专利名称：泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法。
背景技术：
水库和湖泊的自由水面、平缓河道水流的自由水面等与空气有明确的交界面，测量水面高程可以用水尺、浮子式水位计、水压式水位计、超声波水位计等仪器设备。
对于高水头泄水建筑物而言，由于高速水流与空气的剪切作用，水流表面破碎，水质点紊动剧烈将空气卷入水中从而造成表层水体高度掺气，卷入的空气以气泡形态从表层向深度方向转移扩散，泄槽水流形成一种气液两相流动，且表层水体掺气浓度高。高速水流的表层水体水气掺混，呈泡沫或白絮状，无明确的水气交界面，现有的仪器设备无法进行水面高程测量，泄槽水流的水面高程和流动状态难以判断。发明内容
针对现有仪器设备无法进行水面高程测量，泄槽水流的水面高程和流动状态难以判断的问题，本发明旨在提供一种泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，该方法利用高掺气浓度传感器测量表层掺气水体的掺气浓度，然后分析判断水流水面高程、水雾流高程和气雾流高程。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，包括下列步骤:
I)根据泄水建筑物泄槽下泄的水流流量Q和流速V，初步计算测量断面处的水深Λ = 和掺气水深込+，其中b为泄槽槽宽，ζ为修正系数,可取1.0s/m V*bK 100 J1.4s/m ;在所述泄槽的侧墙上安装不少于3个高掺气浓度传感器，且这些高掺气浓度传感器布置在水深h到掺气水深hb段之间掺气水流的表层区域；
2)对高掺气浓度传感器的每个电极组依次进行现场率定，建立每个电极组各自的掺气浓度与掺气电阻的函数关系；
3)在实际测量时，测读每个电极组的掺气浓度值Ci，然后对掺气浓度值Ci进行校验和修正；
4)根据修正后的掺气浓度分析判断水流的水面高程、水雾流高程和气雾流高程，以掺气浓度为50%的位置作为水面高程，以掺气浓度为66.67%的位置作为水雾流高程，以掺气浓度为83.33%的位置作为气雾流高程。
进一步地，对于修正系数ζ的取值，根据流速V确定，流速越大，ζ的取值趋近上限值1.4s/m，流速越低，则ζ的取值趋近下限值1.0s/m。
在本发明步骤4)中，将水雾流高程作为侧墙结构设计的水面高程。
在本发明步骤3)中，对实际掺气浓度值Ci校验和修正方法为采用同一传感器测得多个独立的数据，去掉不合理的点，然后取平均值。
所述高掺气浓度传感器的结构为，包括面板，镶嵌在面板上的多个电极片，每个电极片与一根相应的引出线相连；其结构特点是，所述电极片至少为三个。进一步地，相邻电极片之间的清水电阻值为100Ω 200Ω。所述清水电阻值即将两个电极片置于清水中，测量两电极片之间的电阻值，所谓清水是指水中不含空气泡，一般而言清水电阻小，含气的水电阻大。进一步地，所述电极片的横截面优选为扁平的长方形，相邻两个电极片平行且间距相等，通过缩小相邻两个电极片之间的间距，降低清水电阻，提高电场强度，从而提高传感器的测量精度，减小测量误差。通用掺气浓度传感器的清水电阻值一般为800Ω 1000 Ω，而本发明相邻电极片之间的清水电阻值控制在100 Ω 200 Ω，当测量50%以上掺气浓度时，精度提高4倍以上。进一步地，所述电极片优选为3 5个。为了固定所述传感器，在所述面板上开有与通用底座对应的螺丝孔。所述面板为绝缘材料制成，所述面板整体呈圆盘状。由于高流速水质点卷入的空气以气泡形态存在表层水体中，其分布是不均匀的，理论分析和试验结果表明，掺气浓度沿法向符合正态分布。根据工程原型观测经验与认知习惯，可以将表层掺气水体划分为3种类型:水流、雾流和气流；雾流又可进一步细分为水雾流和气雾流。掺气浓度是水气二相流中空气气泡体积占混合水体体积的百分比。结合标准正态分布函数的“3 σ规则”，以掺气浓度为界定标准，分析拟定了掺气浓度与表层掺气水体流动类型的界定标准，见表I。表1表层掺气水体流动类型与掺气浓度界定标准
权利要求
1.一种泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，包括下列步骤: 1)根据泄水建筑物泄槽下泄的水流流量Q和流速V，初步计算测量断面处的水深Λ = 和掺气水深&，其中b为泄槽槽宽，ζ为修正系数，可取1.0s/m V*bK 100 J1.4s/m ;在所述泄槽的侧墙上安装不少于3个高掺气浓度传感器，且这些高掺气浓度传感器布置在水深h到掺气水深hb段之间掺气水流的表层区域； 2)对高掺气浓度传感器的每个电极组依次进行现场率定，建立每个电极组各自的掺气浓度与掺气电阻的函数关系； 3)在实际测量时，测读每个电极组的掺气浓度值Ci，然后对掺气浓度值Ci进行校验和修正； 4)根据修正后的掺气浓度Ci分析判断水流的水面高程、水雾流高程和气雾流高程，以掺气浓度为50%的位置作为水面高程，以掺气浓度为66.67%的位置作为水雾流高程，以掺气浓度为83.33%的位置作为气雾流高程。
2.根据权利要求1所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，步骤4)中，将水雾流高程作为侧墙结构设计的水面高程。
3.根据权利要求1所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，步骤3)中，对实际掺气浓度值Ci校验和修正方法为采用同一传感器测得多个独立的数据，去掉不合理的点，然后取平均值。
4.根据权利要求1所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，所述高掺气浓度传感器的结构为，包括面板(3)，镶嵌在面板(3)上的多个电极片(1)，每个电极片(I)与一根相应的引出线(2)相连；其特征在于，所述电极片(I)至少为三个。
5.根据权利要求4所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，所述电极片(I)的横截面为扁平的长方形，相邻两个电极片(I)平行且间距相等。
6.根据权利要求4所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，相邻电极片(I)之间的清水电阻值为100 Ω 200Ω。
7.根据权利要求4所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，所述面板(3)上开有与通用底座对应的螺丝孔(4)。
8.根据权利要求4所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，所述面板(3)为绝缘材料制成。
9.根据权利要求4所述的泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法，其特征在于，所述电极片(I)有3 5个。
全文摘要
本发明公开了一种泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法。为了解决现有仪器设备无法进行水面高程测量，泄槽水流的水面高程和流动状态难以判断的问题，所述测量方法在泄槽的侧墙上安装不少于3个高掺气浓度传感器，且这些高掺气浓度传感器布置在掺气水流的表层区域；然后对高掺气浓度传感器的每个电极组依次进行现场率定，并对实际测得的掺气浓度值进行校验和修正；最后根据修正后的掺气浓度分析判断水流的水面高程、水雾流高程和气雾流高程。本发明同时提供了表层掺气水体流动类型与掺气浓度的界定标准，适用于泄水建筑物水力学原型观测。
文档编号G01C5/00GK103148836SQ20131008303
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月15日 优先权日2013年3月15日
发明者戴晓兵 申请人:中国水电顾问集团中南勘测设计研究院