CN103148836B - 泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法 - Google Patents

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本发明公开了一种泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法。为了解决现有仪器设备无法进行水面高程测量，泄槽水流的水面高程和流动状态难以判断的问题，所述测量方法在泄槽的侧墙上安装不少于3个高掺气浓度传感器，且这些高掺气浓度传感器布置在掺气水流的表层区域；然后对高掺气浓度传感器的每个电极组依次进行现场率定，并对实际测得的掺气浓度值进行校验和修正；最后根据修正后的掺气浓度分析判断水流的水面高程、水雾流高程和气雾流高程。本发明同时提供了表层掺气水体流动类型与掺气浓度的界定标准，适用于泄水建筑物水力学原型观测。

Description

泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法
技术领域
本发明涉及一种泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法。
背景技术
水库和湖泊的自由水面、平缓河道水流的自由水面等与空气有明确的交界面，测量水面高程可以用水尺、浮子式水位计、水压式水位计、超声波水位计等仪器设备。
对于高水头泄水建筑物而言，由于高速水流与空气的剪切作用，水流表面破碎，水质点紊动剧烈将空气卷入水中从而造成表层水体高度掺气，卷入的空气以气泡形态从表层向深度方向转移扩散，泄槽水流形成一种气液两相流动，且表层水体掺气浓度高。高速水流的表层水体水气掺混，呈泡沫或白絮状，无明确的水气交界面，现有的仪器设备无法进行水面高程测量，泄槽水流的水面高程和流动状态难以判断。
发明内容
针对现有仪器设备无法进行水面高程测量，泄槽水流的水面高程和流动状态难以判断的问题，本发明旨在提供一种泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，该方法利用高掺气浓度传感器测量表层掺气水体的掺气浓度，然后分析判断水流水面高程、水雾流高程和气雾流高程。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
1）根据泄水建筑物泄槽下泄的水流流量Q和流速V，初步计算测量断面处的水深和掺气水深其中b为泄槽槽宽，ζ为修正系数，可取1.0s/m～1.4s/m；在所述泄槽的侧墙上安装不少于3个高掺气浓度传感器，且这些高掺气浓度传感器布置在水深h到掺气水深hb段之间掺气水流的表层区域；
2）对高掺气浓度传感器的每个电极组依次进行现场率定，建立每个电极组各自的掺气浓度与掺气电阻的函数关系；
3）在实际测量时，测读每个电极组的掺气浓度值ci，然后对掺气浓度值ci进行校验和修正；
4）根据修正后的掺气浓度分析判断水流的水面高程、水雾流高程和气雾流高程，以掺气浓度为50%的位置作为水面高程，以掺气浓度为66.67%的位置作为水雾流高程，以掺气浓度为83.33%的位置作为气雾流高程。
进一步地，对于修正系数ζ的取值，根据流速V确定，流速越大，ζ的取值趋近上限值1.4s/m，流速越低，则ζ的取值趋近下限值1.0s/m。
在本发明步骤4）中，将水雾流高程作为侧墙结构设计的水面高程。
在本发明步骤3）中，对实际掺气浓度值ci校验和修正方法为采用同一传感器测得多个独立的数据，去掉不合理的点，然后取平均值。
所述高掺气浓度传感器的结构为，包括面板，镶嵌在面板上的多个电极片，每个电极片与一根相应的引出线相连；其结构特点是，所述电极片至少为三个。
进一步地，相邻电极片之间的清水电阻值为100Ω～200Ω。所述清水电阻值即将两个电极片置于清水中，测量两电极片之间的电阻值，所谓清水是指水中不含空气泡，一般而言清水电阻小，含气的水电阻大。
进一步地，所述电极片的横截面优选为扁平的长方形，相邻两个电极片平行且间距相等，通过缩小相邻两个电极片之间的间距，降低清水电阻，提高电场强度，从而提高传感器的测量精度，减小测量误差。通用掺气浓度传感器的清水电阻值一般为800Ω～1000Ω，而本发明相邻电极片之间的清水电阻值控制在100Ω～200Ω，当测量50%以上掺气浓度时，精度提高4倍以上。
进一步地，所述电极片优选为3～5个。
为了固定所述传感器，在所述面板上开有与通用底座对应的螺丝孔。
所述面板为绝缘材料制成，所述面板整体呈圆盘状。
由于高流速水质点卷入的空气以气泡形态存在表层水体中，其分布是不均匀的，理论分析和试验结果表明，掺气浓度沿法向符合正态分布。根据工程原型观测经验与认知习惯，可以将表层掺气水体划分为3种类型：水流、雾流和气流；雾流又可进一步细分为水雾流和气雾流。
掺气浓度是水气二相流中空气气泡体积占混合水体体积的百分比。结合标准正态分布函数的“3σ规则”，以掺气浓度为界定标准，分析拟定了掺气浓度与表层掺气水体流动类型的界定标准，见表1。
表1  表层掺气水体流动类型与掺气浓度界定标准
本发明步骤2）中对高掺气浓度传感器每个电极组依次进行现场率定，建立每个电极组各自的掺气浓度与掺气电阻的函数关系的步骤为：
1、调满度，给定掺气仪调零电阻R0=100（调零电阻R0根据现场水温、水质及导线长度等实际条件确定），用电阻箱输入电阻值为100，掺气仪掺气浓度调零C=0；
2、将掺气浓度Ci、调零电阻R0=100，代入麦克斯韦公式： R = 2 + C 2 - 2 C × R 0 , 求得掺气电阻Ri；
3、现场率定时，在掺气传感器的两极间，输入电阻Ri各值，读出Ci’各值（C’为：R0=100，含长导线影响的掺气浓度）；
4、用线性回归分析，建立C～C’的函数关系；
5、观测时，记录
6、将观测的值；代入C～C’的函数关系，求得值，为调零电阻R0=100时不含长导线影响的掺气浓度；
7、将掺气浓度调零电阻R0=100，代入麦克斯韦公式，求得掺气电阻对于清水传感器，掺气电阻即为清水电阻
8、根据清水传感器的清水电阻利用清水传感器与测点传感器的电阻比值，求得测点传感器的清水电阻
9、将掺气电阻清水电阻代入公式即可求得掺气浓度C。
以下以一个具体实例详细说明：
1、R0=100，Ci＝40～90，求得Ri＝200～1450，见表2；
2、在传感器的两极间，输入电阻Ri＝200～1450，得到Ci’＝38.4～91.6；
3、建立C～C’的函数关系，C＝0.986C’+0.560；
4、假设实测掺气浓度求得：掺气电阻
5、若清水传感器实测掺气浓度求得：掺气电阻 清水传感器与测点传感器的电阻率定比值＝0.9，则测点传感器的清水电阻 R ‾ 0 = 110.4 × 0.9 = 99.4 ;
6、掺气电阻清水电阻代入公式求得掺气浓度C=64.5。
表2
表3
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用高掺气浓度传感器测量表层掺气水体的掺气浓度，然后分析判断水流水面高程的方法，本发明同时提供了表层掺气水体流动类型与掺气浓度的界定标准，适用于泄水建筑物水力学原型观测。
说明书附图
图1为本发明的泄槽断面表层掺气水体高程曲线图；
图2是本发明所述高掺气浓度传感器的结构示意图；
图3是图2的纵向剖面图。
其中：1—电极片；2—引出线；3—面板；4—螺丝孔。
具体实施方式
一种泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，包括下列步骤：
1）根据泄水建筑物泄槽下泄的水流流量Q和流速V，初步计算测量断面处的水深和掺气水深其中b为泄槽槽宽，ζ为修正系数，可取取1.0s/m～1.4s/m，流速大者取大值；在所述泄槽的侧墙上安装不少于3个高掺气浓度传感器，且这些高掺气浓度传感器布置在水深h到掺气水深hb段之间掺气水流的表层区域；
2）对高掺气浓度传感器的每个电极组依次进行现场率定，建立每个电极组各自的掺气浓度与掺气电阻的函数关系；
3）在实际测量时，测读每个电极组的掺气浓度值ci，然后对掺气浓度值ci进行校验和修正；
4）根据修正后的掺气浓度分析判断水流的水面高程、水雾流高程和气雾流高程，以掺气浓度为50%的位置作为水面高程，以掺气浓度为66.67%的位置作为水雾流高程，以掺气浓度为83.33%的位置作为气雾流高程。
在本发明步骤4）中，将水雾流高程作为侧墙结构设计的水面高程。
所述高掺气浓度传感器有3个平行的电极片，电极片截面尺寸为10mm×5mm，长度40mm，电极片间距为5mm，相邻电极片之间的清水电阻值为200Ω，3个电极片形成3个独立的电极组；
对泄水建筑物泄槽的5个断面进行掺气浓度测量，每个测量断面安装5个高掺气浓度传感器。测量断面桩号、测点高程、掺气浓度等数据见表2；
根据表4的数据，通过插值计算，分别求得泄槽各断面的水面高程和水雾流高程，见表5及图1。
表4掺气浓度测量成果表
表5  泄槽测量断面表层掺气水体高程表
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)根据泄水建筑物泄槽下泄的水流流量Q和流速V，初步计算测量断面处的水深和掺气水深其中b为泄槽槽宽，ζ为修正系数，可取1.0s/m～1.4s/m；在所述泄槽的侧墙上安装不少于3个高掺气浓度传感器，且这些高掺气浓度传感器布置在水深h到掺气水深hb段之间掺气水流的表层区域；
2)对高掺气浓度传感器的每个电极组依次进行现场率定，建立每个电极组各自的掺气浓度与掺气电阻的函数关系；
3)在实际测量时，测读每个电极组的掺气浓度值ci，然后对掺气浓度值ci进行校验和修正；
4)根据修正后的掺气浓度ci分析判断水流的水面高程、水雾流高程和气雾流高程，以掺气浓度为50％的位置的高程作为水面高程，以掺气浓度为66.67％的位置的高程作为水雾流高程，以掺气浓度为83.33％的位置的高程作为气雾流高程。
2.根据权利要求1所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，步骤4)中，将水雾流高程作为侧墙结构设计的水面高程。
3.根据权利要求1所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，步骤3)中，对实际掺气浓度值ci校验和修正方法为采用同一传感器测得多个独立的数据，去掉不合理的点，然后取平均值。
4.根据权利要求1所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，所述高掺气浓度传感器的结构为，包括面板(3)，镶嵌在面板(3)上的多个电极片(1)，每个电极片(1)与一根相应的引出线(2)相连；其特征在于，所述电极片(1)至少为三个。
5.根据权利要求4所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，所述电极片(1)的横截面为扁平的长方形，相邻两个电极片(1)平行且间距相等。
6.根据权利要求4所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，相邻电极片(1)之间的清水电阻值为100Ω～200Ω。
7.根据权利要求4所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，所述面板(3)上开有与通用底座对应的螺丝孔(4)。
8.根据权利要求4所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，所述面板(3)为绝缘材料制成。
9.根据权利要求4所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，所述电极片(1)有3～5个。
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