靜力水準系統在水工模型高程測控中的應用

蔡 瑩，楊 偉，左 明，蔣文秀

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

靜力水準系統在水工模型高程測控中的應用

蔡 瑩，楊 偉，左 明，蔣文秀

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

水工物理模型高程測控的精度是直接影響試驗成果可靠程度的關鍵因素之一，模型高程精度必須滿足相關標準和試驗任務的要求。采用水準儀法測量大型模型高程操作困難，根據連通管原理，利用連通管和輔助器件將模型水位站與高程控制基點連接起來形成靜力水準測量系統，按照一定的觀測操作程序和計算方法可提高測控精度。經三峽－葛洲壩日調節模型應用證明：該系統具有測量精度高、構造簡單、操作維護方便的特點。靜力水準測量方法可供其他高程精密測控領域借鑒。

水工模型；高程測量；靜力水準；連通管；沉降觀測

水工物理模型試驗是研究和改善水工建筑物布置形式與構造等方面的重要科學手段。在水工模型制作及試驗過程中，高程測量和水位測量是每項試驗任務必須開展的基本工作，模型高程（包括模型水準基點和水位測站活動測針零點）的控制精度是直接影響模型制作精度和試驗成果可靠程度的關鍵因素之一。保證模型高程精度必須要具備相應測控方法。

1 模型高程測量及問題

水工模型設計時，一般是根據模型規模及功能要求沿模型導墻設置若干個水準基點和水位測站，然后利用水準儀測量系統各站點的高程。

使用水準儀測量高程的步驟是：先從若干個水準基點中確定一個水準基點作為模型起始基準點，再從起始基準點逐一測定其他水準基點的高程，然后利用水準儀、水準測尺、水平調節板、水位測針共同配合分別從各個水準基點引測附近水位站活動測針的零點高程。

在水工模型制作、維護及試驗過程中，高程測量是一項必須經常進行的繁瑣工作。使用水準儀測量規模較小的模型高程時容易控制精度。但對規模大、距離長的模型來說，由于轉測點較多以及需要多種輔助工具，用水準儀法測量高程費時費力，又由于受多種系統及偶然因素的影響，稍有操作問題就會影響測量精度。

2 三峽-葛洲壩日調節模型高程測量

三峽-葛洲壩日調節模型是一座大型水工正態整體模型，模型總長度約400 m，占地面積近10 000 m2，比尺150，模型模擬包括三峽和葛洲壩2座水利樞紐在內的原型河道長約60 km。該模型主要任務是研究三峽和葛洲壩2座樞紐聯合調度運行時對兩壩區間及宜昌河段水流特性的影響、優化工程調度方案、尋求工程改善措施等［1，2］。模型自1984年始建至今20多年內，共完成了數十項各類研究任務，取得了豐碩的科研成果，為工程規劃、設計、施工等都做出了巨大的貢獻，在模型運行期間還進行過多次修改和擴建。

綜合考慮多種因素，沿程模型導墻布置了永久高程基準點和水位站共有50多個，根據試驗任務的不同還可臨時增加測控點。模型高程主要控制站點見圖1。為滿足模型高程測量精度要求，專門配置了一臺瑞士產WILD N3水準儀（儀器刻讀盤最小值為0.1 mm），并加工制作了一套其他必要的輔助測量工具。

本模型高程測量都是從起始水準點（L4）逐一測出其他水準基點的高程，然后再由基點引測固定水位站活動水位測針的零點高程。一般情況下測量都需要3～4個專業人員共同配合，完成一次全程測量需要1～2 d，有時在試驗過程中發現高程測量精度達不到要求還要反復重測。

水準儀測量模型高程時因多種原因會引起誤差，其中在活動測針零點測量階段需要幾人同時調節不同的輔助工具才能完成讀數，在操作時人、工具以及控制方法對測量精度都有影響。

為穩定可靠地測量模型高程，也探究過其他辦法。如在模型全程河道內蓄水靜置后標定活動測針的零點高程，但受模型河床滲漏及風力等因素影響仍然難以控制測量精度。

圖1 三峽-葛洲壩日調節模型高程主要站點布置示意圖Fig.1 The water level stations and base points in the Three Gorges-Gezhouba daily regulation model

3 靜力水準測量原理

根據連通管原理，利用導管將模型的起始水準基點與各個水位站連接起來形成模型高程靜力水準測量系統，經三峽－葛洲壩日調節模型應用獲得了明顯效果。實踐表明該系統可以提高水工模型高程的控制精度，系統設施簡單、維護及操作簡便。

如圖2所示連通器內處于靜止狀態液體的液位z與壓強之間存在著一定的關系。同一連續介質的液體在重力作用下同一水平面上各點的壓強相等［3］，即

式中：p0為自由面上的氣體壓強；ρ為液體的密度；z0為起始面至自由面的高度；z為起始面至計算面的高度；g為重力加速度。

圖2 連通器內靜止液位與壓強Fig.2 Static fluid pressure in a connected device

與大氣接觸的水面，z＝z0，pz＝p0，水面壓強為當地大氣壓強，在局部范圍內當地大氣壓強可視為定量，因此連通液體的自由面為一平面。此為模型靜力水準系統應用的基本理論依據。

4 靜力水準系統的應用

4.1 系統構造

應用靜力水準測量三峽-葛洲壩日調節模型高程，采用的是內徑約15 mm的軟管、四通、閘閥等與模型原有水位站相連接，在起始水準基點（L4）增加一個連通測站，并將這些器件沿模型導墻固定形成一個永久性的高程測量設施，見示意圖3。

圖3 靜力水準系統在水工模型中的應用示意圖Fig.3 Hydrostatic leveling system applied in hydraulicmodel

4.2 系統測量方法

靜力水準測量的首要任務是確定一個滿足精度要求的基準水平面，通過連通管將模型水位站相互連接后可以形成一個基準水平面。測量過程中先測定所有活動測針對于同一水平面的讀數，然后利用已知起始基點高程計算出基準水平面的高程，再由基準面的高程和各測針的讀數可計算出各水位站活動測針的零點高程。基準面的測控精度與測量工具精密程度有關，水工模型固定水位站活動水位測針的精度為0.1 mm。采用靜力水準測量模型水位測針零點高程的步驟如下：

（1）檢查連通系統各部件固定及與周圍物體接觸情況，避免在測量過程中系統搖晃或與其他物體發生碰撞。

（2）關閉系統與所有模型導管連接的閘閥，打開與聯通管相接的所有閘閥，將水位站盛水筒與起始基點注水筒聯通起來。

（3）從注水筒向系統加水，確定系統內的氣體完全排出后從任一盛水筒內倒出部分水，使所有盛水筒內的水位低于筒口一定高度，靜置10 min左右等待水面平穩進行第一次觀測。

（4）水面平穩后，在3～5 min內觀測并記錄所有觀測站點的活動測針讀數。每一站點讀數不應少于3個且讀數間相互誤差不超過±0.1 mm，符合要求后計算每一測站3個讀數的均值。

（5）完成上一次觀測后再從任一盛水筒注入或倒出少量水，抬高或降低筒內水位，靜置10 min左右按步驟（4）完成第二次觀測和計算，得到各測站的第2個均值。

（6）按步驟（5）完成第3次讀數和計算，得到每一測站的第3個均值。

（7）計算每一測站3個均值間的差值，以2個測次間的差值為1組，再求出每組差值的最大值與最小值之差，以此差值與高程控制精度相比較，可判斷3次測量的水平面是否滿足基準水平面的精度要求，（日調節模型精度為0.3 mm以內）。如在控制范圍內則3次觀測的水面平穩，觀測值滿足要求，結束觀測；如超出范圍則按步驟（5）繼續觀測，直到有3次相互差值都在控制范圍內。

（8）觀測起始基準點活動測針到基點頂面的讀數，連續觀測3次且讀數間差值不超過±0.1 mm，計算3次讀數的平均值。

（9）利用各水位測站的3個均值中的同一測次均值、起始基準點高程和起始基準點的活動測針讀數均值，可計算出每一個測站的活動測針零點高程。

觀測結束后，關閉與聯通管連接的所有閘閥，打開系統與所有模型導管連接的閘閥，將模型所有水位站的盛水筒與河道聯通后可以進行試驗水位觀測。

4.3 觀測應用實例

三峽-葛洲壩日調節模型建立靜力水準系統后，不需要再全程量測基點高程，可一次完成模型活動測針零點高程測量。由于使用固定測量設施，測量過程極大簡化，測量過程簡單，測量精度更加可靠。

以2007年一次實測成果為例說明靜力水準系統測量模型高程的實用效果。由于模型沿程水位站較多，現只列出模型上游黃陵廟、中游葛洲壩、下游艾家鎮3個代表性水位站的觀測成果，中間觀測及計算成果見表1，其他水位站的觀測和計算與此相同。觀測高程精度要求控制在0.3 mm以內。

由表1可知，3次測量的水平面都符合基準面的要求。已知基點L4原型高程為0.00 m，活動測針到基點頂面讀數均值為5.6 mm。以測次［1］的均值計算，活動測針零點高程＝0.02＋（526.3－5.6－［1］均值）×比尺150／1 000。計算結果如表2。

表1 靜力水準測量日調節模型水位站（部分）零點高程中間成果Table1 The heights of daily regulation modelmeasured by the hydrostatic leveling system

表2 計算活動測針零點高程Tab le 2 The zero heights ofm oving measuring probes

如進行2次觀測后得到的均值之差的極差滿足精度要求，也可以取其中所有測站的同一次均值計算測針零點高程，進行3次觀測可保證觀測成果的可靠度。

4.4 系統應用效果

與使用水準儀測量高程比較，使用靜力水準系統測量有明顯的優點：

（1）可提高模型高程的控制精度。水準測量時需要多個人同時操作不同的工具才能完成一個讀數觀測，要將全程精度都控制在0.3 mm內存在困難；而靜力水準測量則省去了許多中間人工操作環節，這些操作容易導致測量誤差，因此可將全程測量精度控制在0.1 mm以內。

（2）觀測效率提高。水準儀測量需要逐點觀測，先測量模型沿程基準點高程，然后測量活動測針零點高程，觀測過程時間較長，需要專業人員操作；靜力水準測量是采用固定連通設施一次完成，測量過程只有注水、倒水、等待讀數及簡單計算，通常只要1～2人在1 h左右就可完成全程所有測站的測量工作，比水準測量使用的人員和時間都大幅度減少，工作效率大為提高。

（3）觀測不受通視等條件限制。水準儀測量有通視、地形及天氣等條件的要求；靜力水準則在受建筑物等影響的地方也可靈活使用。

（4）可為電測水位提供基礎平臺。人工觀測對測量精度有一定的影響，如利用靜力水準系統可實現測量過程中數據和試驗過程中水位的自動采集，可進一步提高試驗成果的可靠度。

（5）靜力水準系統構造簡單，設施維護容易，可降低測量成本。

根據模型測量成果，靜力水準系統也可在其他升、降精密觀測方面發揮作用，如在大壩沉降觀測等中應用。

4.5 系統應用條件

利用靜力水準系統測量高程，需要滿足一些要求：

（1）應注意系統漏水、滲水及摻氣。注水后檢查導管、盛水筒、連通管、四通和閥門等部件間的連接情況，盛水筒與連通管、四通內不應有氣泡。每次觀測前都應向系統重新注水，確定充分排除系統內空氣才可進入后續操作，為便于觀察系統內是否摻氣可用透明軟管作為連通管。

（2）注水或改變水位后要靜置一段時間才能觀測，靜置時間長短與連通管的長度及管徑有關［4］。日調節模型聯通管長約400 m、管徑15 mm，一次靜置時間約10 min，加上觀測時間約15 min左右就可以完成一次全程測量。

（3）在測點高差超出設備量程的工程中應用靜力水準系統，可分段設置觀測系統。

（4）氣象條件是影響觀測精度的因素之一，觀測過程中要求場內無風、氣溫均衡。

5 結 語

水工物理模型的高程控制精度與試驗成果的可靠度有直接關系，使用傳統的水準儀測量法在大型水工模型高程精度測控方面有一定的操作困難。依據連通管原理，將模型水準基點、水位測站、連通管、四通和閥門等連接起來形成靜力水準測量系統可以提高模型高程的控制精度，通過在三峽－葛洲壩日調節模型測量高程中的應用，表明系統具有構造簡單、使用及維護方便、測量精度高等多方面的優點。

根據模型高程測量應用效果分析，靜力水準系統可用于各類水工及河工模型的高程及水位測量，也可為自動采集測量數據及試驗水位搭建基礎平臺，在大壩沉降觀測等精確測控垂直位移的領域可發揮較好的作用。

［1］ 饒冠生.三峽壩址至葛洲壩區間通航水力學研究［J］.長江科學院院報，1992，（3）：26－31.（RAO Guansheng.Hydraulic research on navigation in river reach between Three Gorges and Gezhouba［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1992，（3）：26－31.（in Chinese））

［2］ 鄭守仁，孫爾雨，楊文俊.三峽電站調峰與通航問題研究［J］.水電能源科學，2002，20（2）：7－12.（ZHENG Shou-ren，SUN Er-yu，YANG Wen-jun.Study on the navigation and power station for humpmodulation of Three Gorges and Gezhouba project［J］.International Journal Hydroelectric Energy，2002，20（2）：7－12.（in Chinese））

［3］ 吳持恭.水力學（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，2003.（WU Chi-gong.Hydraulics（Third Edition）［M］.Beijing：China Higher Education Press，2003.（in Chinese））

［4］ 何曉業，何曉紅.靜力水準系統的流體力學研究［J］.大地測量與地球動力學，2007，27（4）：122－124.（HE Xiao-ye，HE Xiao-hong.Study on HLSaccording to fluid mechanic theory［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，27（4）：122－124.（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

Application of Hydrostatic Leveling System in Height M easurement and Control of Hydraulic M odel

CAIYing，YANGWei，ZUO Ming，JIANGWen-xiu
（Yangtze River Scientific Research Institute，Hydraulic Research Institute，Wuhan 430010，China）

The accuracy of heightmeasurementand control in hydraulic physicalmodel is one of the key factors that directly affect the reliability of test results，themodel height accuracy must satisfy the requirement of related code and the experimental task.Sometimes it is difficult to control accuracy in measuring height system of large-scale model bymeans of level instrumentmeasurementmethod.According to the connecting pipe principle，the connection of thewater level station and the height control pointby connecting pipe and ancillary devices in themodelwill

form a static level measurement system，meanwhile according to definite observation procedure and calculation method will increase themeasurement accuracy.Through applying to the daily regulation model of the Three Gorges-Gezhouba project，the system has been proved to be characteristic of high precision，simple structure，convenient operation and maintenance，themethod provides also a simple and reliablemeans for precisionmeasurement in related domain.

hydraulicmodel；heightmeasurement；hydrostatic leveling system；connecting pipe；settlement observation

TV131.6

A

1001－5485（2010）09－0035－04

2010-01-02；

2010-08-03

蔡 瑩（1965-），男，湖北浠水人，高級工程師，主要從事工程水力學研究，（電話）07 l7-6832885（電子信箱）caiy0121＠163.com。