量水堰测流法：薄壁堰的构成及堰上水头测量方法

（一）薄壁堰的类型及组成

量水堰测流法是通过测量堰上水头来计算流量大小。常用的量水堰有直角三角薄壁堰、矩形薄壁堰、全宽薄壁堰，如图3-28所示。

图3-28　薄壁堰类型图

（a）直角三角形薄壁堰；（b）矩形薄壁堰；（c）全宽薄壁堰

图3-29　堰板截面

薄壁堰由堰板和堰槽组成。堰板如图3-29所示。堰口与内侧面成直角，唇厚为2mm，向外侧倒45°倾斜面，毛刺应清理干净。堰口棱缘要修整成锐棱，不得呈圆形，堰板内侧面要平滑，特别是从上端至100mm的区域。堰板的材料必须保证不生锈和耐腐蚀。堰板安装时必须铅直，堰口应位于堰槽宽度的中央，与堰槽两侧壁成直角。直角三角堰的直角等分线应当垂直，直角的误差限为±5'；全宽堰和矩形堰的堰口下缘应保证水平，堰口的直角误差为±5'，宽度误差为±0.001b。全宽堰为±0.001B。

图3-30　堰槽的组成

堰槽由导入部分、整流装置部分及整流部分组成，如图3-30所示。堰槽可用钢板或混凝土制成。堰槽上游应设置4～5道整流栅板。堰槽的底面和两侧面应平整，侧面和底面应铅直。全宽堰槽的两侧面应向外延伸，延长壁应和两侧面一样平整，与堰口边缘铅直，直角误差±5'。延长壁上应设通气孔，通气孔应靠近堰口并在水舌的下面，以保证水舌内侧空气通畅。通气孔面积为：A≥Bhmax/1.40。其中B为堰槽宽度；hmax为最大堰上水头。堰槽长度如表3-7所示。

表3-7　堰槽长度表

堰上水头测定装置如图3-31所示。在堰槽侧壁上设有小孔，用Φ10～30mm的连接管与测井相通，小孔不应有毛刺，其轴心应铅直于堰槽断面。

图3-31　水头测定装置

堰上水头应该在越过堰口流下来的水流与堰板不附着的情况下测量。堰口与堰口外水池水面的高差不得少于100mm。水头测量的水位计零点的确定，误差应在0.2mm以内。

（二）流量计算

1.直角三角堰的流量计算

直角三角堰的流量可按式（3-58）计算。式中符号见图3-32。

式中：Q为体积流量，m3/s；g为自由落体加速度，m/s2；αe为流量系数，见表3-8所示。

其不确定度δαe/αe=±1.0%；he为有效水头，m，he=h+kh，其中h为测量水头，m；kh为补偿粘度和表面张力影响的修正值，对直角三角堰kh=0.00085（m）（见图3-32）。

直角三角堰的适应范围：h/E＜0.4；h/B＜0.2；h=0.05～0.38（m）；E＞0.45（m）。

图3-32　直角三角堰示意图(www.xing528.com)

表3-8　流量系数αe

注　1.可用内插法计算表中未列的数值；2.表中B为堰槽宽度（m）；E为堰口（堰口底点）至堰槽底面的高度（m）。

2.矩形堰和全宽堰流量计算

当矩形堰的堰口宽度b等于堰槽宽度B相等，即b/B=1时，矩形堰即为全宽堰。因此，矩形堰和全宽堰流量均可采用式（3-59）计算。式中符号见图3-33。

图3-33　矩形堰和全宽堰示意图

式中：Q为体积流量，m3/s；g为自由落体加速度，m/s2；be为堰口有效宽度，m，be=b+kb，其中b为堰口的测量宽度，m，kb为补偿粘度和表面张力影响的修正值，从表3-9查得；αe为流量系数，对全宽堰，b/B=1时，αe=0.602+0.075h/E，b/B=0.9时，αe=0.598+0.064h/E，b/B=0.8时，αe=0.596+0.045h/E，b/B=0.7时，αe=0.594+0.030h/E，b/B=0.6时，αe=0.593+0.018h/E，b/B=0.5时，αe=0.592+0.010h/E，b/B=0.4时，αe=0.591+0.0058h/E，b/B=0.2时，αe=0.589+0.0018h/E；he符号意义同前，对矩性堰和全宽堰，kh=0.001（m）。

表3-9　堰口宽度修正值

矩形堰和全宽堰的适应范围：h/E＜2.5；h＞0.03（m）；b＞0.15（m）；E＞0.10（m）；（B-b）/2＞0.10（m）。

（三）误差估算

1.直角三角堰流量测量不确定度

式中：δαe为流量系数的不确定度；δtan（φ/2）为堰口开口角引起的不确定度。

式中：ht为三角堰底点到角上口的高度；bt为三角堰上口宽度；δht为三角堰底点到角上口高度测量的不确定度；δbt为三角堰上口宽度的不确定度；δh为堰上水头测量的不确定度。

式中：δh为堰上水头测量的不确定度；δh0为零点实测的不确定度；δkh为补偿粘度和表面张力影响修正值的不确定度；为水头n次测量的标准偏差。

在一般情况下，直角三角堰流量测量的不确定度δQ/Q=±（1%～2%）左右。

2.矩形堰和全宽堰

式中：δαe为流量系数的不确定度；δbe为堰口宽度测量的不确定度；δhe为堰上水头测量的不确定度。

在一般情况下，矩形堰和全宽堰流量测量的不确定度δQ/Q=±（1%～4%）左右。