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null第五章 水文及水力学观测第五章 水文及水力学观测 §1 水位 §2 降水 §3 压强 §4 消能 §5 冲淤 §6 波浪null一、监测布置 一）上游水位 (1)一般在坝前设置一个观测点。水面广阔或形状特殊的水库，可在库区不同部位设置少数临时性测点。施工期也应布设上、下游水位的临时观测点。 (2)上游水位测点宜布设在水面平稳、受风浪和泄流影响较小、便于安装和观测的稳定岸坡或永久建筑物上。 (3)对输泄水建筑物的上游水位测点，可设置在引水管前池、渠首、堰前、闸墩侧壁等处。null电站整体示意图null二)下游水位 (1)下游水位应布设在受泄流影响较小、水流平顺、便于安装和观测的部位，一般布设在各泄木建筑物泄流汇合处的下游不受水跃和回流影响的地点。 (2)当下游河道无水时，可用河道中的地下水位代替，此时宜布设测压管、观测井或渗压计，并尽量与渗流监测相结合。 (3)消力池下游的水位测点，宜布设在距离消力池末端不小于消能设备总长的3—5倍处。null三）观测要求 (1)闸墩、消力池、泄洪工程进水渠的渠首及堰前水位，应观测时均水位。坝面波浪、水电站尾水波动、调压井、引水明渠和前池涌浪及船闸充水、泄水时应观测瞬时水位。 (2)时均水位一般用布设水尺法观测。水尺有直立式、倾斜式、浮筒式和悬锤式，也可用自记水位计自动记录。瞬时水位一般用遥测水位计、渗压计或波浪仪器观测。null二、观测设备 直立水尺 倾斜水尺 悬锤水尺 浮筒水尺 自记水位计 遥测水位计null 直立水尺的安装是在岸边打桩，把水尺钉在桩上，一般采用的木桩直径是15~25cm、桩长2~4m，或者在岩石上钻孔。埋设钢桩或钢筋混凝土桩。要使水尺面对着库岸，水尺范围要超出最高和最低水位各0.5m。因此，往往是成组布设。相邻水尺间应有0.1~0.2m的重合。在风浪较大的地方重合部分可为0.3~0.4m。 对于上游混凝土坝面和岩石岸坡，可在便于观测处的混凝土或岩壁上直接刻绘水尺，整个水尺设置工作应在蓄水前完成。null 水尺板安装后，需用四等以上水准测量的方法测定每支水尺的零点高程。在读得水尺板上的水位数值后加上该水尺的零点高程就是要观测的水位值。null 倾斜水尺 当测验河段内，岸边有规则平整的斜坡时，可采用此种水尺。此时，可以在平整的斜坡上（在岩石或水工建筑物的斜面上），直接涂绘水尺刻度。也可安装在库岸斜坡上，自上而下每隔适当距离用混凝土做成稳定的基础或打下钢板，其上装置水尺。 水尺的刻度，先用水准测量标记出每米水位标记线的位置，再把相邻两条米标记线中间的距离分成100等分，然后用彩色油漆画上线条和记上数字。null 同直立式水尺相比，倾斜式水尺具有耐久、不易冲毁，水尺零点高程不易变动等优点，缺点是要求条件比较严格，多沙河流上，水尺刻度容易被淤泥遮盖。null 悬锤水尺一般利用坚固库岸、桥梁或水工建筑物的岸壁设置，以带重锤的悬索(皮线或细钢丝绳等)测量水面距某一固定点的高差来计算水位。 优点：位置稳定，不会受到船筏、浮冰、洪水时漂浮物的碰撞，也可避免水草绕住尺桩抬高水位造成的影响； 缺点：悬索长度会改变，在风大绳长时会影响读数的正确性。null 浮筒水尺多安装在测井或测管内，用一根绳索绕过滑轮。一端悬挂浮筒，另一端悬挂平衡锤。绳索穿过支座，下垂到测井内，绳索多用钢带尺制成，尺上有尺寸标记。 安装时将钢带尺的零点标记对准滑轮旁固定指标上，即确定出相应水位高度，浮筒随水面升降而上下移动，因而指标处的读数在改变。只要将读数加一常数即得实际水位。null 自记水位计其特点是能自动地在方格纸上面出连续的水位过程线。 在水面上的浮子经过滑轮把水位升降变化传递到由钟机械带动的转轴上，由画笔在转简的方格纸上自动画出水位过程线。null 遥测水位计有电阻式、电感式、钢弦式、电机式等多种，设计时主要根据仪器观测精度、测量范围、长期稳定性、防水性能和传播距离等选用。若布设合适的渗压计或压力传感器，直接作为遥测水位计进行观测，是比较方便实用的。 遥测水位计一般可利用便携式数字仪表测量或自动采集测量记录水位数据。§2 降水§2 降水一、监测布置 (一)雨量站位置 在坝区选择四周空旷、平坦，避开局部地形、地物影响的地方设置雨量站。 一般情况下，四周障碍物与仪器的距离应超过障碍物的顶部与仪器管口高度差的2倍。 null雨量站由雨量传感器、雨量数据采集器（由数据采集器部分和采集控制部分组成）和上位计算机、上位数据处理软件组成。雨量传感器将降雨转化为脉冲信号传输到雨量数据采集器中，采集器中采集控制部分对数据进行分析、处理后将数据存储、上传。上位计算机通过RS－232串口或调制解调器读入数据并处理后显示。 null (二)雨量站面积 雨量站宜设置专用面积，布设一种仪器时，面积不小于4m ×4m；布设两种仪器时，面积不小于4m × 6m。 周围还应设置栅栏，保护仪器设备。如下图所示。null图5-1 降雨观测站布置(单位：m) (a)一个雨量器； (b)同时有两个雨量器和自记雨量计null （三）泄洪雾化 泄洪雾化属临时性监测，测点布置较多，可不受上述要求限制。 一般在雾化强降水区布设电测雨量计，在弱降水区则布设人工雨量器。null二、观测设备 (一) 雨量器 一般采用的仪器是20cm口径的雨量器。雨量器由雨量筒、储水瓶和量杯组成。 为防止雨水溅失，提高观测精度，雨量筒承雨的管口做成内直外斜的刀刃形，雨水直入器口后，由漏斗集中汇人储水瓶中；量杯是特制的玻璃杯，杯身有刻度，用以计量储水瓶中的雨量，小格表示0．1mm，大格表示1mm。null(二)自记雨量计 (1)自记雨量计是自动连续记录降雨液体的仪器，一般采用虹吸式自记雨量计。 (2)当雨水进入承水器后，经小漏斗汇入浮子室中。浮子随雨水增多而升高，并带动自记笔，在附于自记钟上的记录纸上画出雨量曲线。 (3)在浮子升到相当于10mm降水量高度时，雨水稍微高出虹吸管弯曲部分，虹吸管便立即发挥作用，将雨水自动排入储水瓶内，浮子随之降落至原来位置，自记笔也回落到零线上，以便再一次上升。null (三)智能雨量计 这是一种遥测和自动测报雨量计。 国产仪器由3部分组成： (1)传感器。由改进型翻斗式雨量计组成。 (2)采集器。完成雨量数据存储、误差修正、通讯等功能、存储的数据可由用户自备的微机采集，自动打印任意时段降雨量、起讫时间、计算日降雨量； (3)记录器。受采集器CPU控制，完成雨量参数模拟记录，可由用户决定是否选用。null仪器的主要特点： (1)使用方便、测量过程自动化。 (2)可靠性高，数传仪与采集器互不影响，互为校核。 (3)传感器采用双信号或三信号制，一个信号失误，不影响记录。 (4)测量精度高。 自动进行误差修正，全机密封防潮。§3 压强§3 压强一、监测布置 (一)布置要求 压强观测布置应根据泄水建筑物进出口水位差决定。当水位差超过80~100m时，应布设压强测点。 布设测点时以能反映过水表面压强分布特征满足监测工程安全运行为原则。null（二）观测点 1、泄水建筑物测点一般布设在闸孔中线、闸墩两侧和下游曲线段或不连续部位、如溢流坝的堰顶、坝下反弧及下切点附近以及相应位置的边墙等处。 2、对于过水边界不平顺及突变等部位，如平板闸门槽下游边壁、挑流鼻坎、消力墩侧壁等需布设测点。 3、有压管道进口顶部曲线段、渐变段、分岔段及局部不平整突体的下游边界上，宜根据需要布设测点。 null(三)观测站 1、观测站应尽量保持干燥、通风，宅温基本稳定，并避免受建筑物或地基振动的影响。 2、电源应保持稳定，不受大功率电气设备影响及信号的干扰。 3、观测站应尽量靠近测点，交通方便，照明良好。null二、观测设备 (一) 测压管 (二) 测压计 压力表、比压计等 比压计是直接测量两点压强差的装置。常用的比压计有水比压计和水银比压计。如果测量较大的压差则用水银比压计。 null 压力表中的弹性敏感元件随着压力的变化而产生弹性变形。 压力表采用弹簧管（波登管），膜片，膜盒及波纹管等敏感元件并按此分类。所测量的压力一般视为相对压力。一般相对点选为大气压力。弹性元件在介质压力作用下产生的弹性变形，通过压力表的齿轮传动机构放大，压力表就会显示出相对于大气压的相对值(或高或低)。§4 消能§4 消能一、监测布置 (一)观测内容 消能观测包括： 底流 面流 挑流 3类水流形态的测量和描述。null 底流消能指从加强水流的紊动出发，在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面漩滚和强烈的紊动以达到消能的目的。观测的重点是水流从急流状态变化到缓流状态时水面产生水跃的水力现象。 包括跃前及跃后水位、水面线、水跃形态和长度以及水跃平面流态和流速等。null底流消能的型式主要有以下三种： (1)降低护坦高所形成的消力地消能。 (2)在护坦末端修建消力坎所形成的消力池消能。 (3)以上两种型式加上趾墩、消力墩、尾槛等辅助消能工程所形成的综合式消力池消能。null 面流消能指当下游水深较大而且比较稳定时，可采取一定的工程措施，将急流导向下游水面，主流与河床之间由巨大的底部漩滚隔开，可避免高速水流对河床的冲刷。 观测的重点是坝下水流流态及面流波。 包括回流范围及回流中心、回流流向、淤积区、波动特性及岸边波浪爬高、波高沿程衰减过程及终点。null 挑流消能：利用下泄水流所挟带的巨大动能，因势利导将水流挑射远离建筑物的下游。在挑射过程中，水流受到空气的阻力而扩散，掺入大量空气，降落到下游水面后，又受到下游水体的阻力，形成激烈的漩滚而消能。 观测的重点是挑流水舌和水势消能及雾化。 包括水舌出射角及入水角、水舌轨迹及挑距、冲坑、平面扩散度及碰撞流态、雾化范围和强度的测定。null消能方式：􀂄空中消能􀂄水中消能􀂄null 工程实际中，消能方式的选择是一个十分复杂的问题，必须结合具体工程，兼顾水力、地形、地质及应用条件进行综合分析选定。上述三种消能型式的优缺点如下： (1)底流消能的优点：水跃稳定，安全可靠，消能效果好，下游水面波动小。 缺点：消力池的工程量大，增加工程造价。 (2)挑流消能的优点：节约护坦工程，可降低造价，消能效果好。 缺点：空中雾气大，尾水波动大，要求下游河床抗冲能力强。 (3)面流消能的优点：主流在表面，底部流速小，不易冲刷河床，有利于漂木、漂冰和宣泄其他漂浮物。 缺点：水流衔接形式复杂多变，不易控制。下游水面波动很大，两岸易遭冲刷，有碍航运及水轮机工作。§5 冲淤§5 冲淤一、监测布置 (一)观测断面 1、库区 通常在拦河坝前布设1个断面至入库前均匀布置若干个断向，断面方向一般与主河道基本垂直，在河道拐弯处可布置成辐射状，见下图。nullnull每个断面除两端各有1个断面桩外，还应在两端延长线上布设1个导标，以作断面测量时定向之用。导标一般用混凝土或钢轨制成，其高度为3~5m，结构型式见下图。null(二)测点定位 1、缆索法 对于库面较窄的河床式水冲，流速在1~1.5m/s以内时，可采用缆索法决定测深点的位置。施测方便，成果可靠，即在两断面桩间固定一根钢丝索或大瞬绳索，在缆索上根据测点位置设立标志，施测时测船沿缆索逐点进行，在邻近岸边测点时还应测量出最近岸边标志到水边的距离，如下图。null缆索法定位null2．交会法 当库面宽度大于150~200m，且流速大于1．5m/s时，可采用测角交会法决定测点位置、在适当位置布设两个控制点，各架设一部经纬仪或大平板仪，对各测点进行交会测量，如下图所示。 nullnull 分别测出测点与控制点之间的夹角α、β，即可计算出测点位置。实际观测时，必须使两部经纬仪的测角和测船上测深同时进行读数。 此法除应用于测量横断面冲淤局程外。还可用于沿水流方向观测纵断面的水下地形。null二、监测方法 监测方法见下表，可根据需要将其中两种方法结合使用。null1、断面测量法 在库区或河床沿水流方向每隔一定距离设一断面，两端用断面桩进行控制，每隔一定距离测量一点水深，测出水底高程断面与前次观测结果比较，即得变形量或淤积及冲刷量。null 2、直接测量法 此法是在测点处固定设置混凝土或其他耐久材料制成的地形桩(或称淤积桩)，并测出桩顶高程和露出长度，以后在库水位消落时，直接测量桩的露出长度，二者之差即为地形变化量。null 3、地形测量法 在库区及河床周围设立控制网，据以确定细部点的平面位置，并在细部点测量水深，由水位算得水底高程然后绘在平面图上，可求得地形的等高线。null三、观测设备 (一)测深杆用松木或枞木制成。长4~6m，直径5~6cm，杆底端带有铁圆盘，底面和杆的零点重合，杆上涂漆，并绘出o．1m的分划，见右图。 把测深杆垂直插入水中触及水底，观测杆上的深度标记即可得知测点的水深。测深杆仅适用于浅水水域。 null(二)测深锤 用系铅锤的绳索代替竹竿，绳索上以不同颜色的标记表示深度，称为测深锤，又称水砣，沿用至今已有2000年的历史。在船舶上，测深锤一般适用于测量30米内的水深，当船舶静止时，可达60米。 见图。null(三)测深铅鱼 在流速及水深较大的地方常采用测深铅鱼，以2~3mm直径的柔软钢丝绳悬挂在测船的绞车上，其旁有计数器，每测完一测点只需将铅鱼提出水面，只要提高几米，然后将船行至另一测点施测。铅鱼是一个鱼状流线型重物，如图。null（四）回声测深仪 此法是测定由发射换能器发出的声波，碰到水底后再反射回来到接收换能器所需的时间，根据时间和声波在水中的传播速度来计算水底深度。 回声测测仪带有自己系统，因此在实际观测中不需逐点施测，只要测船以一定的船速由冲瘀断面一端驶向另一端，即可测出断面水深，测深误差为水深的1％以内。美国440型双频超声测深仪可在现场同时提供图形和数字输出的测深结果。null(五)水下探测仪 水下探测仪是由水声技术、计算机技术和数字图像处理技术相结合的产物。整套设备由声纳探头、控制处理器及高分辨率显示器3部分组成。 国产S—1型体积小、重量轻、便于携带、操作方便，可广泛应用于水下地形测量、堤坝坡度测量、水下结构物测量等方面，也可在各种船舶、潜水器和岸边使用。§6 波浪§6 波浪一、监测布置 (一)监测目的 1、掌握库区风生波发展现律，制定库区护岸和土石坝护坡，防止发生破坏。分析水库波浪与土坝护坡的关系，尤其是对库区开阔的平原水库和经常遭遇台风的东南沿海地区的水库。防波问题更为突出。null2、决定大坝安全超高及防浪墙合理高度，确定明渠、水道边墙安全超高及明流隧洞洞顶余幅高度。 3、了解尾水波对机组出力的影响，以保证发电出力。 4、测量波浪对闸门等轻型建筑物的作用力，据以拟定防护措施。防浪墙null5、监测下游河道波浪对岸边冲击、淘刷及对通航的影响，提出消波和防波的工程措施，寻求改善水工建筑物布置方案。 6、由于现有或经验公式都难以全面反映各种类型工程的不同情况，根据监测资料可以建立风力、吹程与波高的关系，波高与爬波的关系，波压力与块石护坡厚度的关系等。所以波浪观测资料不仅为本工程服务，还可为制定规范积累资料及类似工程参考。null（二）波浪 1、库面波浪监测点宜市置在离岸边有一定距离不受反射波影响处，一般不小于100m，要求该处水下地形比较平坦，水深最好大于该区可能出现的最大波长之半。 2、岸上监测点最高位置应高出最高水位5m以上，并在护坡上布置变形监测点，观测水平和垂直位移。 3、在护坡上按高程刻划水尺，观测波浪在护坡上的爬高。null（三）输水建筑物及电站下游波浪 1、测点一般布置在水电站尾水管下游、通航的引航道、泄水建筑物直接受冲击波影响的部位。 2、对于下游河窄、水浅、流急，难以在河心布置测点的部位，可沿岸边或尾水建筑物上布置水尺，用目测法或摄影法观测波动情况。null（四）明渠高速水流水面波浪 1、监测点主要布置在能观测高速水流冲击波的位置和高度，特别是冲击波与边墙相交和反射的爬高，这是水流可能翻越边墙的部位。 2、测点布置在能测出波线与主流线夹角之间的关系，从而可以了解在最大流量情况下的水流流态。null（五）调压井涌浪 1、监测甩负荷涌浪过程线。测点布置应能观测最高涌浪、最低涌浪、波动周期和波动稳定时间，同时配合进行观测水轮机蜗壳和引水管道危害部位的压强升高过程线。 2、监测增负荷涌浪过程线。监测点布置应能观测最低涌浪以便与甩负荷测值进行比较，并了解调压井容量是否合理及其最低水位是否高于压力管道进口。null一、监测设备 (一)测波杆测波杆是一种绘有刻度、色彩分明的尺杆，将其立于水面上。目测波浪在尺杆上的变化即可读出波高。同时用秒表测定30—50个连续的波浪通过波杆的历时，以相应的个数除之，即得波浪的平均周期。null（二）测波器 测波器法是在水面设置浮标，其上设一测标，漆以明显颜色。浮标底部系绳索，锚固于库底重物上，绳索长度应保证浮标在最高水位时能随波浪自由起伏，在岸上设准星和框架，框架上安有等距离的水平金属丝，或具有等距离水平线条的透明板。准星的安置应与浮标、框架成直线，并距框架有适当距离，使从准星处观测起伏波动的浮标时，视线不致超出框架范围之外，如图。nullnull （三）遥测自记仪 遥测自记仪器可分为电阻式、差动电阻式、振弦式、电容式、电感调频式、声学式等多种。 常用电阻式仪器，电阻式测波杆工作时相当于并联电阻，由于水的导电性，水面上升电阻减小。反之电阻增加，通过电讯号的转换，把该电阻变化变为电压变化，送入电子示波仪或电位差计进行记录。 对波浪观测人工测读往往难以全面反应波浪特性，应主要采用电测法进行观测。null （四）摄影法 此法包括用照相机、电影机、录像机等方法。 用照相机拍摄瞬时水面是很方便的，可将照相机位置固定后，在一底片上重复几次曝光，例如正确曝光时间为1／50s，则可用1／200s快门重复拍照4次，可得清晰的照片。这些方法不但可拍出波动，而且可拍出沿程水面及冲击波。有些部位由于绘尺困难，可在边墙上安放标尺杆，则在照片上可用两脚规按比例量出水面波动。谢谢各位！谢谢各位！