劉錦芳 余思祥 林 偉

(國網(wǎng)福建水口發(fā)電集團有限公司，福建 三明 365100)

量水堰是一種通過堰頂水頭的測定來計算單位時間內(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，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)測系統(tǒng)運行維護規(guī)程》(DL/T 1558—2016)要求，對于已安裝自動化測量設(shè)備的量水堰，需要人工測量進行定期比測、校驗和率定。因此，量水堰的人工測量，無論自動化監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用與否，目前仍是不可或缺的一種測量方式。

1 傳統(tǒng)的人工測量弊端分析

傳統(tǒng)的量水堰(見圖1)水位測量，采用的是目視裝設(shè)在溝槽中鋼尺，讀取當前水位刻度值，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，測量時須俯身緊貼地面目視鋼尺，測量操作極其不便。且由于水的透明性，測量時視線無法平視鋼尺，由此帶來了測量誤差，有測試表明此誤差量最大可達1～3mm。因此，研制一種測量更便利、測量精度更高的儀器有著重要的意義。

2 儀器設(shè)計思路及設(shè)計指標

2.1 項目設(shè)計指標

由于量水堰處于潮濕的水環(huán)境周邊，為滿足實際測量的需要，新式測量儀要達到以下幾點要求：?高精度測量，新裝置能將原有的水位觀測精度1mm提高至0.1mm；?裝置能對水位進行準確測量，測值應(yīng)真實可用；?裝置應(yīng)可靠耐用，抗干擾，適應(yīng)高度潮濕監(jiān)測環(huán)境；?裝置應(yīng)便于操作，測量過程簡便、快捷。

2.2 設(shè)計方案構(gòu)思

新式測量儀包含測量系統(tǒng)、整平系統(tǒng)、報警系統(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)對整個測量儀進行調(diào)平，保證測量的準確性。報警系統(tǒng)對測針位置狀態(tài)進行提示，保證測量的精度(見圖3)。測量系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)潮濕環(huán)境及水位變化的測量。

圖2 儀器結(jié)構(gòu)

圖3 測針細部

3 儀器實體簡介

新式量水堰流量測量儀的設(shè)計和制作歷經(jīng)近1年，經(jīng)過數(shù)次改進，最終成型并在水東電站大壩廊道投入使用。成型后的測量儀主要結(jié)構(gòu)有：?測量系統(tǒng)：不銹鋼測針、刻度尺副和移動轉(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 新式測量儀實體

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

圖5 測針刻度尺

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

圖6 萬向水平儀

新式量水堰流量測量儀的測針與支架高度絕緣隔離，接地報警器一端通過支架連接大地，一端與測針相連，當測針與地表液面接觸時可接通電路觸發(fā)報警，報警電流小于1mA。為適應(yīng)周邊復(fù)雜的環(huán)境及提高設(shè)備的耐用性，對接地報警器進行密閉式封裝，封裝設(shè)計如圖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)備維護和更換，預(yù)留螺絲孔固定接地報警器。

圖7 接地報警器內(nèi)部

4 使用效果評測

4.1 精度測試

為驗證新式測量儀的各項性能，在設(shè)備安裝后歷時數(shù)月、共上百次的跟蹤測量，取得了500多個比測數(shù)據(jù)。同時，為驗證儀器的精準性，采用容積法對水量進行驗證比測。各種測量方式的測量效果對比見表1。

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

表2 測量精度對比

容積法測量的準確性相對鋼尺是較高的，可以以容積法為參照。新式測量儀的觀測誤差極小，水位觀測中誤差為0.04mm左右，流量標準差為0.00005L/s左右；觀測時各個測次之間的差值均不大于0.20mm，滿足混凝土壩監(jiān)測規(guī)范的要求。由圖8可以看出，新式測針與容積法測量的結(jié)果高度一致，由此可見本裝置的測值是高度精準可信的。

圖8 三種測量方式流量比測過程線

4.2 同類產(chǎn)品運用效果對比

新式測量儀投入使用后取得了良好的測量效果，與其他儀器的測量方式相比，優(yōu)勢明顯(見表3)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

表3 各種測量方式優(yōu)勢對比

a.與鋼尺測量方式相比，新裝置能測量到小于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，測針各個方向的傾斜度不超過±0.1°(保守估計值，理論傾斜度為0.00°～±0.02°之間)，相對于鋼尺，準確度更高。新式測量儀的使用，能使測量工作更人性化、便利，測量結(jié)果更符合規(guī)范要求。

b.與容積法測量方式相比，新式測量儀可實現(xiàn)實時測量對比的操作，測量功能更強大。容積法測量需兩人配合測量，耗時耗力效率低，新式測量儀測量時僅需一人操作，無須易耗品，半分鐘內(nèi)即可完成觀測。

c.一般而言，其他類型的測針裝置是采用鉛垂線來控制傾斜度的，然后再固定儀器測針，當測針傾斜度輕微變化時肉眼是無法察覺的。與其他測針裝置相比，新式測量儀的傾斜度實時可查，隨時可調(diào)，測量準確性高于其他測針裝置。且由于整平裝置的存在，新式測針裝置的安裝位置對地形要求較低，無須平整的地面就能安裝使用，適用性遠高于其他測針裝置。新式測量儀裝有接地報警器，報警電流小于1mA，屬于微安級報警器，當測針針尖與水面有0.001mm2的接觸面積時即可觸發(fā)報警，測量靈敏度相當高。

4.3 應(yīng)用領(lǐng)域分析

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

b.當測針固定時，通過接地報警器升級，把接地電流轉(zhuǎn)換成電信號，可作為水位超限報警之用，并可實現(xiàn)遠程監(jiān)控的功能。

c.本測量儀可廣泛用于水工領(lǐng)域、水文領(lǐng)域、建筑物監(jiān)測和市政工程(蓄水池的滿水試驗)等的相關(guān)領(lǐng)域。

圖9為新測量儀效果圖。

圖9 新測量儀效果圖

5 結(jié) 語

a.新式測量儀屬于獨創(chuàng)性產(chǎn)品，產(chǎn)品創(chuàng)新性地加入高精度的整平系統(tǒng)，確保了測針的垂直度，保證了測量的精度和準確性，這是其他類型的測針所沒有的。

b.新式測量儀加入了微安級的接地報警器，能在測針碰觸水面的一瞬間發(fā)出警報，儀器靈敏度遠高于同類產(chǎn)品。

c.本測量儀的工作環(huán)境適應(yīng)力強，在傾斜的地面和空氣濕度達100%的地方均能使用，裝置通體使用高強度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.微安級的電流報警與高度的對地絕緣是本項目設(shè)計的一個難點，特別是在量水堰這種潮濕的環(huán)境下，本測量儀設(shè)計的巧妙之處在于既能牢固地固定測針，又能在測針到達水面之前保持高度的對地絕緣，這種設(shè)計使得本測量儀具有很強的適用性。