CN110243438A - 一种量水堰渗流量智能监测集成装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水工大坝原型安全监测渗流量监测技术领域，具体涉及一种量水堰渗流量智能监测集成装置及其测量方法。本发明一种量水堰渗流量智能监测集成装置及其测量方法，包括量水堰计，量水堰计包括圆筒和传感装置，圆筒内设有水位观察室，水位观察室设有浮动观测点，圆筒顶部设有传感装置，传感装置包括保护壳，保护壳上设有螺纹保护盖，保护壳内设有激光位移传感器，保护壳上设有通气室一，通气室位于激光位移传感器下方，保护壳设有若干通气孔一，激光位移传感器经通讯电缆连接至数据处理端，圆筒设有通水管口一，通水管口一上设有引水管。本发明堰上水位观测点、玻璃管及量水堰计三者串联形成连通器，可有效测读量水堰堰上水头。
Description
技术领域
本发明涉及水工大坝原型安全监测渗流量监测技术领域，具体涉及一种量水堰渗流量智能监测集成装置及其测量方法。
背景技术
渗流量监测是对水工大坝建筑物及其两岸和坝基在水头压力作用下的渗水量进行观测，其目的是根据渗流量大小及其变化情况分析水工建筑物防渗、排水、降压设施运行是否正常，为大坝安全运用和维修养护提供决策依据。渗流量监测水工大坝原型安全监测的必设监测项目，目前多通过水尺、水位测针、量水堰和量水堰计联合确定。
常规量水堰计所使用的传感器有液压式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁致式传感器等，其工作原理多利用传感器观测液压、电流、磁场变化量来测算堰上水头，再通过不同堰型渗流量计算公式计算渗流量，不过上述传感器成本较大。
另外构成常规渗流量监测***的量水堰、水尺（人工观测用）、量水堰计通常单独安装埋设，个体独立性较强，难以形成有机统一整体，工程实践中通常存在如下问题：1）量水堰计和水尺安装埋设工程位置不同，使得二者的观测值存在一定差异，人工比测时往往又需要利用水尺人工读数校核量水堰计读数，二者工程位置不同带来的观测值差异使得人工比测时水尺读数的可参照性、对比性降低；2）大坝坝体排水廊道内渗水流量较小，渠深通常也较小，通常未设置水尺，需要人工测读量水堰堰上水头时通常采用卷尺、游标卡尺等粗略量取，测量精度低，误差大，特别是在后期定期比测时人工读数与量水堰计自动化读数差距较大；3）常规渗流量监测***量水堰堰口位置仪器观测值（水尺人工读数、量水堰计读数）很难精确获得，其主要难点在于过程测量中二次测量基准点如何统一，在工程实践中存在一定的技术难度和操作可行性。
因此，针对上述工程难题，研究一种能够有机整合量水堰、水尺、量水堰计各自工作特点并同时能够有效控制工程造价的渗流量智能监测集成装置和观测方法具有重要的工程意义。
发明内容
针对上述工程背景渗流量监测技术存在的不足和缺陷，本发明的目的旨在提供一种能够有机整合量水堰、水尺、量水堰计各自工作特点并同时能够有效控制工程造价的渗流量智能监测集成装置及其测量方法，该装置结构原理简单，操作方便快捷，可以很好的解决以上工程难题，具体方案如下：
一种量水堰渗流量智能监测集成装置，包括量水堰计，通讯电缆和数据处理端，所述量水堰计包括圆筒和传感装置，所述圆筒内设有水位观察室，所述水位观察室设有浮动观测点，所述圆筒顶部通过固定螺栓连接有传感装置，所述传感装置包括保护壳，所述保护壳上设有螺纹保护盖，所述保护壳内设有激光位移传感器，所述保护壳开设有激光照射窗，所述保护壳上设有通气室一，所述通气室位于激光位移传感器下方，所述保护壳设有若干通气孔一，所述激光位移传感器经通讯电缆连接至数据处理端，所述圆筒设有通水管口一，所述通水管口一与引水管连接。
所述浮动观测点上部为白色反光片，所述浮动观测点下部为塑料泡沫浮标。且浮动观测点直径略小于圆筒内径，可随圆筒内水位变化上下自由移动。
所述圆筒上设有螺栓不锈钢圈，所述圆筒一侧通过螺栓不锈钢圈和固定螺栓设有玻璃管，所述玻璃管底部设有塑料软管，所述圆筒设有通水管口二，所述圆筒的通水管口二和玻璃管底部通过塑料软管连接，所述玻璃管顶部设有玻璃保护盖。本发明通过将带刻度的玻璃管（水尺）与水位观察室用塑料软管连接，有效观测上游同一工程位置水位，能够有效避免由于工程位置水位不同导致的水尺人工读数和激光位移传感器读数存在差异的影响，有利于后期重新人工比测标定。
所述玻璃保护盖包括嵌入段，所述玻璃保护盖设有通气室二和若干通气孔二。保证玻璃管内的水位上升不受玻璃管内气压变化的影响。
所述玻璃管为带刻度的玻璃管，最小分度值为毫米mm，所述玻璃管保护盖下边缘设有翼板。翼板的设置，可防雨滴进入圆筒内。
所述引水管一侧设有引水管花管段，所述引水管花管段设有开孔，所述面积开孔率10%~20%，所述开孔呈梅花状分布并且排列均匀，所述引水管花管段外部包裹无纺土工布，所述引水管花管段经固定于渠道底部（即该点为堰上水位观测点）。
所述圆筒材质为耐腐蚀、不透光或弱透光材质。可以提高圆筒的寿命，并且保证激光位移传感器数据的精确性。
所述通水管口二和通水管口一对称设置。
一种如权利要求1所述的量水堰渗流量智能监测集成装置的测量方法，包括如下步骤：
（1）在已知量水堰断面开槽，利用水平尺工具安装量水堰板，确保量水堰板上部水平，所述量水堰可任意为等腰直角三角形量水堰、等腰梯形量水堰或矩形量水堰中的一种；利用水泥砂浆填充开槽，确保量水堰板与量水堰四周保持良好连接，量水堰板位置不发生渗漏；
（2）在量水堰板下游侧安装带玻璃管，玻璃保护盖及量水堰计，并利用螺栓不锈钢圈将二者固定在量水堰板上，玻璃管和圆筒均相对于量水堰板垂直；将浮动观测点置入圆筒内，并用固定螺栓连接传感装置与圆筒；将激光位移传感器放入保护壳内，并把激光位移传感器通过通讯电缆连接至数据处理终端，拧紧螺纹保护盖；用塑料软管连接玻璃管和圆筒，以及圆筒和引水管；
（3）在距离量水堰板上游3H~5H（H为最大堰上水头）处渠道底部安装固定支架，用螺栓不锈钢圈和膨胀螺丝将固定支架固定于渠道底部；引水管花管段外包一层无纺土工布并将其固定在支架上；引水管与通水管口一用止水带和胶水有效连接；
（4）确定激光位移传感器计算水位基准值：利用水平尺寻找量水堰堰口最低点对应玻璃管刻度值为H1，并在玻璃管对应位置作好标记；对于任意i时刻堰口过流情形，玻璃管刻度值为H1i，激光位移传感器测值计算水位为H2i，则根据i时刻玻璃管人工测值反算激光位移传感器计算水位基准值H2 = H2i+ H1 - H1i；
（5）计算堰上水头及渗流量：对于任意j时刻堰口过流情形，激光位移传感器计算水位测值为H2j，则堰上水头ΔH2j=H2j-H2，式中H2通过第（4）步确定，根据对应堰口类型的量水堰渗流量计算公式可计算得到j时刻的渗流量；
（6）人工比测：对于任意k时刻堰口过流情形，玻璃管刻度值为H1k，激光位移传感器计算水位测值为H2k，则玻璃管人工观测堰上水头ΔH1k=H1k-H1，式中H1通过第（4）步确定，激光位移传感器计算堰上水头ΔH2k=H2k-H2，式中H2通过步骤（4）确定，计算δ=|ΔH1k-ΔH2k|可复核激光位移传感器测值的准确性，当δ超出仪器精度时就需要对激光位移传感器进行率定或进行更换。
式中H1通过第（4）步确定，激光位移传感器计算堰上水头ΔH1k=H1k-H1，式中H2通过步骤（4）确定，计算δ=|ΔH1k-ΔH2k|可复核激光位移传感器测值的准确性，当δ超出仪器精度时就需要对激光位移传感器进行率定或进行更换。
所述玻璃管固定在量水堰计旁靠近量水堰板中心线一侧。该设计能够防止步骤（4）中用水平尺量取的时候会被圆筒挡住（即能够便于用水平尺量取量水堰堰口最低点对应玻璃管刻度值）。
工程实际中，水工大坝坝内排水廊道由于渗流量较小渠浅而未设置水尺（本申请带刻度的玻璃管），人工观测通常情况下采用标尺如卷尺、游标卡尺等大致量水堰的堰上水头，测量精度低，误差大，特别是在后期定期比测时人工读数与传感器读数差距较大，本发明堰上水位观测点、玻璃管及量水堰计通过引水管及塑料软管连接，三者串联形成连通器，可有效测读量水堰堰上水头，为人工比测工作提供有效精准读数。
本发明的激光位移传感器设置在保护壳内，能够保护激光位移传感器不收到外界环境的影响；同时保护壳设有通气孔一，能够避免圆筒内气压对测试的影响。
本发明通过设置浮动观测点，利用激光位移传感器测得堰上水位的变化量，从而测得堰上水头，再通过公式计算获得渗流量，其工作原理较常规量水堰计所使用的传感器有所不同，通过此改进，量水堰计传感器成本显著降低，节省渗流量自动化观测工程成本，具有较大的社会经济实用价值。
在本发明的上述技术方案中，在上游渠道底部设置一个堰上水位观测点，并通过引水管及塑料软管连接将堰上水位观测点、玻璃管及量水堰计三者有机串联在一起，形成连通器，基于等压面原理由玻璃管、量水堰计同步观测量水堰板上游同一工程位置处堰上水位，最后根据对应堰口类型的量水堰渗流量计算公式计算渗流量。
本发明具有有如下优点：
①克服了由于量水堰计和水尺安装埋设工程位置不同、参照物不明确导致的观测值差异，为后期人工比测、仪器校验提供精准数据，依据科学明确；
②利用玻璃管和量水堰计同步有效观测数据，经过反算可较为精确地获得堰口水位计算基准值，相较于通过采用卷尺、游标卡尺等粗略量取堰上水头的手段方法，有效规避了过程测量中二次测量基准点如何统一等工程技术难题，数据精度、可信性、可靠性明显提高；
③通过设置引水管将常规渗流量监测***的水尺（人工观测用）、量水堰计移至量水堰下游侧，并进行结构布局上的整合，将水尺、量水堰计、量水堰板有机结合在一起，形成结构统一、目的明确、功能多样的有机整体，克服单个仪器独立性强、彼此配合性不佳等工程问题；
④通过设置浮动观测点将激光位移传感器引入量水堰渗流量观测体系，亦有效降低传感器工程造价，节省渗流量观测工程成本；故本发明具有重大的工程现实意义。
附图说明
图1 本发明一种量水堰渗流量智能监测集成装置的结构示意图一；
图2 本发明一种量水堰渗流量智能监测集成装置的结构示意图二；
图3本发明一种量水堰渗流量智能监测集成装置中传感装置的结构示意图；
图4本发明一种量水堰渗流量智能监测集成装置中玻璃保护盖的结构示意图；
图5本发明一种量水堰渗流量智能监测集成装置中浮动观测点的结构示意图；
其中标号：1.传感装置；11.保护壳；12.螺纹保护盖；13.激光位移传感器；131.通讯电缆；132.激光照射窗；14.通气孔一；15.通气室一；2.圆筒；21.通水管口二；3.水位观察室；4.通水管口一；41.引水管；411.引水管花管段；5.浮动观测点；51.白色反光片；52.塑料泡沫浮标；6.玻璃管；61.玻璃保护盖；611.通气室二；612.通气孔二；613.嵌入段；614.翼板；62.螺栓不锈钢圈；63.塑料软管；7.量水堰；8.固定螺栓。
具体实施方式
下面结合图1-5进行进一步说明：
一种量水堰渗流量智能监测集成装置，包括量水堰计，通讯电缆131和数据处理端，量水堰计包括圆筒2和传感装置1，圆筒2内设有水位观察室3，水位观察室3设有浮动观测点5，圆筒2顶部通过固定螺栓8连接有传感装置1，传感装置1包括保护壳11，保护壳11上设有螺纹保护盖12，保护壳11内设有激光位移传感器13，保护壳11开设有激光照射窗，保护壳11上设有通气室一15，通气室15位于激光位移传感器13下方，保护壳11设有若干通气孔一14，激光位移传感器13经通讯电缆131连接至数据处理端，圆筒2设有通水管口一4，通水管口一4与引水管41连接。
浮动观测点5上部为白色反光片51，浮动观测点下部为塑料泡沫浮标52。且浮动观测点5直径略小于圆筒2内径，可随圆筒2内水位变化上下自由移动。
圆筒2上设有螺栓不锈钢圈62，圆筒2一侧通过螺栓不锈钢圈62和固定螺栓8设有玻璃管6，玻璃管6底部设有塑料软管63，圆筒2设有通水管口二21，圆筒2的通水管口二21和玻璃管6底部通过塑料软管63连接，玻璃管6顶部设有玻璃保护盖61。本发明通过将带刻度的玻璃管6（水尺）与水位观察室3用塑料软管63连接，有效观测上游同一工程位置水位，能够有效避免由于工程位置水位不同导致的水尺（玻璃管6）人工读数和激光位移传感器13读数存在差异的影响，有利于后期重新人工比测标定。
玻璃保护盖61包括嵌入段613，玻璃保护盖61设有通气室二611和若干通气孔二612。保证玻璃管6内的水位上升不受玻璃管6内气压变化的影响。
玻璃管6为带刻度的玻璃管6，最小分度值为毫米mm，玻璃管保护盖61下边缘设有翼板614。翼板614的设置，可防雨滴进入圆筒内。
引水管41一侧设有引水管花管段411，引水管花管段411设有开孔，面积开孔率10%~20%，开孔411呈梅花状分布并且排列均匀，引水管花管段411外部包裹无纺土工布，引水管花管段411经固定于渠道底部（即该点为堰上水位观测点）。
圆筒2材质为耐腐蚀、不透光或弱透光材质。可以提高圆筒2的寿命，并且保证激光位移传感器13数据的精确性。
通水管口二21和通水管口一4对称设置。
一种如权利要求1的量水堰渗流量智能监测集成装置的测量方法，包括如下步骤：
（1）在已知量水堰7断面开槽，利用水平尺工具安装量水堰板，确保量水堰板上部水平，量水堰7可任意为等腰直角三角形量水堰、等腰梯形量水堰或矩形量水堰中的一种；利用水泥砂浆填充开槽，确保量水堰板与量水堰四周保持良好连接，量水堰板位置不发生渗漏；
（2）在量水堰板下游侧安装带玻璃管6，玻璃保护盖61及量水堰计，并利用螺栓不锈钢圈62将二者固定在量水堰板上，玻璃管6和圆筒2均相对于量水堰板垂直；将浮动观测点5置入圆筒2内，并用固定螺栓8连接传感装置1与圆筒2；将激光位移传感器13放入保护壳11内，并把激光位移传感器13通过通讯电缆131连接至数据处理终端，拧紧螺纹保护盖12；用塑料软管63连接玻璃管6和圆筒2，以及圆筒2和引水管41；
（3）在距离量水堰板上游3H~5H（H为最大堰上水头）处渠道底部安装固定支架，用螺栓不锈钢圈62和膨胀螺丝将固定支架固定于渠道底部；引水管花管段411外包一层无纺土工布并将其固定在支架上；引水管41与通水管口一4用止水带和胶水有效连接；
（4）确定激光位移传感器13计算水位基准值：利用水平尺寻找量水堰7堰口最低点对应玻璃管刻度值为H1，并在玻璃管6对应位置作好标记；对于任意i时刻堰口过流情形，玻璃管6刻度值为H1i，激光位移传感器测13值计算水位为H2i，则根据i时刻玻璃管6人工测值反算激光位移传感器13计算水位基准值H2 = H2i+ H1 - H1i；
（5）计算堰上水头及渗流量：对于任意j时刻堰口过流情形，激光位移传感器计算水位测值为H2j，则堰上水头ΔH2j=H2j-H2，式中H2通过第（4）步确定，根据对应堰口类型的量水堰渗流量计算公式可计算得到j时刻的渗流量；
（6）人工比测：对于任意k时刻堰口过流情形，玻璃管6刻度值为H1k，激光位移传感器计算水位测值为H2k，则玻璃管人工观测堰上水头ΔH1k=H1k-H1，式中H1通过第（4）步确定，激光位移传感器计算堰上水头ΔH2k=H2k-H2，式中H2通过第（4）步确定，计算δ=|ΔH1k-ΔH2k|可复核激光位移传感器13测值的准确性，当δ超出仪器精度时就需要对激光位移传感器13进行率定或进行更换。(i,j,k可以为相同或不同值)
玻璃管6固定在量水堰计旁靠近量水堰板中心线一侧。该设计能够防止步骤（4）中用水平尺量取的时候会被圆筒挡住（即能够便于用水平尺量取量水堰堰口最低点对应玻璃管刻度值）。
工程实际中，水工大坝坝内排水廊道由于渗流量较小渠浅而未设置水尺（本申请带刻度的玻璃管），人工观测通常情况下采用标尺如卷尺、游标卡尺等大致量水堰的堰上水头，测量精度低，误差大，特别是在后期定期比测时人工读数与传感器读数差距较大，本发明堰上水位观测点、玻璃管6及量水堰计通过引水管41及塑料软管63连接，三者串联形成连通器，可有效测读量水堰堰上水头，为人工比测工作提供有效精准读数。
本发明的激光位移传感器13设置在保护壳11内，能够保护激光位移传感器13不收到外界环境的影响；同时保护壳11设有通气孔一14，能够避免圆筒内气压对测试的影响。
本发明通过设置浮动观测点5，利用激光位移传感器13测得堰上水位的变化量，从而测得堰上水头，再通过公式计算获得渗流量，其工作原理较常规量水堰计所使用的传感器（本发明为激光位移传感器13）有所不同，通过此改进，量水堰计传感器成本显著降低，节省渗流量自动化观测工程成本，具有较大的社会经济实用价值。
在本发明的上述技术方案中，在上游渠道底部设置一个堰上水位观测点，并通过引水管41及塑料软管63连接将堰上水位观测点、玻璃管6及量水堰计三者有机串联在一起，形成连通器，基于等压面原理由玻璃管、量水堰计同步观测量水堰板上游同一工程位置处堰上水位，最后根据对应堰口类型的量水堰渗流量计算公式计算渗流量。
以上内容是结合本发明创造的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明创造具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。
Claims (10)
1.一种量水堰渗流量智能监测集成装置，其特征在于：包括量水堰计，通讯电缆和数据处理端，所述量水堰计包括圆筒和传感装置，所述圆筒内设有水位观察室，所述水位观察室设有浮动观测点，所述圆筒顶部通过固定螺栓连接有传感装置，所述传感装置包括保护壳，所述保护壳上设有螺纹保护盖，所述保护壳内设有激光位移传感器，所述保护壳开设有激光照射窗，所述保护壳上设有通气室一，所述通气室位于激光位移传感器下方，所述保护壳设有若干通气孔一，所述激光位移传感器经通讯电缆连接至数据处理端，所述圆筒设有通水管口一，所述通水管口一与引水管连接。
2.如权利要求1所述的一种量水堰渗流量智能监测集成装置，其特征在于：所述浮动观测点上部为白色反光片，所述浮动观测点下部为塑料泡沫浮标。
3.如权利要求1所述的一种量水堰渗流量智能监测集成装置，其特征在于：所述圆筒上设有螺栓不锈钢圈，所述圆筒一侧通过螺栓不锈钢圈和固定螺栓设有玻璃管，所述玻璃管底部设有塑料软管，所述圆筒设有通水管口二，所述圆筒的通水管口二和玻璃管底部通过塑料软管连接，所述玻璃管顶部设有玻璃保护盖。
4.如权利要求3所述的一种量水堰渗流量智能监测集成装置，其特征在于：所述玻璃保护盖包括嵌入段，所述玻璃保护盖设有通气室二和若干通气孔二。
5.如权利要求3所述的一种量水堰渗流量智能监测集成装置，其特征在于：所述玻璃管为带刻度的玻璃管，最小分度值为毫米mm，所述玻璃管保护盖下边缘设有翼板。
6.如权利要求1所述的一种量水堰渗流量智能监测集成装置，其特征在于：所述引水管一侧设有引水管花管段，所述引水管花管段设有开孔，所述面积开孔率10%~20%，所述开孔呈梅花状分布并且排列均匀，所述引水管花管段外部包裹无纺土工布，所述引水管花管段经固定于渠道底部。
7.如权利要求1所述的一种量水堰渗流量智能监测集成装置，其特征在于：所述圆筒材质为耐腐蚀、不透光或弱透光材质。
8.如权利要求3所述的一种量水堰渗流量智能监测集成装置，其特征在于：所述通水管口二和通水管口一对称设置。
9.一种如权利要求1所述的量水堰渗流量智能监测集成装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在已知量水堰断面开槽，利用水平尺工具安装量水堰板，确保量水堰板上部水平，所述量水堰为等腰直角三角形量水堰、等腰梯形量水堰或矩形量水堰中的任意一种；利用水泥砂浆填充开槽，确保量水堰板与量水堰四周保持良好连接，量水堰板位置不发生渗漏；
（2）在量水堰板下游侧安装带玻璃管，玻璃保护盖及量水堰计，并利用螺栓不锈钢圈将二者固定在量水堰板上，玻璃管和圆筒均相对于量水堰板垂直；将浮动观测点置入圆筒内，并用固定螺栓连接传感装置与圆筒；将激光位移传感器放入保护壳内，并把激光位移传感器通过通讯电缆连接至数据处理终端，拧紧螺纹保护盖；用塑料软管连接玻璃管和圆筒，以及圆筒和引水管；
（3）在距离量水堰板上游3H~5H处渠道底部安装固定支架，用螺栓不锈钢圈和膨胀螺丝将固定支架固定于渠道底部；引水管花管段外包一层无纺土工布并将其固定在支架上；引水管与通水管口一用止水带和胶水有效连接；
（4）确定激光位移传感器计算水位基准值：利用水平尺寻找量水堰堰口最低点对应玻璃管刻度值为H1，并在玻璃管对应位置作好标记；对于任意i时刻堰口过流情形，玻璃管刻度值为H1i，激光位移传感器测值计算水位为H2i，则根据i时刻玻璃管人工测值反算激光位移传感器计算水位基准值H2 = H2i+ H1 - H1i；
（5）计算堰上水头及渗流量：对于任意j时刻堰口过流情形，激光位移传感器计算水位测值为H2j，则堰上水头ΔH2j=H2j-H2，式中H2通过第（4）步确定，根据对应堰口类型的量水堰渗流量计算公式可计算得到j时刻的渗流量；
（6）人工比测：对于任意k时刻堰口过流情形，玻璃管刻度值为H1k，激光位移传感器计算水位测值为H2k，则玻璃管人工观测堰上水头ΔH1k=H1k-H1，式中H1通过第（4）步确定，激光位移传感器计算堰上水头ΔH2k=H2k-H2，式中H2通过步骤（4）确定，计算δ=|ΔH1k-ΔH2k|可复核激光位移传感器测值的准确性，当δ超出仪器精度时就需要对激光位移传感器进行率定或进行更换。
10.如权利要求9所述的量水堰渗流量智能监测集成装置的测量方法，其特征在于：所述玻璃管固定在量水堰计旁靠近量水堰板中心线一侧。
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