CN1078804A - 用核子方法测量大坝泄洪雾化浓度 - Google Patents

Abstract

一种采用γ射线或β射线测量大坝泄洪雾化浓 度的方法。其步骤是先在室内进行标定试验，测量γ 射线与β射线的净水与净气计数率，找出含水量与 计数率的关系，实测时在现场做好断面选择，将探测 系统置入事先选定的位置及测点，进入γ、β射线的计 数率测量，即可计算出各测点的雾化浓度。

Description

本发明属于利用核子技术进行测量以研究或分析材料，特别涉及一种用γ射线或β射线测量雾化场内水雾浓度的方法。

水电站大坝泄洪，在坝区附近会形成雾化场，雾化场内雨雾浓度分布不均，大到暴雨状和强暴雨状。这一现象对坝区周围环境会造成恶劣影响，严重的会使厂房倒塌、公路塌陷、电厂跳闸，甚至出现人身事故。对于雾化场的研究，对雾化原因分析以及对雾化灾害的预防研究，均需对大坝泄洪形成雾化的机理加以研究，这就需要对泄洪形成的雾化场内的雨雾浓度进行观测。由于雾化场的三维空间内各点的雾化浓度是不均匀的，更主要的是泄洪时水流的流速和流量十分巨大，雾化区域内危险性大，测量人员不能靠近观测点，因而迄今为止，尚无有效的技术和方法能很好地解决这一测试难题。

目前，水电站大坝泄洪雾化浓度的测量，仅限于采用常规雨量计，或者模拟雨量计的铁皮桶容器，固定安装在坝区附近地面或山崖上选择的若干测点，测定整个泄洪过程雾化的总水量。因而它只能给出布置测点的总水量，而无法得知泄洪过程中水雾浓度及其变化情况，更不能得知雾化场三维空间其它所需测点的水雾浓度数据。在实际测量中，还会出现水桶（或雨量计）积水量远远超过水桶容积溢出容器，而无法测出水量，或者水桶被强暴雨冲翻、冲毁，而得不到测试资料。

而采用核子方法进行测量在其它领域尚有应用，如采用γ射线吸收法测量土壤密度、淤泥密度，采用β射线吸收法测量纸张厚度、玻璃厚度。但它们的探测系统是不能应用于测量雾化浓度的。

本发明的目的就是要用核子方法测量大坝泄洪雾化浓度。

本发明的构思是利用γ-射线吸收法及β-射线吸收法，通过测量水雾密度，测量雾化浓度数据。其测量原理是：当γ射线或β射线穿透物质时，会被物质吸收，并遵循公式：

式中

为γ（或β）射线的初始强度;I为被物质吸收以后的γ（或β）射线强度; 为物质对γ（或β）射线的质量吸收系数;ρ为物质密度，对雾化水量来说也反映雾化浓度;d为探测器及与放射源距离，也称源距。由此，只要固定放射源（γ或β）、探测器及源距d，制成探测系统，并将探测系统置入测试雾化浓度的测点，就可以通过对γ（或β）射线强度的测量，得知该测点的雾化浓度数据。

由于物质对β射线的吸收能力远大于对γ射线的吸收能力，因而在大坝泄洪雾化浓度测量中，在雾化浓度强的区域（暴雨区或强暴雨区），选用γ射线探测系统，而在薄雾区选用β射线探测系统。

图1为本发明所采用的γ射线探测系统的结构形式示意图，探测系统为框架结构，其中框架1的一侧安装γ射线源2，采用镅-241点状源;另一侧安装γ射线探测器3，探测器3由碘化钠（或铊）晶体与光电倍增管组成;探测器3测量γ射线4所产生的信号，经信号电缆5送至记录仪器;探测器3接收的γ射线强度决定于进入框架1内的水雾6的浓度，因而探测器3的输出信号仅与测试框架1内的水雾浓度有关。

图2为本发明所采用的β射线探测系统的结构示意图，探测系统仍为一框架结构，其中框架7一侧安装β射线源8，采用锶-90平面源，面积为7×7cm²;另一侧安装β探测器9，由塑料闪烁体与光电倍增管组成。同样，探测器9测量β射线10所产生的信号经跟随器13和信号电缆11送至记录仪器。探测器9接收的β射线强度决定於进入框架1的水雾12的浓度。因而探测器9的输出信号仅与测试框架1内的水雾浓度有关。

本发明所述测量方法的具体步骤为：

（1）校验仪器：将上述的探测系统配合常规射线记录仪，进行γ、β射线测试试验，以选定各探测器的工作点，即选定光电倍增管的工作电压和选定探测信号幅度的阀电压，並测定测试系统工作的稳定性能。

（2）室内标定：用上述的探测系统测试不同水雾浓度条件下的射线计数率。γ射线计数率N与雾化浓度M的关系为M＝（InN₀-InN）/InN₀-ImN_＊（公式1），由于探测的γ射线计数率随水雾浓度呈线性变化，故只需测出雾化浓度为0（净气）的计数率N_＊，与全部雾化，即雾化浓度为100%（净水）的计数率N_水。对于β射线测量，其射线计数率N与雾化浓度M的关系为KM＝InN₀/N（公式2），首先测出雾化浓度为0（净气）的β射线计数率N₀，再使用滤纸均匀吸附一定量水份，在上述β射线探测系统框架内改变浸水滤纸层厚，探测β射线计数率N的变化，以确定框架内水量与计数率关系曲线，得出曲线常数K。

（3）选择测点：根据泄洪现场水电站大坝、泄洪洞等水工建筑物的布置，分析泄洪落水点位置、浓雾区位置及雾化场范围。在浓雾区域由于测量人员无法靠近现场，即采用固定绳索选择若干测量断面，用混凝土浇筑断面线的固定点，以便在断面线上安装γ射线探测系统，并在断面上选择测量垂线位置和在测线上选择测点位置。在薄雾区选择若干测点、并做好标记，实际测量时供观测人员携带仪器及β射线探测器在测试点用竹杆控制探测器高程进行雾化浓度测量。

（4）现场空白试验：由於大坝泄洪时，水流量大，流急，十分危险，为保证泄洪时现场测量的安全，并可靠的取得测试资料，在正式泄洪放水以前，没有洪水的条件下，将所有测量装置按照正式泄洪时的测量要求安装好，进行探测器选点操作和γ射线、β射线的测量操作，检查各方面配合情况、探测系统运行情况，如发现问题即时解决，以保证正式泄洪测试时安全可靠准确无误。

（5）实际泄洪观测：经过现场准备工作以后，水电站大坝泄洪放水时，核子方法即可正式投入雾化浓度测量。在浓雾区用绳索将γ射线探测系统送至测试区域，用专用绳索控制探测器的位置和高程，在选择的测量断面上的固定垂线上循迴选点进行雾化浓度测量。雾化浓度信号经电缆5（如图1所示）输送至雾区以外的记录仪，可以记录雾区内不同断面、不同垂线和不同测点在不同泄洪时间的雾化浓度。在薄雾区，测试人员携带测试仪器及探测器，对选定的固定测点，循迴做不同高程位置的雾化浓度测量。

（6）数据整理分析：将实测得的γ射线和β射线计数率分别代入上述公式1或公式2，即可得知不同测点的雾化浓度，将各测点不同时间所测量的雾化浓度数据进行整理，用作标图表示，即可得泄洪过程中各个测点雾化浓度随泄洪时间的变化过程，及各测点的雾化浓度分布图。

图1为本发明所采用的γ射线雾化探测系统结构示意图。

图2为本发明所采用的β射线雾化探测系统结构示意图。

图3为本发明实施例1中所选测量断面上某测线上各测点雾化浓度分布图。

图4为本发明实施例1中所选测量断面上某测线上各测点在泄洪过程中雾化浓度随时间变化分布图。

图5为本发明实施例2薄雾区中各测点雾化浓度分布图。

图6为为本发明实施例1中所选测量断面各测线及各测点布置图。

实施例1.在浓雾区某一观测断面上，采用γ射线探测系统进行测量，如图1所示，探测器3选用碘化钠晶体与光电倍增管（GDB-23）相配合，应用镅-241点状源，通过室内标定测得γ射线净气计数率N₀、净水计数率N_水分别为N₀＝105492.4，N_水＝1843。在观测断面上选择若干测量垂线，可用绳索14固定断面两端，如图6所示，再用滑轮在绳索上运行至所定测线位置，再控制探测器高度至所要求的测点位置，在每个测量垂线上分别选择上、中、下3个测点，分别在泄洪闸门开度为1/5、3/5、5/5时对其进行测量，得知各测点的γ射线计数率N，将它们分别代入上述公式1，即可计算出各测点的雾化浓度W，例如某一测线的测量数据如下：

闸门开度        1／5

时间                15：10

测点                上            中            下

计数率N        103788      103978    103871

雾化浓度W    4‰            3.6‰      3.8‰

闸门开度      3／5

时间              15：35

测点                上            中            下

计数率N          103436    103728    103251

雾化浓度W      4.9‰      4.2‰      5.3‰

闸门开度        5／5

时间                15：50

测点                上            中            下

计数点N        102888      102760    102510

雾化浓度W    6.2‰          6.5‰    7.1‰

将以上数据用坐标图表示，即得到该测线的雾化浓度随深度变化的分布图，如图3所示。同样，将测量时间代入坐标图即得到该测线在泄洪过程中雾化浓度随时间的变化情况，如图4所示。

实施例2、在薄雾区由测试人员携带β射线探测器到预定各测点进行测量。如图2所示，β射线源采用β平面源锶-90，探测器9为塑料闪烁体与GDB-28光电倍增管相配合。室内标定，测得β射线探测净水计数率N₀＝95728.7，利用虑纸湿水测得水雾浓度M与β射线计数率N关系曲线常数K＝2.88。分别在闸门开度为1/5、3/5、5/5时在各预定测点进行测量，测得其β计数率N，代入上述公式2，即可得知各测点的雾化浓度，数据如表1，其中含水量即为雾化浓度。制作坐标图（如图5所示），图中曲线即表示了薄雾区内沿各测点的雾化浓度变化。

Claims (1)

1、一种用核子方法测量大坝泄洪雾化浓度的方法，其特征在于它采用γ射线探测系统在雾化浓度强的区域进行测量，而在薄雾区则选用β射线探测系统；γ射线探测系统的结构为框架结构，其中框架(1)的一侧安装γ射线源(2)，采用镅-241点状源，另一侧安装γ射线探测器(3)，探测器(3)由碘化钠(或铊)晶体与光电倍增管组成，探测器(3)测量γ射线(4)所产生的信号，经信号电缆(5)送至记录仪器；β射线探测系统的结构仍为一框架结构，其中框架(7)一侧安装β射线源(8)，采用锶-90平面源，另一侧安装β探测器(9)，由塑料闪烁体与光电倍增管组成，探测器(9)测量β射线(10)所产生的信号经跟随器(13)和信号电缆(11)送至记录仪器。；具体测量步骤为：

(1)校验仪器：将上述的探测系统配合常规射线记录仪，进行γ、β射线测试试验，以选定各探测器的工作点，即选定光电倍增管的工作电压和选定探测信号幅度的阀电压，並测定测试系统工作的稳定性能；

(2)室内标定：用上述的探测系统测试不同水雾浓度条件下的射线计数率；γ射线计数率N与雾化浓度M的关系为M=(InN₀-InN)/InN₀-ImN_水(公式1)，由于探测的γ射线计数率随水雾浓度呈线性变化，故只需测出雾化浓度为0(净气)的计数率N₀，与全部雾化，即雾化浓度为100%(净水)的计数率N_水；对于β射线测量，其射线计数率N与雾化浓度M的关系为KM=InN₀/N(公式2)，首先测出雾化浓度为0(净气)的β射线计数率N₀，再使用滤纸均匀吸附一定量水份，在上述β射线探测系统框架内改变浸水滤纸层厚，探测β射线计数率N的变化，以确定框架内水量与计数率关系曲线，得出曲线常数K；

(3)选择测点：根据泄洪现场水电站大坝、泄洪洞等水工建筑物的布置，分析泄洪落水点位置、浓雾区位置及雾化场范围；在浓雾区域由于测量人员无法靠近现场，即采用固定绳索选择若干测量断面，用混凝土浇筑断面线的固定点，以便在断面线上安装γ射线探测系统，并在断面上选择测量垂线位置和在测线上选择测点位置；在薄雾区选择若干测点、并做好标记，实际测量时供观测人员携带仪器及β射线探测器在测试点用竹杆控制探测器高程进行雾化浓度测量；

(4)现场空白试验：由於大坝泄洪时，水流量大，流急，十分危险，为保证泄洪时现场测量的安全，并可靠的取得测试资料，在正式泄洪放水以前，没有洪水的条件下，将所有测量装置按照正式泄洪时的测量要求安装好，进行探测器选点操作和γ射线、β射线的测量操作，检查各方面配合情况、探测系统运行情况，如发现问题即时解决，以保证正式泄洪测试时安全可靠准确无误；

(5)实际泄洪观测：经过现场准备工作以后，水电站大坝泄洪放水时，核子方法即可正式投入雾化浓度测量；在浓雾区用绳索将γ射线探测系统送至测试区域，用专用绳索控制探测器的位置和高程，在选择的测量断面上的固定垂线上循迴选点进行雾化浓度测量；雾化浓度信号经电缆(5)输送至雾区以外的记录仪，可以记录雾区内不同断面、不同垂线和不同测点在不同泄洪时间的雾化浓度；在薄雾区，测试人员携带测试仪器及探测器，对选定的固定测点，循迴做不同高程位置的雾化浓度测量；

(6)数据整理分析：将实测得的γ射线和β射线计数率分别代入上述公式(1)或公式(2)，即可得知不同测点的雾化浓度，将各测点不同时间所测量的雾化浓度数据进行整理，用作标图表示，即可得泄洪过程中各个测点雾化浓度随泄洪时间的变化过程，及各测点的雾化浓度分布图。

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