新式量水堰測量儀的研制與測評

劉錦芳 余思祥 林 偉

(國網福建水口發電集團有限公司，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測，一般設在渠道、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《大壩安全監測系統運行維護規程》(DL/T 1558—2016)要求，對于已安裝自動化測量設備的量水堰，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，無論自動化監測設備的應用與否，目前仍是不可或缺的一種測量方式。

1 傳統的人工測量弊端分析

傳統的量水堰(見圖1)水位測量，采用的是目視裝設在溝槽中鋼尺，讀取當前水位刻度值，扣除堰板口底部水位高度數值，算出水頭，再通過關系式求出堰口斷面流量。

Q=kH2.5(三角堰)

圖1 典型三角堰結構

或者

Q=kBH1.5

式中：Q為流量，m3/s；k為常數；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 儀器設計思路及設計指標

2.1 項目設計指標

由于量水堰處于潮濕的水環境周邊，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，測值應真實可用；?裝置應可靠耐用，抗干擾，適應高度潮濕監測環境；?裝置應便于操作，測量過程簡便、快捷。

2.2 設計方案構思

新式測量儀包含測量系統、整平系統、報警系統和支架等結構部件(見圖2)。其中支架起固定和支撐作用。整平系統對整個測量儀進行調平，保證測量的準確性。報警系統對測針位置狀態進行提示，保證測量的精度(見圖3)。測量系統應能適應潮濕環境及水位變化的測量。

圖2 儀器結構

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計和制作歷經近1年，經過數次改進，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構有：?測量系統：不銹鋼測針、刻度尺副和移動轉輪等；?整平系統：整平螺絲、萬向水平儀、上承板和下承板；?接地報警系統：電源及開關、蜂鳴器、控制芯片和導線；?支架結構：懸臂、斜撐和支柱。系統各部分組成如圖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報警，報警電流小于1mA。為適應周邊復雜的環境及提高設備的耐用性，對接地報警器進行密閉式封裝，封裝設計如圖7所示，其中橡膠圈用于防潮隔水，可拆卸式接線頭方便設備維護和更換，預留螺絲孔固定接地報警器。

圖7 接地報警器內部

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，在設備安裝后歷時數月、共上百次的跟蹤測量，取得了500多個比測數據。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流量數據比測(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，滿足混凝土壩監測規范的要求。由圖8可以看出，新式測針與容積法測量的結果高度一致，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，優勢明顯(見表3)，主要體現在以下幾個方面：

表3 各種測量方式優勢對比

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，測量結果更符合規范要求。

b.與容積法測量方式相比，新式測量儀可實現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，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報警，測量靈敏度相當高。

4.3 應用領域分析

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、水工實驗模型等的水位及流量的精確測量，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，把接地電流轉換成電信號，可作為水位超限報警之用，并可實現遠程監控的功能。

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

圖9為新測量儀效果圖。

圖9 新測量儀效果圖

5 結 語

a.新式測量儀屬于獨創性產品，產品創新性地加入高精度的整平系統，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出警報，儀器靈敏度遠高于同類產品。

c.本測量儀的工作環境適應力強，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計的一個難點，特別是在量水堰這種潮濕的環境下，本測量儀設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，這種設計使得本測量儀具有很強的適用性。