水工建筑物物(水力学监测)

第三章 基本水力要素和现象观测
2、超声波时差法测流速
超声波在流动水体中传播的速度与在静水中传播速度不同。超声波时差法测流速及利用超声波在 顺流和逆流中传播的时间差来计算流速。 具体实施时将两超声换能器安装在河流对岸，超声波传播通道（距离为L米）与流向成一夹角θ ， 则超声波传播时间可按下式计算。 超声波在顺流方向的传播时间TAB（换能器A发B收）及逆流方向的传播时间TBA（B发A收）为： TAB=L/(C+vcos θ ); TBA=L /(C-vcos θ );
泄水建筑物的设计须依据一定的条件进行水力学计算，对大中型工程还要进 行水力学模型试验，但是有些水力学现象在模型试验中是模拟不了的，因此设计 的合理性还需通过水力学监测验证、模型试验成果与原型的相关性也需根据水力 学监测成果的进行进一步研究。
三、与室内模型试验配合进行特殊水力学问题的专题研究
到目前为止，有些水力学现象或边界条件无法在模型上得到模拟，如振动、紊 动、掺气、空蚀、粗糙系数、冲蚀、磨损、通气量等，只有通过水力学监测对它 们进行研究。
第二章 水力学监测的由来和发展
一、美国
在二十世纪30年就开始水力学监测。当时美国大兴水利工程，水工模型试 验普遍开展，模型试验成果需通过原型观测验证，所以进行了原型观测，同时开 展水力学观测。前后进行水力学观测的工程有：大古力、诺里斯、邦内维耳等、 胡佛坝等，内容主要为平均脉动压力、泄流能力和泄流流态等。 上世纪30年代后期随着坝高增加，出现高速水流问题，水力学开始对空蚀进 行观测。到50年代，开始对流量系数、掺气、水头局部损失和沿程摩察系数、 闸门启门力、闸门上托力和下拽力以及闸门振动、还有消力池的空蚀等进行观测。 在观测仪器设备方面除了常规的外采用了较先进的立体经纬摄影仪、磁电流 速仪、可专用于水下检查和维修的浮运设施等。
五、掺气浓度 掺气浓度监测内容为明渠水流表面自然掺气及掺气设施的强迫掺气情况。 自然掺气观测 沿程水深变化和掺气浓度分布。 强迫掺气观测 掺气空腔内负压、掺气坎后掺气空腔长度、水舌落点附近的冲击压强和沿程底部水流掺气 浓度分布。 测量方法 测量过水断面的掺气水深，与不掺气的水深比较给出断面平均掺气量； 量测沿水深方向的掺气量，给出水流方向各点的掺气浓度及底部掺气浓度。 近壁水流掺气浓度可采用电阻法观测，也可用取样法、测压管法、气液计时法和同位素法。 六、空化 空化监测的主要内容为空化水流噪声和分离区的动水压强。 空化采用空化水流噪声测试仪（水听器）监测。 测点布置在可能发生空化水流的空化源附近。如泄水建筑物的门槽、反弧段、扩散段、分岔口、差动式 挑坎、辅助消能工等对水流有扰动的部位。 七、过流面磨损 过流面磨损：空蚀和磨损。 易发生部位：过水建筑物进口段、反弧段、弯道段、凹曲段、局部突变处、收缩段出口及高速泄槽底板； 排沙洞、导流洞、消力池、水垫塘和泄放含沙水流的过水建筑物。 监测阶段：过流时实时监测和过流后实地测量。 监测内容：磨蚀部位、磨蚀表面形态（长度、宽度、平面形状）、磨蚀深度等。 监测方法：过流阶段采用监测设施观测相应水力要素；过流后可用目测、摄影和拓模等计量空蚀破坏情 况。
第三章 基本水力要素和现象观测
二、压强
水流作用于水工建筑物的力有静水压力和动水压力，对泄水建筑物主要是 动水压力观测。 量测过水边界上压强需在观测位置上埋设测压管和导管，用导管将水引至观 测室与测压计连接。 常用测压计：水银比压计、压力表和测压管。
1、压强测点布置 能以反映过水表面压强分布特征，满足工程安全运行及专题研究要求为原则。 （1） 泄水建筑物 ① 沿水流方向布置在闸孔中心线、闸墩两侧和下游； ② 溢流堰的堰顶、坝下反弧及下切点附近和相应位置的边墙等处； ③ 有压管道进口曲线段、渐变段、分岔段及局部不平整突体的下游壁面； ④ 过流边界不平顺及突变部位，如闸门门槽下游边壁，挑流鼻坎，消力墩侧壁等； ⑤水舌冲击区、高速水流区及掺气空腔等； ⑥ 对泄水孔、洞则测量其边壁动水压强； ⑦ 对有压隧洞，选择若干控制断面，测量洞壁动水压强，确定压坡线。
第三章 基本水力要素和现象观测
三、流速
流速是水力学的重要参数。为研究效能冲刷、空蚀、磨损、脉动振动等问题都需测流 速。 流速监测分为断面平均流速、断面流速分布、区段平面流速、表面流速和底部流速。 流速监测期间应尽量保持流量稳定。 观测方法：浮标法；超声波法；电波法；流速仪；毕托管。 1、浮标法 （1） 在河道、泄槽及有水平护坦的溢流坝下游，流速较高，用流速仪测定流速有困难 时常用。 （2） 测表面流速用水面浮标；测深层流速用深水浮标。 （3）观测方法：目测法；摄影法；经纬仪立体摄影法等。
第三章 基本水力要素和现象观测
一、水位及水面线
水位：是工程管理运用和分析建筑物工况的重要资料。
水位分为时均水位和瞬时水位。水位监测包括过水建筑物上、下游及沿程水位。 大坝上、下游水位通常关注的是时均水位； 船闸闸室、调压室（井）、电站尾水、引航道等则关注水面波动和涌浪； 输水明渠、明流隧洞和泄槽等，关注沿程水面线变化。 1、水位观测 （1）测点位置选择 一般原则：测点设在满足工程运用、管理和分析研究专门问题有代表性的地点：设在 水流平稳、受风浪影响小、河床和岸坡较稳固、便于观测的地点。
第三章 基本水力要素和现象观测
2、动水压强测量方法 （1）时均压强可用测压管和精密压力表测量；瞬时压强和脉动压强可采用压力传 感器（或变送器）测量。 （2）测压管包括测头和导管两部分。测头平整地安装在测点部位，导管与测头连 接引出，采用压力表或比压计观测。 （3）脉动压力传感器安装在过流表面的底座上，传感器由监测电缆引到观测室， 观测时采用信号采集设备由计算机控制进行数据采集，采集频率一般不小于 30Hz，采样时间应大于300s。
第三章 基本水力要素和现象观测
五、流态
水流流态是水流总体流态和局部流态的总称。
按性质分 急流；缓流；临界流。
按形象分 回流：在平面上呈环形流动的水流； 环流：在垂直主流横断面内呈环形流动的水流。 局部流态 受河工建筑物或河流局部地形影响而产生的流态。如泄水建筑物进口的收缩水流、漩涡漏斗、 跌水等流态；溢流坝坝面的扩散水流；掺气水流以及闸墩、导墙、尾坎处的水冠花和水翘等流态；泄水 建筑物下游的挑流水舌、底孔射流、水跃和旋滚流等流态；航道口门区的斜流、往复流等流态；闸墩、 桥墩、堤头的绕流流态；泄水隧洞中的明流、满流、临界流；引水管的虹吸流；调压井中涌浪等。 流态描述 通常用其位置、范围及有关参数来描述。 观测 1、流态平面位置、范围观测。测定水流表面的流线、及其边界范围的坐标。 2、流态参数定量观测。包括流向角度、漩涡深度、泡水高度、环流强度和旋度、流速、坡降等。
② 水尺法 在边墙上按一定的距离选择适当的位置用油漆绘制水尺，一般水尺间距为 5~15m，水尺宽度为10~15cm，每水尺为一测点，各点水面连成光滑曲线即为水 面线。 目测简易，但得到的不是同步水位；拍照和摄像可得到同步水位。
第三章 基本水力要素和现象观测
（2）明流泄水洞水面线观测 观测者无法直接测读泄水洞水面线，多借助远传仪表显示和宏观调查。 ① 水尺法 在洞内两侧一定位置绘制水尺，水尺面涂以胶着彩色水粉浆。泄水时水流将粉浆冲蚀， 停水后测读冲痕高程即得包括水面波动的最高水面线。 ② 电测法 常用电容液位计观测。由传感器、转换器、指示仪表组成。 传感器用1根聚四氟乙烯绝缘导线为一极以水为另一极构成。电容值随水位升降而变化， 其变化用过转换器转化为0~10mA的直流标准信号，再通过电子电位差计计等进行显示或记 录。 传感器安装：传感器装在直径50mm的镀锌管内，管长大于测量范围，在管壁上每隔100mm 钻一直径10mm的小孔，保证管内水位与被测水位一致，在管的两端各装一开口销固定拉直 的绝缘导线，管顶安装转换器。在隧洞两侧壁按要求位置凿挖与传感器管相当的竖直槽埋 设测管。 （3）挑流水舌轨迹线观测 可用经纬仪、全站仪测量水舌出射角、入射角、水舌厚度，也可用立体摄影测量平面扩散 等。 （4）水跃长度及平面扩散观测 用水尺法和摄影法观测。
第三章 基本水力要素和现象观测
（2）调压井（室）、闸门井和拦污栅 调压井（室）和闸门井在底板和侧墙处布置压强测点；在拦污栅进出口水流平 稳的墙上各布置压强测点。 （3）闸（阀）门 闸（阀）门压强测点一般布置在门板上，便于和闸（阀）门流击振动观测一起考 虑。 （4）电站机组过流系统 沿流道全程布设。在蜗壳末端和尾水管进口部位应加密测点，以便机组甩负荷时 准确捕捉蜗壳最大压力升高值和尾水管最大压力降低值（负压）。 （5）船闸输水系统 着重监测闸（阀）门上下游侧、管道转弯处、叉管处、船闸的阀门段处。 （6）输水明渠和引航道 在典型段靠近底板的侧墙处适当布置测点。
水工建筑物水力学监测
第一章 水力学监测的作用和意义
一、监测水工建筑物的过流运行情况以保证工程安全
泄水建筑物都是按一定泄流量设计的，但实际泄流量变化很大，水力学监测 可以掌握建筑物在各种泄流量下的工况，以便及时发现问题、分析原因、防止事 故发生或改善运行方式，提高运行效率，保证工程安全。
二、验证设计条件及物理模型实验成果和数学模型的正确性和相关性
水库或闸坝上游水位：设在坝前跌水线以上水位平稳处，与闸坝的距离不小于设计水
头的3~6倍。 下游水位：设在较顺直的河段内，观测点面水位稳定且无回水影响。 （ 2）水位观测设备和方法 设备：水尺；自记水位计。
第三章 基本水力要素和现象观测
2、水面线观测 （1）闸坝及泄槽水面线观测 一般测取沿边墩的水面线。 ① 直接坐标网格法 在边墙上用耐冲的白色瓷漆或油漆绘制直角坐标网格，网格线宽10cm。纵坐 标为高程，横坐标为工程桩号。 水面线读取采用拍照和录像方法。经过放大回放读取水位高程，并取各次水 位平均值绘制水面线。
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第四章 主要水力学问题观测
一、消能 消能监测包括挑流、底流、面流各种水流形态测量、描述及消能率计算。分析消能率时，应在下游河 段水流相对平稳的地方设置断面，测量断面的水力要素（水位、流量等），再推求消能率。 二、冲刷 观测重点是消力池、辅助消能工、消力戽和泄水建筑物下游河床。 测定冲坑的位置、深度、形态及范围。冲坑水上部分可直接目测和测量；水下部分可采用抽干检查法、 测深法、压气沉柜检测法及水下电视检查法等。水下测量可采用测深杆、探测仪或回声测深仪。 对过流建筑物的冲蚀位置、范围、深度进行检查记录。 三、振动 振动主要监测水工建筑物因高速水流压力脉动、漩涡激励及其它水动力荷载所激发的结构振动。 主要效应量为动位移、振动速度和加速度、动应变和动应力。 测点布置以相关结构动力分析成果为参考。 激振方式主要为锤击法和环境激励法两种。 现场测试成果主要有模态分析和流击振动分析。 四、通气量 通气量观测是对设有通气管道的过流建筑物通气效果监测。 主要监测部位：泄水管道工作门、事故闸门、检修闸门、掺气槽坎、泄洪洞鄂补气洞，以及电站进水口 快速闸门下游等处。 通气量根据测量断面的平均风速计算确定。通气风速可采用毕托管、风速仪法进行测量。
第三章 基本水力要素和现象观测
5、毕托管测流速 通过毕托管测得的动水和静水压强之差Δ Hw来计算流速u。
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C为毕托管修正系数； 在实际应用中，动、静水压强可用比压计测得，也用压力传感器测得。
第三章 基本水力要素和现象观测
四、流量
流量观测方法 分为河流、渠道上进行观测的一般方法及水文测验方法及直接 在各种过水建筑物上进行观测的特殊方法两类。若按获得具体流量数据的过程而 言，则可分为直接法和间接法两类：直接法为溶液法和容积法等；间接法则是通 过其它水力要素（水位、压力、流速）的测量，经过计算得出流量。 泄水建筑物上直接测流方法 通过布置测流速设备（流速仪、动压管等），测 出相应过水断面的流速分布情况，再计算出相应流量。
二、中国
我国水力学观测从上世纪50年代开始。对数百个工程进行水力学监测。特色： 比较注重综合性监测，挤在一个水利枢纽上对所有水力学课题进行观测，内容 涉及效能、冲刷、脉动、空蚀、通气、雾化等，在使用常规仪器的基础上进行该 进，如采用小型压力传感器、多孔流速仪、同步摄影测量水舌轨迹、告诉摄影测 量表面流速、改进和完善掺气仪和空穴仪等等。形成了水力学监测的专业队伍。
L 1 1 v ( ) 2 cos TAB TBA
式中C为静止淡水中声速(m/s),水温20℃时，C值约为1480m/s。
第三章 基本水力要素和现象观测
3、电波流速仪测流速 电波流速仪是一种较理想的非接触水式测速仪器。 根据多普勒效应，当电波流速仪向具有速度vr的移动物体发射频率为f0 的电波时，从移动的物体反射回来的电波频率变为f0±fd，由式 vr=cfd/2f0可以确定移动物体的速度vr。 c为电波速度，在空气中是3×1010cm/s； fd为多普勒频率； f0为发射频率。 实际测量中常常是发射的电波频率f0与实际流速为vr的水面流线构成 俯角θ ，此时用式vr=cfd/2f0cosθ 计算。 4、流速仪测流速 在河道、渠道上常用旋杯式和璇桨式流速仪。