水工建筑物物(水力学监测)
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。
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、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 );
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。
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。
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
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。
u C 2 gH w
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。
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。
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。
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。
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。
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。