一种基于底坡的量测水装置及底坡坡度确定方法与流程

1.本发明涉及量测水领域，特别是涉及一种基于底坡的量测水装置及底坡坡度确定方法。


背景技术：

2.现场调研发现，目前新疆灌区在灌溉水中含沙量较大时量测水设施存在量测水精度不高的问题。经过专业分析发现，新疆灌区农业用水主要为雪山融水，洪水期灌溉水中携带有大量泥沙，由于量水设施的阻挡，降低了灌溉水的行进流速，泥沙大量淤积在量水设施前，目前现有的薄壁堰具有固定的堰高，水体泥沙含量较大时，容易造成堰前渠槽淤积，导致水位量测数据不准，致使按薄壁堰相应公式计算的流量误差较大。这一问题也是我国北方地区一个普遍存在的问题。
3.基于上述问题，亟需一种新的量测水装置以提高量测水的精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于底坡的量测水装置及底坡坡度确定方法，可避免量测水设施处的泥沙淤积，提高量测水数据的精度。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于底坡的量测水装置，所述基于底坡的量测水装置包括：
7.薄壁堰，安装在待测渠道的流量监测断面上，所述薄壁堰的底部开设有冲砂孔；在所述待测渠道的流量监测断面行进渠槽段设计有一底坡；量测水装置量测渠道水位时，降下挡水闸封住冲砂孔，使渠道中水量全部从薄壁堰上通过；水位量测完后，提起挡水闸，使沉积在薄壁堰前的泥沙由水流冲刷携带至薄壁堰下游，清空薄壁堰前的泥沙淤积；通过对渠道流量监测断面行进渠槽段底坡的设计调整使渠道内的水流具有将薄壁堰前淤积泥沙清空冲刷携带至薄壁堰后的流速。
8.终端控制器，用于在测量水位时产生检测控制信号及启动控制信号，并在接收到渠道中流经的水位时产生关闭控制信号，将所述待测渠道中的水位发送至云平台；
9.挡水闸门，设置在所述薄壁堰上对应所述冲砂孔的位置，用于打开或封堵所述冲砂孔，所述挡水闸门的宽度大于所述冲砂孔的宽度；
10.电机，设置在所述薄壁堰上，并分别与所述挡水闸门及所述终端控制器连接，用于根据所述启动控制信号或关闭控制信号控制所述挡水闸门的启闭；
11.量水设施，设置在所述薄壁堰上，并与所述终端控制器连接，用于根据所述检测控制信号测量待测渠道中的水位，并将所述待测渠道中的水位发送至所述终端控制器。
12.可选地，所述冲砂孔的高度小于所述薄壁堰高度的1/2。
13.可选地，所述量水设施包括：
14.支架，固定在待测渠道上对应所述薄壁堰的位置；
15.支臂，固定在所述支架上，向待测渠道的上游伸出；
16.雷达液位计，设置在所述支臂上，与所述终端控制器连接，用于根据所述检测控制信号测量所述待测渠道中的水位，并将所述待测渠道中的水位发送至所述终端控制器。
17.可选地，所述量水设施还包括：
18.摄像头，设置在所述支臂的末端，与所述终端控制器连接，用于获取所述挡水闸门及所述电机的图像，并将所述图像发送至所述终端控制器；
19.所述终端控制器还用于检测所述挡水闸门及所述电机的运行状态，在所述挡水闸门或所述电机发生故障时，产生故障信息，并将所述故障信息及所述图像发送至云平台。
20.可选地，所述基于底坡的量测水装置还包括：
21.蓄电池，分别与所述电机、所述雷达液位计、所述摄像头及所述终端控制器连接，用于为所述电机、所述雷达液位计、所述摄像头及所述终端控制器供电；
22.太阳板，位于所述支架正中竖向伸出的支杆上，并与所述蓄电池连接，用于为所述蓄电池供电。
23.可选地，所述基于底坡的量测水装置还包括：
24.闸门轨道，与所述薄壁堰固定连接，所述挡水闸门通过所述闸门轨道进行上下运动。
25.可选地，所述基于底坡的量测水装置还包括：
26.丝杆，分别与所述挡水闸门及所述电机连接，用于在所述电机的控制下控制所述挡水闸门的启闭。
27.可选地，所述基于底坡的量测水装置还包括：
28.封水槛，设置在所述薄壁堰底部对应所述挡水闸门的位置。
29.为了实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：
30.一种底坡坡度确定方法，所述底坡坡度确定方法包括：
31.采集待测渠道的参数数据；
32.根据所述参数数据确定起动流速和止动流速；
33.根据所述起动流速及止动流速确定标准坡度值；
34.根据所述参数数据确定临界坡度值；
35.根据所述标准坡度值及所述临界坡度值，确定现场施工的底坡坡度值；
36.基于底坡的量测水装置安装在底坡坡度为所述底坡坡度值的渠道流量监测断面上。
37.可选地，所述参数数据包括泥沙粒径、渠道水深、渠道最大过水流量、渠道底宽、渠道深度、渠道边坡、泥沙密度及液体密度；
38.所述根据所述参数数据确定起动流速和止动流速，具体包括：
39.根据所述泥沙粒径、渠道水深、渠道最大过水流量、渠道底宽、渠道深度、渠道边坡、泥沙密度以及液体密度，通过公式得到起动流速；
40.其中，μ
m0
为起动流速，h为渠道水深，d为泥沙粒径，ρs为泥沙密度，ρ为液体密度；
41.根据所述起动流速，通过μ
m0
＝(1.2～1.4)μ
oh
得到止动流速；其中，μ
oh
为止动流速。
42.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：在薄壁堰的下部开设冲砂孔，当需要测量水流量时，控制挡水闸门封堵冲砂孔，使渠道中行进的水流无渗漏全部流经薄壁堰，量水设施对待测渠道中的水位进行全部计量，不需要测量水流量时，控制挡水闸门打开冲砂孔，将淤积在量水设施前的泥沙通过冲砂孔冲挟至下游，避免了量测水设施处的泥沙淤积，保证了量测水数据的精度。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明基于底坡的量测水装置的结构详图；
45.图2为本发明基于底坡的量测水装置的模块结构示意图；
46.图3为本发明量测水装置的安装位置与渠道内水流方向的结构示意图；
47.图4为挡水闸门开启冲砂孔的结构详图；
48.图5为挡水闸门关闭冲砂孔的结构详图；
49.图6为薄壁堰各部分尺寸的示意图；
50.图7为本发明底坡坡度确定方法的流程图。
51.符号说明：
52.薄壁堰-1，终端控制器-2，挡水闸门-3，电机-4，量水设施-5，雷达液位计-51，摄像头-52，支架-53，支臂-54，蓄电池-6，太阳板-7，闸门轨道-8，封水槛-9，丝杆-10，底坡-11，渠道-12，冲砂孔-13，云平台-14；
53.薄壁堰安装宽度-b1，边宽-t，堰宽-b，堰上水头-h，口高-h，堰高-p，薄壁堰安装深度-p1。
具体实施方式
54.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.本发明的目的是提供一种基于底坡的量测水装置及底坡坡度确定方法，在薄壁堰的下部开设冲砂孔，当需要测量水流量时，控制挡水闸门封堵冲砂孔，使渠道中行进的水流无渗漏全部流经薄壁堰，量水设施对渠道中流经的水流进行全部计量，不需要测量水流量时，控制挡水闸门打开冲砂孔，将淤积在量水设施前的泥沙通过冲砂孔冲挟至下游，同时通过待测渠道的现场数据合理设置渠道的底坡，增大行进段水流速度，避免了量测水设施处的泥沙淤积，提高了量测水数据的精度。
56.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
57.如图1和图2所示，本发明基于底坡的量测水装置包括：薄壁堰1、终端控制器2、挡
水闸门3、电机4以及量水设施5。
58.具体地，如图3所示，所述薄壁堰1安装在待测渠道的流量监测断面上，所述薄壁堰1的底部开设有冲砂孔13；在所述待测渠道的流量监测断面行进渠槽段设计有一底坡11。合理设置底坡能使渠道内的水流具有将薄壁堰前淤积泥沙通过冲沙孔清空冲刷携带至薄壁堰后的流速。优选地，所述冲砂孔13的高度小于所述薄壁堰1高度的1/2。在本实施例中，所述冲砂孔13的高度为140mm。所述薄壁堰1为矩形薄壁堰1。所述冲砂孔13的形状为矩形或圆形。
59.所述终端控制器2用于在测量水流量时产生检测控制信号及启动控制信号，并在接收到渠道中流经的水位时产生关闭控制信号，将所述待测渠道中的水位发送至云平台14。
60.如图4和图5所示，所述挡水闸门3设置在所述薄壁堰1上对应所述冲砂孔13的位置，所述挡水闸门3用于打开或封堵所述冲砂孔13，所述挡水闸门3的宽度大于所述冲砂孔13的宽度。在本实施例中，所述挡水闸门3的高度为150mm。所述挡水闸门3的高度大于所述冲砂孔13的高度，所述冲砂孔13的顶部距薄壁堰1的堰顶160mm。当挡水闸门3完全提起紧贴在薄壁堰1上部实体部分，且挡水闸门3的上下缘均距薄壁堰1的实体部分上下缘有一定距离，冲砂孔13处于全开状态时，挡水闸门3不会额外阻滞水流从冲砂孔13及堰顶通行。
61.优选地，所述挡水闸门3设置在所述薄壁堰1的进水侧。由于薄壁堰1具有一定厚度，则开设在所述薄壁堰1上的冲砂孔13必然也具有一定厚度，将挡水闸门3设置所述薄壁堰1的进水侧，进一步避免在闸门关闭时，冲砂孔13的厚度部分形成泥沙淤积。
62.所述电机4设置在所述薄壁堰1上，并分别与所述挡水闸门3及所述终端控制器2连接，所述电机4用于根据所述启动控制信号或关闭控制信号控制所述挡水闸门3的启闭。
63.所述量水设施5设置在所述薄壁堰1上，并与所述终端控制器2连接，所述量水设施5用于根据所述检测控制信号测量待测渠道中的水位，并将所述待测渠道中的水位发送至所述终端控制器2。
64.进一步地，所述量水设施5包括：支架53、支臂54以及雷达液位计51。其中，所述支架53固定在待测渠道上对应所述薄壁堰1的位置；所述支臂54固定在所述支架53上，向待测渠道的上游伸出。
65.所述雷达液位计51设置在所述支臂54上，并所述终端控制器2连接，所述雷达液位计51用于根据所述检测控制信号测量所述待测渠道中的水位。在本实施例中，所述雷达液位计51位于支架53正中水平向上游伸出3倍～6倍堰顶最大水头支臂54处。通过雷达液位计51可精确测量量测水装置前的待测渠道的水位。
66.可选地，所述量水设施5还包括摄像头52。
67.具体地，所述摄像头52设置在所述支臂54的末端，并与所述终端控制器2连接，所述摄像头52用于获取所述挡水闸门3及所述电机4的图像，并将所述图像发送至所述终端控制器2。
68.所述终端控制器2分别与所述挡水闸门3、所述电机4及所述摄像头52连接，所述终端控制器2还用于检测所述挡水闸门3及所述电机4的运行状态，在所述挡水闸门3或所述电机4发生故障时，产生故障信息，并将所述故障信息及所述图像发送至云平台14；
69.所述终端控制器2通过4g模块与云平台14通信。
70.当挡水闸门3在运行过程中出现卡堵无法启闭时，终端控制器2将检测出的故障并上传云平台14，云平台14将故障信息推送至维护人员手机处，管理人员启动摄像头52对故障信息进行验证后，系统将其导航至现场根据手机故障提示，对故障进行排除。
71.所述基于底坡的量测水装置还包括蓄电池6及太阳板7。所述蓄电池6分别与所述电机4、所述雷达液位计51、所述摄像头52及所述终端控制器2连接，所述蓄电池6用于为所述电机4、所述雷达液位计51、所述摄像头52及所述终端控制器2供电；
72.所述太阳板7位于所述支架53正中竖向伸出的支杆上，并与所述蓄电池6连接，用于为所述蓄电池6供电。
73.进一步地，所述基于底坡的量测水装置还包括闸门轨道8。所述闸门轨道8与所述薄壁堰1固定连接，所述挡水闸门3通过所述闸门轨道8进行严丝合缝地上下运动。优选地。所述闸门轨道8通过焊接与薄壁堰1成为一个整体，主要起导向挡水闸门3上下启闭的作用，同时与挡水闸门3紧密结合起到封水效果。
74.更进一步地，所述基于底坡的量测水装置还包括丝杆10。所述丝杆10分别与所述挡水闸门3及所述电机4连接，所述丝杆10用于在所述电机4的控制下控制所述挡水闸门3的启闭。所述丝杆10与焊接在所述挡水闸门3顶部正中的丝杆10螺母配合起到启闭挡水闸门3的作用，当电机4带动丝杆10旋转时，固定在挡水闸门3顶部正中的丝杆10螺母随着丝杆10的旋转上下运动，进而带动挡水闸门3进行启闭。
75.优选地，所述基于底坡的量测水装置还包括封水槛9。所述封水槛9设置在所述薄壁堰1底部对应所述挡水闸门3的位置。封水槛9通过焊接与闸门轨道8、薄壁堰1为一体，配合闸门轨道8、挡水闸门3进行封水，防止水从闸门缝隙渗漏，影响水量测量精度。
76.可选地，所述基于底坡的量测水装置还包括减速机。所述减速机安装在支架53的顶部正中位置，所述减速机与所述丝杆10机械连接。
77.需要量测待测渠道的水位时，云平台14控制系统自动智能化落下挡水闸门3，渠道水流全部通过量水设施5，系统通过雷达、超声波等水位量测设备智能化读取量测水设施施测断面的水位，再由系统智能化计算出相应的过水流量。如图6所示为矩形薄壁堰1的各部分的尺寸及安装深度。
78.如图7所示，本发明还提供一种底坡坡度确定方法，所述底坡坡度确定方法包括：
79.步骤s1：采集待测渠道的参数数据；
80.步骤s2：根据所述参数数据确定起动流速和止动流速；
81.步骤s3：根据所述起动流速及止动流速确定标准坡度值；
82.步骤s4：根据所述参数数据确定临界坡度值；
83.步骤s5：根据所述标准坡度值及所述临界坡度值，确定现场施工的底坡坡度值；
84.所述基于底坡的量测水装置安装在底坡坡度为所述底坡坡度值的渠道的流量监测断面上。
85.具体地，所述参数数据包括泥沙粒径、渠道水深、渠道最大过水流量、渠道底宽、渠道深度、渠道边坡、泥沙密度及液体密度；
86.所述根据所述参数数据确定起动流速和止动流速，具体包括：
87.根据所述泥沙粒径、渠道水深、渠道最大过水流量、渠道底宽、渠道深度、渠道边坡、泥沙密度以及液体密度，通过公式
得到起动流速；
88.其中，μ
m0
为起动流速，h为渠道水深，d为泥沙粒径，ρs为泥沙密度，ρ为液体密度；
89.根据所述起动流速，通过μ
m0
＝(1.2～1.4)μ
oh
得到止动流速；其中，μ
oh
为止动流速。即起动流速为止动流速的1.2至1.4倍。
90.进一步地，所述根据所述起动流速及止动流速确定标准坡度值，具体包括：
91.根据所述起动流速及止动流速，得到冲沙流速；
92.根据冲沙流速，通过公式得到标准坡度值；其中，i为标准坡度值，v为冲沙流速，c为谢齐系数，r为水力半径。
93.更进一步地，所述参数数据包括：临界水深断面面积；
94.所述根据所述参数数据确定临界坡度值，具体包括：
95.通过公式得到临界坡度值；其中，ik为临界坡度，g为重力加速度，ak为临界水深时过水断面面积，α为修正系数，ck为谢齐系数，rk为水力半径，xk为湿周。
96.优选地，所述根据所述标准坡度值及所述临界坡度值，确定现场施工的底坡坡度值，具体包括：
97.比较所述标准坡度值和所述临界坡度值的大小；
98.若所述标准坡度值大于所述临界坡度值，将所述标准坡度值作为第一实际坡度值；
99.若所述临界坡度值大于所述标准坡度值，将所述临界坡度值作为第一实际坡度值；
100.将所述第一实际坡度值向上取整，得到第二实际坡度值；
101.将所述第二实际坡度值作为现场施工的底坡坡度值。
102.此外，在得到起动流速和止动流速后，可以参考《灌溉与排水工程设计规范》(gb50288-2018)表d.0.1-2中列明的不同粒径泥沙对应的止动幺速，通过几种不同粒径泥沙颗粒起动流速、止动流速的计算及判断方法，相互印证不同粒径泥沙颗粒起动流速、止动流速确定的科学性及合理性，最终确定水量施测渠道断面冲沙水流的最小流速。
103.(gb50288-2018)表d.0.1-2渠道水流中不同粒径泥沙止动幺速表
104.粒径(mm)止动幺速(m/s)粒径(mm)止动幺速(m/s)粒径(mm)止动幺速(m/s)0.0010.110.0600.241.5000.730.0020.120.0700.252.0000.820.0030.130.0800.263.0000.950.0040.130.0900.274.0001.050.0050.130.1000.285.0001.140.0060.140.1500.316.0001.220.0070.140.2000.368.0001.36
0.0080.140.3000.4110.0001.480.0090.150.4000.4620.0001.930.0100.150.5000.4930.0002.240.0150.170.6000.5340.0002.490.0200.180.7000.5650.0002.710.0300.200.8000.5860.0002.900.0400.210.9000.6180.0003.220.0500.231.0000.63100.0003.53
105.对于灌区渠道水流中泥沙的起动流速及止动流速也可依据其他权威书籍及规范中列明公式进行计算。
106.可选地，依据《灌溉与排水工程设计规范》(gb50288-2018)附录c《渠道允许不冲流速各表》根据渠道水量施测断面行进渠槽段衬砌材料的不同选定行进渠槽段允许不冲流速，即为水量施测断面行进渠槽段内水流最大冲沙流速。根据所述起动流速及止动流速，得到冲沙流速，最终确定的冲沙流速应介于最小冲沙流速与最大冲沙流速之间。确定原则为大于最小冲沙流速即可将该行进渠槽段内水流挟带的泥沙冲至量测水设施下游；小于渠道水量施测断面行进渠槽段最大流速，可避免对行进渠槽段衬砌材料造成冲刷；冲沙流速的确定决定了水量施测断面行进渠槽段渠底底坡的大小，确定的冲沙流速过大，会加大水量施测断面行进渠槽段的底坡，使行进渠槽段上游渠道水面过度壅高，超出渠道两侧渠堤，提高冲沙措施的工程费用；因此最终确定的冲沙流速在小于最大冲沙流速的情况下，仅稍大于最小冲沙流速即可满足水量施测断面行进渠槽段的冲沙要求。
107.灌区渠道水量施测断面行进渠槽段渠底坡度设计合理性验证：
108.通过下述理论计算公式可判断行进渠槽段坡度状态，其上水流属何种流态，进一步验证灌区渠道水量施测断面行进渠槽段底坡设计的合理性。
109.渠道输水的流态根据渠底坡度陡坡、临界坡、缓坡，相对应的渠道水流流态为急流、临界流及缓流三种不同水流流态。
110.1、i＞ik属陡坡，水流流态为急流；急流流速较大，不宜淤积；
111.2、i＝ik属临界坡，水流流态为临界流；
112.3、i＜ik属缓坡，水流流态为缓流；缓流流速较低，宜在渠底产生淤积；
113.其中，i为渠道底坡；ik为临界坡度。
114.验证结论：
115.如果依据选定的冲沙流速设计的渠道水量施测断面行进渠槽段底坡坡度大于行进渠槽段底坡临界坡，行进渠槽段内水流流态属急流，则证明渠道水量施测断面行进渠槽段坡度设计合理。
116.如果依据选定的冲沙流速设计的渠道水量施测断面行进渠槽段底坡坡度小于行进渠槽段底坡临界坡，行进渠槽段内水流流态属缓流，则应选定稍大于行进渠槽段底坡临界坡的坡度作为行进渠槽段底坡，确定行进渠槽段底坡上的流态属急流，适于冲沙为止。(两个坡度取最大值再取整，取整的目的是方便工程施工，然后根据这个坡度值设计前面结构部分的陡坡角度。)
117.此外，本发明在薄壁堰1底部开设冲砂孔13，以及量水设施5前行进渠槽段底坡11
调整方法在各式量测水设施中可组合使用，也可单独使用，例如量测水标准断面也可只调整增大行进渠槽段底坡11的坡度，增大标准量测断面流速，避免在量测水标准断面泥沙淤积。
118.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
119.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。