，當(dāng)測(cè)針傾斜度輕微變化時(shí)肉眼是無法察覺的。與其他測(cè)針裝置相比，新式測(cè)量?jī)x的傾斜度實(shí)時(shí)可查，隨時(shí)可調(diào)，測(cè)量準(zhǔn)確性高于其他測(cè)針裝置。且由于整平裝置的存在，新式測(cè)針裝置的安裝位置對(duì)地形要求較低，無須平整的地面就能安裝使用，適用性遠(yuǎn)高于其他測(cè)針裝置。新式測(cè)量?jī)x裝有接地報(bào)警器，報(bào)警電流小于1mA，屬于微安級(jí)報(bào)警器，當(dāng)測(cè)針針尖與水面有0.001mm2的接觸面積時(shí)即可觸發(fā)報(bào)警，測(cè)量靈敏度相當(dāng)高。

4.3 應(yīng)用領(lǐng)域分析

a.新式測(cè)量?jī)x器可用于量水堰、繞壩滲流孔、地下水位孔、集水井、蓄水池、水工實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷鹊乃患傲髁康木_測(cè)量，也可用于建筑物之間的相對(duì)沉降，如大壩各壩段的相對(duì)沉降、房屋建筑物的相對(duì)沉降，滑坡體的相對(duì)沉降等的精確測(cè)量。

b.當(dāng)測(cè)針固定時(shí)，通過接地報(bào)警器升級(jí)，把接地電流轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為水位超限報(bào)警之用，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

c.本測(cè)量?jī)x可廣泛用于水工領(lǐng)域、水文領(lǐng)域、建筑物監(jiān)測(cè)和市政工程(蓄水池的滿水試驗(yàn))等的相關(guān)領(lǐng)域。

圖9為新測(cè)量?jī)x效果圖。

圖9 新測(cè)量?jī)x效果圖

5 結(jié) 語

a.新式測(cè)量?jī)x屬于獨(dú)創(chuàng)性產(chǎn)品，產(chǎn)品創(chuàng)新性地加入高精度的整平系統(tǒng)，確保了測(cè)針的垂直度，保證了測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性，這是其他類型的測(cè)針?biāo)鶝]有的。

b.新式測(cè)量?jī)x加入了微安級(jí)的接地報(bào)警器，能在測(cè)針碰觸水面的一瞬間發(fā)出警報(bào)，儀器靈敏度遠(yuǎn)高于同類產(chǎn)品。

c.本測(cè)量?jī)x的工作環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，在傾斜的地面和空氣濕度達(dá)100%的地方均能使用，裝置通體使用高強(qiáng)度304不銹鋼，采用不銹鋼焊接拼接工藝，確保裝置耐用、穩(wěn)定、不生銹。

d.微安級(jí)的電流報(bào)警與高度的對(duì)地絕緣是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，特別是在量水堰這種潮濕的環(huán)境下，本測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)的巧妙之處在于既能牢固地固定測(cè)針，又能在測(cè)針到達(dá)水面之前保持高度的對(duì)地絕緣，這種設(shè)計(jì)使得本測(cè)量?jī)x具有很強(qiáng)的適用性。