静力水准系统在水工模型高程测控中的应用

蔡 莹，杨 伟，左 明，蒋文秀

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

静力水准系统在水工模型高程测控中的应用

蔡 莹，杨 伟，左 明，蒋文秀

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

水工物理模型高程测控的精度是直接影响试验成果可靠程度的关键因素之一，模型高程精度必须满足相关标准和试验任务的要求。采用水准仪法测量大型模型高程操作困难，根据连通管原理，利用连通管和辅助器件将模型水位站与高程控制基点连接起来形成静力水准测量系统，按照一定的观测操作程序和计算方法可提高测控精度。经三峡－葛洲坝日调节模型应用证明：该系统具有测量精度高、构造简单、操作维护方便的特点。静力水准测量方法可供其他高程精密测控领域借鉴。

水工模型；高程测量；静力水准；连通管；沉降观测

水工物理模型试验是研究和改善水工建筑物布置形式与构造等方面的重要科学手段。在水工模型制作及试验过程中，高程测量和水位测量是每项试验任务必须开展的基本工作，模型高程（包括模型水准基点和水位测站活动测针零点）的控制精度是直接影响模型制作精度和试验成果可靠程度的关键因素之一。保证模型高程精度必须要具备相应测控方法。

1 模型高程测量及问题

水工模型设计时，一般是根据模型规模及功能要求沿模型导墙设置若干个水准基点和水位测站，然后利用水准仪测量系统各站点的高程。

使用水准仪测量高程的步骤是：先从若干个水准基点中确定一个水准基点作为模型起始基准点，再从起始基准点逐一测定其他水准基点的高程，然后利用水准仪、水准测尺、水平调节板、水位测针共同配合分别从各个水准基点引测附近水位站活动测针的零点高程。

在水工模型制作、维护及试验过程中，高程测量是一项必须经常进行的繁琐工作。使用水准仪测量规模较小的模型高程时容易控制精度。但对规模大、距离长的模型来说，由于转测点较多以及需要多种辅助工具，用水准仪法测量高程费时费力，又由于受多种系统及偶然因素的影响，稍有操作问题就会影响测量精度。

2 三峡-葛洲坝日调节模型高程测量

三峡-葛洲坝日调节模型是一座大型水工正态整体模型，模型总长度约400 m，占地面积近10 000 m2，比尺150，模型模拟包括三峡和葛洲坝2座水利枢纽在内的原型河道长约60 km。该模型主要任务是研究三峡和葛洲坝2座枢纽联合调度运行时对两坝区间及宜昌河段水流特性的影响、优化工程调度方案、寻求工程改善措施等［1，2］。模型自1984年始建至今20多年内，共完成了数十项各类研究任务，取得了丰硕的科研成果，为工程规划、设计、施工等都做出了巨大的贡献，在模型运行期间还进行过多次修改和扩建。

综合考虑多种因素，沿程模型导墙布置了永久高程基准点和水位站共有50多个，根据试验任务的不同还可临时增加测控点。模型高程主要控制站点见图1。为满足模型高程测量精度要求，专门配置了一台瑞士产WILD N3水准仪（仪器刻读盘最小值为0.1 mm），并加工制作了一套其他必要的辅助测量工具。

本模型高程测量都是从起始水准点（L4）逐一测出其他水准基点的高程，然后再由基点引测固定水位站活动水位测针的零点高程。一般情况下测量都需要3～4个专业人员共同配合，完成一次全程测量需要1～2 d，有时在试验过程中发现高程测量精度达不到要求还要反复重测。

水准仪测量模型高程时因多种原因会引起误差，其中在活动测针零点测量阶段需要几人同时调节不同的辅助工具才能完成读数，在操作时人、工具以及控制方法对测量精度都有影响。

为稳定可靠地测量模型高程，也探究过其他办法。如在模型全程河道内蓄水静置后标定活动测针的零点高程，但受模型河床渗漏及风力等因素影响仍然难以控制测量精度。

图1 三峡-葛洲坝日调节模型高程主要站点布置示意图Fig.1 The water level stations and base points in the Three Gorges-Gezhouba daily regulation model

3 静力水准测量原理

根据连通管原理，利用导管将模型的起始水准基点与各个水位站连接起来形成模型高程静力水准测量系统，经三峡－葛洲坝日调节模型应用获得了明显效果。实践表明该系统可以提高水工模型高程的控制精度，系统设施简单、维护及操作简便。

如图2所示连通器内处于静止状态液体的液位z与压强之间存在着一定的关系。同一连续介质的液体在重力作用下同一水平面上各点的压强相等［3］，即

式中：p0为自由面上的气体压强；ρ为液体的密度；z0为起始面至自由面的高度；z为起始面至计算面的高度；g为重力加速度。

图2 连通器内静止液位与压强Fig.2 Static fluid pressure in a connected device

与大气接触的水面，z＝z0，pz＝p0，水面压强为当地大气压强，在局部范围内当地大气压强可视为定量，因此连通液体的自由面为一平面。此为模型静力水准系统应用的基本理论依据。

4 静力水准系统的应用

4.1 系统构造

应用静力水准测量三峡-葛洲坝日调节模型高程，采用的是内径约15 mm的软管、四通、闸阀等与模型原有水位站相连接，在起始水准基点（L4）增加一个连通测站，并将这些器件沿模型导墙固定形成一个永久性的高程测量设施，见示意图3。

图3 静力水准系统在水工模型中的应用示意图Fig.3 Hydrostatic leveling system applied in hydraulicmodel

4.2 系统测量方法

静力水准测量的首要任务是确定一个满足精度要求的基准水平面，通过连通管将模型水位站相互连接后可以形成一个基准水平面。测量过程中先测定所有活动测针对于同一水平面的读数，然后利用已知起始基点高程计算出基准水平面的高程，再由基准面的高程和各测针的读数可计算出各水位站活动测针的零点高程。基准面的测控精度与测量工具精密程度有关，水工模型固定水位站活动水位测针的精度为0.1 mm。采用静力水准测量模型水位测针零点高程的步骤如下：

（1）检查连通系统各部件固定及与周围物体接触情况，避免在测量过程中系统摇晃或与其他物体发生碰撞。

（2）关闭系统与所有模型导管连接的闸阀，打开与联通管相接的所有闸阀，将水位站盛水筒与起始基点注水筒联通起来。

（3）从注水筒向系统加水，确定系统内的气体完全排出后从任一盛水筒内倒出部分水，使所有盛水筒内的水位低于筒口一定高度，静置10 min左右等待水面平稳进行第一次观测。

（4）水面平稳后，在3～5 min内观测并记录所有观测站点的活动测针读数。每一站点读数不应少于3个且读数间相互误差不超过±0.1 mm，符合要求后计算每一测站3个读数的均值。

（5）完成上一次观测后再从任一盛水筒注入或倒出少量水，抬高或降低筒内水位，静置10 min左右按步骤（4）完成第二次观测和计算，得到各测站的第2个均值。

（6）按步骤（5）完成第3次读数和计算，得到每一测站的第3个均值。

（7）计算每一测站3个均值间的差值，以2个测次间的差值为1组，再求出每组差值的最大值与最小值之差，以此差值与高程控制精度相比较，可判断3次测量的水平面是否满足基准水平面的精度要求，（日调节模型精度为0.3 mm以内）。如在控制范围内则3次观测的水面平稳，观测值满足要求，结束观测；如超出范围则按步骤（5）继续观测，直到有3次相互差值都在控制范围内。

（8）观测起始基准点活动测针到基点顶面的读数，连续观测3次且读数间差值不超过±0.1 mm，计算3次读数的平均值。

（9）利用各水位测站的3个均值中的同一测次均值、起始基准点高程和起始基准点的活动测针读数均值，可计算出每一个测站的活动测针零点高程。

观测结束后，关闭与联通管连接的所有闸阀，打开系统与所有模型导管连接的闸阀，将模型所有水位站的盛水筒与河道联通后可以进行试验水位观测。

4.3 观测应用实例

三峡-葛洲坝日调节模型建立静力水准系统后，不需要再全程量测基点高程，可一次完成模型活动测针零点高程测量。由于使用固定测量设施，测量过程极大简化，测量过程简单，测量精度更加可靠。

以2007年一次实测成果为例说明静力水准系统测量模型高程的实用效果。由于模型沿程水位站较多，现只列出模型上游黄陵庙、中游葛洲坝、下游艾家镇3个代表性水位站的观测成果，中间观测及计算成果见表1，其他水位站的观测和计算与此相同。观测高程精度要求控制在0.3 mm以内。

由表1可知，3次测量的水平面都符合基准面的要求。已知基点L4原型高程为0.00 m，活动测针到基点顶面读数均值为5.6 mm。以测次［1］的均值计算，活动测针零点高程＝0.02＋（526.3－5.6－［1］均值）×比尺150／1 000。计算结果如表2。

表1 静力水准测量日调节模型水位站（部分）零点高程中间成果Table1 The heights of daily regulation modelmeasured by the hydrostatic leveling system

表2 计算活动测针零点高程Tab le 2 The zero heights ofm oving measuring probes

如进行2次观测后得到的均值之差的极差满足精度要求，也可以取其中所有测站的同一次均值计算测针零点高程，进行3次观测可保证观测成果的可靠度。

4.4 系统应用效果

与使用水准仪测量高程比较，使用静力水准系统测量有明显的优点：

（1）可提高模型高程的控制精度。水准测量时需要多个人同时操作不同的工具才能完成一个读数观测，要将全程精度都控制在0.3 mm内存在困难；而静力水准测量则省去了许多中间人工操作环节，这些操作容易导致测量误差，因此可将全程测量精度控制在0.1 mm以内。

（2）观测效率提高。水准仪测量需要逐点观测，先测量模型沿程基准点高程，然后测量活动测针零点高程，观测过程时间较长，需要专业人员操作；静力水准测量是采用固定连通设施一次完成，测量过程只有注水、倒水、等待读数及简单计算，通常只要1～2人在1 h左右就可完成全程所有测站的测量工作，比水准测量使用的人员和时间都大幅度减少，工作效率大为提高。

（3）观测不受通视等条件限制。水准仪测量有通视、地形及天气等条件的要求；静力水准则在受建筑物等影响的地方也可灵活使用。

（4）可为电测水位提供基础平台。人工观测对测量精度有一定的影响，如利用静力水准系统可实现测量过程中数据和试验过程中水位的自动采集，可进一步提高试验成果的可靠度。

（5）静力水准系统构造简单，设施维护容易，可降低测量成本。

根据模型测量成果，静力水准系统也可在其他升、降精密观测方面发挥作用，如在大坝沉降观测等中应用。

4.5 系统应用条件

利用静力水准系统测量高程，需要满足一些要求：

（1）应注意系统漏水、渗水及掺气。注水后检查导管、盛水筒、连通管、四通和阀门等部件间的连接情况，盛水筒与连通管、四通内不应有气泡。每次观测前都应向系统重新注水，确定充分排除系统内空气才可进入后续操作，为便于观察系统内是否掺气可用透明软管作为连通管。

（2）注水或改变水位后要静置一段时间才能观测，静置时间长短与连通管的长度及管径有关［4］。日调节模型联通管长约400 m、管径15 mm，一次静置时间约10 min，加上观测时间约15 min左右就可以完成一次全程测量。

（3）在测点高差超出设备量程的工程中应用静力水准系统，可分段设置观测系统。

（4）气象条件是影响观测精度的因素之一，观测过程中要求场内无风、气温均衡。

5 结 语

水工物理模型的高程控制精度与试验成果的可靠度有直接关系，使用传统的水准仪测量法在大型水工模型高程精度测控方面有一定的操作困难。依据连通管原理，将模型水准基点、水位测站、连通管、四通和阀门等连接起来形成静力水准测量系统可以提高模型高程的控制精度，通过在三峡－葛洲坝日调节模型测量高程中的应用，表明系统具有构造简单、使用及维护方便、测量精度高等多方面的优点。

根据模型高程测量应用效果分析，静力水准系统可用于各类水工及河工模型的高程及水位测量，也可为自动采集测量数据及试验水位搭建基础平台，在大坝沉降观测等精确测控垂直位移的领域可发挥较好的作用。

［1］ 饶冠生.三峡坝址至葛洲坝区间通航水力学研究［J］.长江科学院院报，1992，（3）：26－31.（RAO Guansheng.Hydraulic research on navigation in river reach between Three Gorges and Gezhouba［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1992，（3）：26－31.（in Chinese））

［2］ 郑守仁，孙尔雨，杨文俊.三峡电站调峰与通航问题研究［J］.水电能源科学，2002，20（2）：7－12.（ZHENG Shou-ren，SUN Er-yu，YANG Wen-jun.Study on the navigation and power station for humpmodulation of Three Gorges and Gezhouba project［J］.International Journal Hydroelectric Energy，2002，20（2）：7－12.（in Chinese））

［3］ 吴持恭.水力学（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，2003.（WU Chi-gong.Hydraulics（Third Edition）［M］.Beijing：China Higher Education Press，2003.（in Chinese））

［4］ 何晓业，何晓红.静力水准系统的流体力学研究［J］.大地测量与地球动力学，2007，27（4）：122－124.（HE Xiao-ye，HE Xiao-hong.Study on HLSaccording to fluid mechanic theory［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，27（4）：122－124.（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

Application of Hydrostatic Leveling System in Height M easurement and Control of Hydraulic M odel

CAIYing，YANGWei，ZUO Ming，JIANGWen-xiu
（Yangtze River Scientific Research Institute，Hydraulic Research Institute，Wuhan 430010，China）

The accuracy of heightmeasurementand control in hydraulic physicalmodel is one of the key factors that directly affect the reliability of test results，themodel height accuracy must satisfy the requirement of related code and the experimental task.Sometimes it is difficult to control accuracy in measuring height system of large-scale model bymeans of level instrumentmeasurementmethod.According to the connecting pipe principle，the connection of thewater level station and the height control pointby connecting pipe and ancillary devices in themodelwill

form a static level measurement system，meanwhile according to definite observation procedure and calculation method will increase themeasurement accuracy.Through applying to the daily regulation model of the Three Gorges-Gezhouba project，the system has been proved to be characteristic of high precision，simple structure，convenient operation and maintenance，themethod provides also a simple and reliablemeans for precisionmeasurement in related domain.

hydraulicmodel；heightmeasurement；hydrostatic leveling system；connecting pipe；settlement observation

TV131.6

A

1001－5485（2010）09－0035－04

2010-01-02；

2010-08-03

蔡 莹（1965-），男，湖北浠水人，高级工程师，主要从事工程水力学研究，（电话）07 l7-6832885（电子信箱）caiy0121＠163.com。