新式量水堰测量仪的研制与测评

刘锦芳 余思祥 林 伟

(国网福建水口发电集团有限公司，福建 三明 365100)

量水堰是一种通过堰顶水头的测定来计算单位时间内通过堰口断面水量的装置，通常用于水电站或抽蓄电站的大坝、工程边坡等水工建筑物的渗流监测，一般设在渠道、水槽和沟渠中，常见的量水堰类型有三角堰、矩形堰和梯形堰。

根据《大坝安全监测系统运行维护规程》(DL/T 1558—2016)要求，对于已安装自动化测量设备的量水堰，需要人工测量进行定期比测、校验和率定。因此，量水堰的人工测量，无论自动化监测设备的应用与否，目前仍是不可或缺的一种测量方式。

1 传统的人工测量弊端分析

传统的量水堰(见图1)水位测量，采用的是目视装设在沟槽中钢尺，读取当前水位刻度值，扣除堰板口底部水位高度数值，算出水头，再通过关系式求出堰口断面流量。

Q=kH2.5(三角堰)

图1 典型三角堰结构

或者

Q=kBH1.5

式中：Q为流量，m3/s；k为常数；B为堰宽，m；H为水头，m。

由于沟槽一般位于地面上，测量时须俯身紧贴地面目视钢尺，测量操作极其不便。且由于水的透明性，测量时视线无法平视钢尺，由此带来了测量误差，有测试表明此误差量最大可达1～3mm。因此，研制一种测量更便利、测量精度更高的仪器有着重要的意义。

2 仪器设计思路及设计指标

2.1 项目设计指标

由于量水堰处于潮湿的水环境周边，为满足实际测量的需要，新式测量仪要达到以下几点要求：ⓐ高精度测量，新装置能将原有的水位观测精度1mm提高至0.1mm；ⓑ装置能对水位进行准确测量，测值应真实可用；ⓒ装置应可靠耐用，抗干扰，适应高度潮湿监测环境；ⓓ装置应便于操作，测量过程简便、快捷。

2.2 设计方案构思

新式测量仪包含测量系统、整平系统、报警系统和支架等结构部件(见图2)。其中支架起固定和支撑作用。整平系统对整个测量仪进行调平，保证测量的准确性。报警系统对测针位置状态进行提示，保证测量的精度(见图3)。测量系统应能适应潮湿环境及水位变化的测量。

图2 仪器结构

图3 测针细部

3 仪器实体简介

新式量水堰流量测量仪的设计和制作历经近1年，经过数次改进，最终成型并在水东电站大坝廊道投入使用。成型后的测量仪主要结构有：ⓐ测量系统：不锈钢测针、刻度尺副和移动转轮等；ⓑ整平系统：整平螺丝、万向水平仪、上承板和下承板；ⓒ接地报警系统：电源及开关、蜂鸣器、控制芯片和导线；ⓓ支架结构：悬臂、斜撑和支柱。系统各部分组成如图4所示。

图4 新式测量仪实体

刻度尺副材质为不锈钢+表层镀膜防腐，以游标卡尺的原理制作而成，主尺刻度1mm，副尺刻度10格，每格0.9mm，可实现0.1mm水位变化的测量(见图5)。

图5 测针刻度尺

万向水平仪是利用液体流动和液面水平的原理，以水准气泡直接显示角位移，测量相对于水平位置微小倾角的一种角度测量器具。新式测量仪采用的是高精度的万向水平仪，DIV值低至2/1000，角度测量精度可达0.1°(见图6)。

图6 万向水平仪

新式量水堰流量测量仪的测针与支架高度绝缘隔离，接地报警器一端通过支架连接大地，一端与测针相连，当测针与地表液面接触时可接通电路触发报警，报警电流小于1mA。为适应周边复杂的环境及提高设备的耐用性，对接地报警器进行密闭式封装，封装设计如图7所示，其中橡胶圈用于防潮隔水，可拆卸式接线头方便设备维护和更换，预留螺丝孔固定接地报警器。

图7 接地报警器内部

4 使用效果评测

4.1 精度测试

为验证新式测量仪的各项性能，在设备安装后历时数月、共上百次的跟踪测量，取得了500多个比测数据。同时，为验证仪器的精准性，采用容积法对水量进行验证比测。各种测量方式的测量效果对比见表1。

表1 水东电站廊道量水堰WE4流量数据比测(均值) 单位：L/S

表2 测量精度对比

容积法测量的准确性相对钢尺是较高的，可以以容积法为参照。新式测量仪的观测误差极小，水位观测中误差为0.04mm左右，流量标准差为0.00005L/s左右；观测时各个测次之间的差值均不大于0.20mm，满足混凝土坝监测规范的要求。由图8可以看出，新式测针与容积法测量的结果高度一致，由此可见本装置的测值是高度精准可信的。

图8 三种测量方式流量比测过程线

4.2 同类产品运用效果对比

新式测量仪投入使用后取得了良好的测量效果，与其他仪器的测量方式相比，优势明显(见表3)，主要体现在以下几个方面：

表3 各种测量方式优势对比

a.与钢尺测量方式相比，新装置能测量到小于1mm的水位变化，误差更小，精度更高。且通过整平装置的调平，测针各个方向的倾斜度不超过±0.1°(保守估计值，理论倾斜度为0.00°～±0.02°之间)，相对于钢尺，准确度更高。新式测量仪的使用，能使测量工作更人性化、便利，测量结果更符合规范要求。

b.与容积法测量方式相比，新式测量仪可实现实时测量对比的操作，测量功能更强大。容积法测量需两人配合测量，耗时耗力效率低，新式测量仪测量时仅需一人操作，无须易耗品，半分钟内即可完成观测。

c.一般而言，其他类型的测针装置是采用铅垂线来控制倾斜度的，然后再固定仪器测针，当测针倾斜度轻微变化时肉眼是无法察觉的。与其他测针装置相比，新式测量仪的倾斜度实时可查，随时可调，测量准确性高于其他测针装置。且由于整平装置的存在，新式测针装置的安装位置对地形要求较低，无须平整的地面就能安装使用，适用性远高于其他测针装置。新式测量仪装有接地报警器，报警电流小于1mA，属于微安级报警器，当测针针尖与水面有0.001mm2的接触面积时即可触发报警，测量灵敏度相当高。

4.3 应用领域分析

a.新式测量仪器可用于量水堰、绕坝渗流孔、地下水位孔、集水井、蓄水池、水工实验模型等的水位及流量的精确测量，也可用于建筑物之间的相对沉降，如大坝各坝段的相对沉降、房屋建筑物的相对沉降，滑坡体的相对沉降等的精确测量。

b.当测针固定时，通过接地报警器升级，把接地电流转换成电信号，可作为水位超限报警之用，并可实现远程监控的功能。

c.本测量仪可广泛用于水工领域、水文领域、建筑物监测和市政工程(蓄水池的满水试验)等的相关领域。

图9为新测量仪效果图。

图9 新测量仪效果图

5 结 语

a.新式测量仪属于独创性产品，产品创新性地加入高精度的整平系统，确保了测针的垂直度，保证了测量的精度和准确性，这是其他类型的测针所没有的。

b.新式测量仪加入了微安级的接地报警器，能在测针碰触水面的一瞬间发出警报，仪器灵敏度远高于同类产品。

c.本测量仪的工作环境适应力强，在倾斜的地面和空气湿度达100%的地方均能使用，装置通体使用高强度304不锈钢，采用不锈钢焊接拼接工艺，确保装置耐用、稳定、不生锈。

d.微安级的电流报警与高度的对地绝缘是本项目设计的一个难点，特别是在量水堰这种潮湿的环境下，本测量仪设计的巧妙之处在于既能牢固地固定测针，又能在测针到达水面之前保持高度的对地绝缘，这种设计使得本测量仪具有很强的适用性。