流速仪测流法知识讲解

1、精品文档中国灌区协会“全国灌区量水技术研讨班教材流速仪测流法及水工建筑物量水率定郭宗信河北省石津灌区管理局第一章流速仪测流法第一节流速仪测流的基本方法与测线布设流速仪测量河渠流量是利用面积流速法，即用流速仪分别测出若干部分面积的 垂直于过水断面的部分平均流速，然后乘以部分过水面积，求 得部分流量，再计算其 代数和得出断面流量。从水力学的紊流理论和流速分布理论可知，每条垂线上不同位置的流 速大小不 一，而且同一个点的流速具有脉动现象。所以用流速仪测量流速，一般要测算出点流 速的时间平均值和流速断面的空间平均值。即通常说的 测点时均流速、垂线平均流速 和部分平均流速。（一）基本方法流速仪测流，在不

2、同情况或要求下，可采用不同的方法。其基本方法，根据精度 及操作繁简的差别分为精测法、常测法和简测法。1 精测法：精测法是在断面上用较多的垂线，在垂线上用较多的测点，而且测点流速要用消 除脉动影响的测量方法。用以研究各级水位下测流断面的水流 规律，为精简测流工作 提供依据。2. 常测法：常测法是在保证一定精度的前提下，在较少的垂线、测点上测速的一种方法。此 法一般以精测资料为依据，经过精简分析，精度达到要求时，即可作为经常性的测流 方法。3. 简测法：在保证一定精度的前提下，经过精简分析，用尽可能少的垂线、测 点测速的方法叫简测法。在水流平缓，断面稳定的渠道上可选用单线法。（二）测线布设测流断面

3、上测深、测速垂线的数目和位置，直接影响过水断面积 和部分平均流速测量精度。因此在拟订测线布设方案时要进行周密的调查研究。国际标准规定，在比较规则整齐的渠床断面上，任意两条测深垂线的间距，一般 不大于渠宽的1/5，在形状不规则的断面上其间距不得大于渠宽的1/20。测深垂线 应分布均匀，能控制渠床变化的主要转折点。一般渠岸坡脚处、水深最大点、渠底起 伏转折点等都应设置测深垂线。测速垂线的数目与过水断面的宽深比有尖。精测法的测速垂线数目与 宽深比的尖 系式为：N0=2 D式中：No测速垂线数目；B水面宽；D断面平均水深。常测法的垂线数目与宽深比的矢系式为：N0=BD简测法的测速垂线数目及其布置，应通

4、过精简分析确定。主流摆动剧烈或渠床不 稳的测站，垂线不宜过少，垂线位置应优先分布在主流上。垂线较少时，应尽量避免 水流不平稳和紊动大的岸边或者回流区附近。由于灌溉渠道的断面一般都比较规则，有些测站修建了标准断面，故可将测深垂 线与测速垂线合并起来。即在测线处既测深又测速。根据实际情况，垂线可等距离或 不等距离地布设。若过水断面对称、水流对称，则垂线应尽量对称布设。表1给出了 平整断面上测线布设标准，供实际工作中参考。表1平整断面上不同水面宽的测线布设渠别水面宽（m）测线间距（m）测线数目总干、干渠20 5020 5.010 20分干、支渠5201.0 2558支渠、斗渠1.5 50.25 0.

5、637第二节断面测量与流速测量（一）断面测量断面测量包括测线间距（部分宽）测量和水深测量。在测桥上测流时 测线间距一 般在布置测线时设置固定标志，其间距均事先测出，测流时只需测量水边宽度。缆道 测流时，测线间距是由循环索控制，水文绞车计数 器显示的，因此计数器的读数与循 环索的行进距离之间的比例应率定准确水深测量多用悬索或测秆直接观读，用悬索测深时，由于水流的冲击作用，入水 后悬索向下游偏斜，一般偏角不大时，将湿绳长度视为水深，若偏角大于10。时则需 修正湿绳长度后才得水深值。用测秆测深时，往往有壅水现象，因此要修正壅水影响的水深误差。即在观读水 深时，减去壅水高度。在混凝土衬砌的断面上测流，

6、水深测量 应注意测秆底盘下面一 段尖端的高度，根据分化刻度的起始位置，进行相应的处理。无论使用何种测具测量 水深，测量时都应保持垂直状态。在衬砌的标准测流断面上，若断面无淤积，水流稳定时，可以设置固定水尺，用水准仪测出水尺零点与各测线处渠底的高差，就得到每条测线处的实际水 深值。即：式中：Hj=hA hjHj第h条垂线处的实际水深；h水尺读数；Ahj第j条垂线处渠底与水尺零点的高差。二）流速测量测量垂线平均流速的方法，通常有积深法和积点法。积深法的垂线平均流速计算公式为：Vm= 1 加 vdyD 7式中： Vm垂线平均流速；D垂线水深；V垂线上任一深度y处的流速。积深法属于垂直方向的积分法，从

7、理论上讲，在不考虑其它影响因素时，此法具有较高的精度。然而，最常用的是积点法。积点法是在垂线上按一定规律布置有 限的测点施测点流，根据测得的各点流速，推算垂线平均流速。流速在垂线上的分布规律，对于明渠流，一般采用普朗德一卡门对数模式：Vn=Vm(1.116+0.267lgr|)式中：n相对水深，n =y/D，y为自渠底算起的测点深；Vm垂线上相对水深T|处的流速；Vm垂线平均流速以Vm=1，并以不同的T|值代入上式可求得垂线上的相对水深与流速的矢系。如表2。表2 当Vm=1时，T|与V的矢系相对深度5）1.000.900.800.700.600.500.400.300.200.100.01测点

8、流速（V）1.121.101.091.071.061.041.010.980.930.850.58根据垂线流速分布规律，施测垂线上若干个有代表性的测点流速，即可推算出垂线平均流速。积点法的测速方法一般有以下几种:1- 一点法：施测垂线上一个点的流速，代表垂线的平均流速。测点设在自水面向下计算垂线水深的十分之六处（即0.6D）。将流速仪悬吊在该点，实测的流速就是这条垂 线的垂线平均流速:V m=V 0.62 二点法：测速点设在水面以下0.2及0.8相对水深处，两点的测点流速的平均值即为垂线平均流速:Vm=V 0.2 V 0.83. 三点法：测速点设在水面下0.2、0.6、0.8相对水深处，三个测

9、点流 速的平均值 或加权平均值即为垂线平均流速：V 0.2 V 0.6 V 0.8 Vm =3V 0.2 2V 0.6 V 0.8Vm=,44五点法：测点设在水面（在水面以下5cm左右处施测，以不露仪器精品文档的旋转部件为准）02、06、0.8相对水深处及渠底（离开渠底25cm）。各测点流速的加权平均值即为垂线平均流速:V o.o3V 0.23V 0.6 2V o.8V 10Vm=10施测中，具体采用几点法，要根据垂线水深来确定。一般地说多点法较少点法更精确 一些，但垂线上流速测点的间距，不宜小于流速仪旋桨或 旋杯的直径。为了克服流速脉动的 影响，每个测点的测速历时均应在100秒以上。表3给出

10、了不同水深测速方法的选择参考 标准。表3不同水深的测速方法总干、干 分干渠水深(m)3.01.0 3.00.8 1.01.50.5 1.50.3 0.50.3测速方法五点法三点法二点法一点法第三节断面流量计算断面流量计算一般采用平均分割法。计算步骤如下：1 计算测点流速：根据施测记录的转数和历时，按流速公式V=kn+C，计算测点流速；2计算垂线平均流速：根据实测情况，按垂线平均流速的计算方法，求出各测线的垂线平均流速： Vm1、V m2V maqi， 其中5为部分流量的均值，5采用总流量除以垂线数，qn为最大部分流量。综合系统误差：Xa=Xd+Xx式中： Xq断面流量的综合系统误差；Xd精简测

11、点使流量产生的系统误差；Xx 精简垂线使流量产生的系统误差；当上述综合随机误差和综合系 统误差符合规范标准(表5)时，则精简方案成立。(二)简测法的精简分析对于断面比较稳定的测站，可采用一线一点法、两线一点 法、一线两点法、一线三点法等精简方案。步骤如下：（1）选几种中高水位的精测法（或常测法）资料，绘综合断面图及Vm/V （垂线平均流速与断面平均流速的比值）横向分布曲线。选择Vm/V比较稳定的几 个部位，作为初步拟定单位流速（V。）的分析位置；（2 ）在上述初步确定部位附近，取测速垂线的全部测速资料，摘出各垂线和测点的 实测流速，计算单位流速（一线一点法、一线两点法或一线三点法等）；（3）以

12、各次精测法（或常测法）的断面平均流速与单位流速点绘矢系图，通过点群 重心绘出矢系线。该尖系线一般为直线，用图解法定出直线方程，即为断面平均流速（V ）与单位流速（Vo）的换算公式：V =aVo+b式中：V 断面平均流速；Vo单位流速；a一一系数（直线斜率）；b一一常数（或直线 的截距）。（4）用精测法（或常测法）的断面平均流速与换算公式计算的断面平 均流速相比较， 进行误差分析，若各项误差符合表6中的规定，则精简方案成立。表6简测法的误差界限累积频率95%的误差累积频率75%的误差系统误差水文规范内控标准水文规范内控标准水文规范内控标准8%5%4%+3%1%第五节流速仪的使用与保养正确地使用与

13、保养流速仪，对测速成果质量和仪器的使用寿命都有很 大影响，测流人员必须对此给予足够的重视。(-)测流仪的安装1. 旋桨式流速仪的安装(1) 打开仪器箱盖，拨开转动部分的压栓，轻轻取出身架部件；(2) 拧松身架侧面的固轴螺丝，取出旋桨部件；(3) 向身架腔注仪器油，油量为孔高的1/3 ；(4) 将旋转部件插入身架孔中，使前轴套与身架之间保持0.30.4mm的间隙。一般只要把旋桨部件插入到底即可。如果间隙太小，有磨边现象，则应把旋桨部件稍拨出一些。待调整正确后，即可把固轴螺丝固紧。固紧螺丝时应注意勿用 力过猛，以免顶斜旋轴。2. 旋杯式流速仪的安装(1 )打开仪器箱盖，手持觇架取出仪器；(2) 松

14、开轨架顶螺丝，卸下旋盘固定器；(3) 在顶头内注满仪器油，装上顶针，调好旋盘轴向间隙固紧馳架顶螺丝。旋盘轴向 间隙为0.030.08mm，手感旋盘沿轴向有轻微活动间隙即可；(4) 装上尾翼，将平衡锤调节在适当位置固紧，使仪器在水中保持水 平。(二)流速仪养护的一般规则小心地使用和仔细地养护，可保证流速仪正常地、可靠地 工作，并且获得可靠的流量资料。为此，应注意下列规定：1 仪器及全部附件应完全良好和清洁地保存在仪器箱内，并放置在干燥、通风的房间 柜中；2.拆卸、清洗及安装仪器以前，必须通晓仪器的结构和拆洗方法；3. 仪器各部分均不能任意碰撞，旋杯、旋桨、旋轴、轨架等尤须注意；4. 顶针、顶窝、

15、球轴承等易锈零件，必须经常加仪器油；5. 仪器油使用HY8（8号仪表油），不得任意改用其它粘度的油类；6. 仪器安装好后，要轻提轻放，防止快速空转，以保证其性能稳定；7. 仪器工作完毕出水后，应立即就地用干毛巾擦干水分。如仪器上有污物或泥沙，要先用清水冲洗干净，然后擦干。卸成原来的各部件，妥善地安置在仪器箱内指定的位 置。旋杯式流速仪要把顶针卸下，转上旋盘固定器；8. 矢闭箱盖时，务必小心，不宜过猛。如遇矢闭不平服时，应立即检查内部安放情 况，决不可硬压；9. 仪器长期储藏不用时，易锈部件（如轴承、顶针等）必须涂以黄油保护。（三）仪器的检查与检定新领到或检定回来的仪器，应当进行全面检查，特别要

16、注意有无检定公式，检定书号 码与仪器号码是否一致，部件是否齐全，旋转是否灵敏，讯号是否正常等等。灵敏度的试验，就是将仪器按规定装好后，手持仪器身架，吹动旋桨（旋杯），观察 其转动情况。如果启动灵活停止徐缓，没有跳动或突然停止现象，说明灵敏度正常，如发现 仪器运转不正常时，应对有尖部件进行检查，重新安装或拆洗，必要时做简单修理。如故障 较重时5需送交检修站维修。流速仪使用时间过长或有损坏，为保证流速公式的可靠性，必须进行检定。一般情况下，流速仪发生下列问题之一时应停止使用，进行检定：1 旋转不灵；2旋转部件变形；图实测岸边流速系数测线布置1 如图2所示。在测流断面基本测线Di与水边之间布设若干加

17、密测线hi、皿、hs、 、山。加密测线的间距一般为水边宽的1/101/5。2. 在近岸基本测线及各加密测线上，按精测法的要求测速。最边一条测线hn,可用一点 法。3. 计算相邻测线间的部分流量q。水边余角的部分流量计算，仍需选用规范的岸边流 速系数，由于余角很小，此时岸边流速系数的影响甚微，可忽略不计。4. 计算边角部分总流量Q边和总面积co边及边角部分平均流速V边：Q边=Eqi(i=hZ,n)co边= 4=12,n)V边=)边/ co边5. 求出岸边流速系数实测值：a=V 边/V 1式中：V 1-近岸基本测线0的垂线平均流速。依上述方法，实测不同水位的岸边流速系数。当积累了足够的资料时一般不

18、少于8次，采 用格拉布斯法则对实测数据进行判别，剔除异常数据后其平均值即为岸边流速系数最佳值。 在测流中采用，可消除由于岸边流速系数取值不当所引起的系统误差。第二章水工建筑物量水流量系数的率定利用水工建筑物量水是一种简单经济的量水方法。通常灌区用以量水 的建筑物多以堰 闸为主。堰闸量水首先要根据不同的闸型，水流形态，选择适当的流量计算公式。然后根据 观测的有矢变量进行推流。对于某一特 定的量水建筑物，在选定了流量公式以后，其量水精 度的矢键是流量系数。实际工作中，采用水利学中流量系数的理论值推流往往与实际流量不 符。这主要是由于水利学中流量公式推导时考虑的是有效水头Ho，而流量测验 推流时则只

19、 考虑实测水头H，忽略了行近流速Vo产生的流速水头aVoV2g的影响，流速水头虽然在水 尺上观测不到，但实际上对过水流量起着作用。另外，由于工程条件和水流条件的限制，水 尺有时不能按要求的位置安设而影响实测水头。因此，率定堰闸的流量系数，对提高其量水 精度是非常必要的。一、实测率定方法用流速仪率定量水建筑物，要在建筑物上（或下）游水流稳定的平 直渠段上设置测流断面。（一般设在建筑物下游100300米处）。在用流速仪 测流的同 时，观测与堰闸过水流量有矢的相应项目。对于无闸自由流，只需观测上游水位；无闸潜流 需观测上游水位和下游水位；有闸控制流态，则需观测闸前水位、闸后水位和提闸高度等。率定工作

20、需在渠道流量稳定时进行，以免因水位大起大落而影响测流精度。水位观测 应在流速仪施测的始末各观读一次，若变化不大，可取其平均值作为相应水位。二、率定资料的分析1、堰闸量水流量系数的分析：判别流态，选择适当的公式后，根据实测流量及相应水位，推求实测 的流量系数值。实践表明，流量系数是随上、下游水位、提闸高度等因素变化而变化的。不同流态的流量系数有不同的流量公式和相尖因素见表7 因此在率定时，也要作相应处理表7堰闸出流的流量公式及流量系数相尖因素水流形态流量公式相矢因素拟合线型无闸自由流Q=mBH 2gHH m幕函数无闸潜流a) Q=rrT BhH 2gZH(Z/H) nV幕函数b) b=irTBH

21、 2gH有闸自由流a) Q=(1 Bhg 2gH(hg/H)指数函数b) Q=|lBhg 2g(H hg)有闸潜流a) Q=|T Bh92gHb) Q=|T bhg2g乙(乙/H)(hg/Z)指数函数式中：Q过闸流量（米3/秒）；H上游水深或闸前水深（米）；B堰闸宽度（米）；Zh上、下游水位差（米），ZH=H-hHhH F游水深（米）；hg提闸高度乙一闸前、闸后水位差（米）、Zi=H-hi ;m、m，、卩、”一流量系数；0重力加速度，g =9.81米/秒2 ; s一垂向收缩系数，平底闸：E=0.65 ；闸后有跌坎： =0.5根据不同情况，率定资料的分析方法一般有以下几种：（1）、流量系数曲线（

22、公式）法：在积累了足够的（一般在30测次以上）各级水位的率定资料后，可点绘流量系数与 相矢因素的矢系曲线。或用回归分析法，利用计算机分析出流量系数与相尖因素的矢系式。 将分析出的曲线或公式同实测资料相比较，进行误差计算分析，若各项误差不超过允许限值 （见表8），即可用于推流表8量水建筑物率定误差限值累积频率75%的误差累积频率95%的误差系统误差3%5%0.5%2）、流量系数分级处理法:由于灌溉渠道中流量的计划性较强，在一定时期内的流量变化不大，因此不容易测得 全水位级的率定资料。有时由于用水计划的要求，某些堰闸的过水流量总保持在某一、二个 水位级。这种情况，可以采用流量系数 分级魅理法。即将

23、同一级水位的流量系数率定数据通 过格布拉斯（Grbbus）法则检验后，舍弃异常点据，求其算术平均值，作为这一级水位时 的流量 系数率定值。应用其推流时，应注意不同流量（或水位级）要采用相应的 流量系数 率定值。矢于水位分级，应根据具体情况，通过点绘散点图来分析确定。石津灌区用于量水的水工建筑物全部率定出了较稳定的量水流量系数值或流量系数公 式。表9为部分闸的流量系数实测率定值与理论值的比较，相对误差在土 0.8%士 26.7%之间，由此可见，用流速仪率定流量系数对提高建筑物量水精度有较大的意义。表9建筑物流量系数的理论值与率定值比较建筑物名称出流形式m理m实相对误差总干紫城节制闸无闸自由流0.

24、3250.386-18.8%一干霍庄节制闸有闸自由流0.6150.646-5.0%一干五分干进水闸有闸潜流0.6400.630+1.6%一干小杨庄节制闸有闸自由流0.6150.600+2.4%一干六分干进水闸有闸潜流0.6400.610+4.7%一干张庄节制闸有闸自由流0.6150.620-0.8%总干白滩节制闸无闸自由流0.3300.418 26.7%总干军齐节制闸有闸自由流0.6150.595+3.3%总干东郎节制闸无闸自由流0.3250.369-13.5%一干七分干进水闸有闸潜流0.6400.630+1.6%三干四分干进水闸有闸潜流0.6400.752-17.5%2、堰闸流量公式的逐步图

25、解法在用于量水的建筑物中，经常遇到有些堰闸(特别是枢纽工程)的进口型式、翼墙型 式、水流形态以及水尺位置等条件与水力学理论要求的应用条件差异较大，流量系数与相尖 因素的尖系紊乱，呈非单一函数形式。这种情况下不能直接利用水力学理论流量公式去推 流。这就需要重新分析堰闸流量与水头的相尖矢系。对于这种情况，可根据实测资料，采用 逐步图解法分析建立堰闸的经验流量公式。逐步图解法是以水利学流量公式为基础，从统计学观点出发，并根据逐步回归分析方法的思路，对各水利因素综合考虑，逐步消除公式各自变量对因变量(Q)的影响，建立新的流量公式。以有闸自由流为例，说明其分析方法。有闸自由流的 水力学流量公式为：Q=M

26、Bh g H 式中：M流量系数M=|l 2g，其余符号意义同前。公式中，闸宽B为常数，流量Q （因变量）的大小随提闸高度hg （自变量）的1 次幕和上游水头H （自变量）的1/2次幕而变。考虑到实际情况下的水头、行近流速、进 口型式、闸墩、底坎几何尺寸等多种控制因素的影响，其水力要素和边界条件可能与水力学 理论上要求的不一致，流量Q与提闸高度hg和闸前水头H的矢系可能发生变化。根据这 一思路，先选取实测资料中与因变量（Q）有矢的一个自变量（H），在双对数纸上点绘 相矢图H （ Q/Bhg），消除它（H）对因变量（Q）的影响后，得到H几；再点绘第 二个自变量（hg）与Q的相矢图hg （Q/BH鬥

27、），消除它（hg）对因变量（Q）的影 响，得到hg，并据以验证第一个自变量（H）与因变量（Q）的相尖矢系。这样经过 反复验证，直至得到新的公式Q=M oBhg“H满足精度要求为止。新公式中：Mo消除影响因素后的流量系数；a、卩一消除影响因素后的指数；利用此方法建立了总干紫城节制闸等几个较大测站 的闸门量水经验公式。经实测验证，新公式的量水精度较高，平均误差都在2%以 内。三、测流资料数据分析系统简介为了有效地解决测流资料分析过程中繁琐复杂的运算，减小工作强度，提高工作效率 和成果精度，石津灌区在开发研制“石津灌区灌溉信息计算机管理系统”中设置了 “测流数 据分析系统”模块，用于量水建筑物流量系数率定分析和标准断面水位流量矢系分析。该系 统可独立运行。现将测流数据分析系统的功能与特点介绍如下：1、系统功能：本系统包括数据输入与修改、数据分析、成果打印和资料查询等4个功能模 块。(1 )数据输入与修改模块选择数据输入功能后出现窗口(见