[发明专利]泄水建筑物掺气水流水面高程的测量方法

说明书

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：

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和掺气水深其中b为泄槽槽宽，ζ为修正系数，可取1.0s/m～1.4s/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h_b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c_i，然后对掺气浓度值c_i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c_i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～1000Ω，而本发明相邻电极片之间的清水电阻值控制在100Ω～200Ω，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“3σ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1。

表1  表层掺气水体流动类型与掺气浓度界定标准

本发明步骤2）中对高掺气浓度传感器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的步骤为：