拓展大壩滲流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)應(yīng)用范圍的方法研究

莫?jiǎng)?，王亮，夏?guó)勛

（1.湖南省電力公司試驗(yàn)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.湖南省電力公司柘溪水電廠，湖南安化413508）

0 引言

國(guó)際大壩委員會(huì)第23號(hào)會(huì)刊的報(bào)告中指出：“壩基揚(yáng)壓力和滲流量的觀測(cè)是最直接的也是最有意義的安全措施。如果是重力壩，這些觀測(cè)是頭等重要的”。可見把滲流量監(jiān)測(cè)作為關(guān)鍵項(xiàng)目之一，在國(guó)內(nèi)外壩工界已成為共識(shí)。

大壩滲流量的監(jiān)測(cè)部位較多，而以容積法為主的人工觀測(cè)方法相當(dāng)繁瑣，再加上電廠水工觀測(cè)人員一般較少，因此對(duì)滲流量投入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是非常必要的。

當(dāng)前量水堰自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法適用于滲流量大于1 L/s（即60 L/min）的情況，而對(duì)于許多大壩尤其是新建混凝土大壩而言，壩體及壩基滲流量往往比較小，限制了滲流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用范圍，所以有必要對(duì)此進(jìn)行研究和改進(jìn)。

1 滲流量監(jiān)測(cè)儀精度的影響因素

1.1 小流量的縮尺效應(yīng)

薄壁堰的堰上水頭和流量之間存在著穩(wěn)定函數(shù)關(guān)系，這一點(diǎn)是確定的。但這一函數(shù)關(guān)系受多種因素的影響，如堰高、堰寬、渠壁的糙率、水頭損失、堰上流速水頭、水流的表面張力等，其中表面張力對(duì)流量的影響在一定條件下是顯著的。當(dāng)堰上水頭很小時(shí)，因受表面張力作用，溢過堰頂?shù)乃髻N附堰壁下泄。當(dāng)貼壁流發(fā)生時(shí)，堰上水舌往往上下擺動(dòng)，影響溢流及流量的穩(wěn)定性。

1.2 非標(biāo)準(zhǔn)量水堰的影響

大壩滲流量監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)一般位于大壩廊道內(nèi)，由于場(chǎng)地局限等原因，常常無法設(shè)置符合規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)量水堰。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室及原型試驗(yàn)資料，流過堰頂?shù)乃餍螒B(tài)以及反映過流能力的流量系數(shù)隨堰頂厚度與堰頂水頭之比而變，不同堰型、不同高度的堰，其流量系數(shù)各不相同。

1.3 規(guī)范推薦公式及其局限性

根據(jù)DL/T5178-2003《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》測(cè)得堰上水頭后，滲漏量可按下述公式計(jì)算：

（1）直角三角堰：

Q:滲漏量，m3/s；

H:堰上水頭，m。

（2）矩形堰：

Q：滲漏量，m3/s；

H：堰上水頭，m；

b：堰寬，m；

P：堰頂板至堰頂?shù)木嚯x，m。

由1.1分析可知，即使對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量水堰而言，直接采用規(guī)范推薦公式也將帶來一定的誤差，一般隨著堰高與堰頂水頭比值的增大，流量系數(shù)逐漸減小。由1.2分析可知，如果由于場(chǎng)地限制無法建造標(biāo)準(zhǔn)量水堰時(shí)，直接套用公式（1）、（2）計(jì)算滲流量將帶來比標(biāo)準(zhǔn)量水堰情況下更大的誤差。

1.4 問題的解決思路

由以上分析可知，當(dāng)滲流量較?。ɑ炷翂螇位鶟B流量往往不足1L/s）或因場(chǎng)地限制無法設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)量水堰時(shí)，采用傳統(tǒng)的滲流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法將帶來較大的誤差。要實(shí)現(xiàn)小滲流量的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，主要應(yīng)從以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1）采用高精度及高穩(wěn)定性的傳感器；（2）對(duì)量水堰標(biāo)準(zhǔn)公式進(jìn)行修正。

2 滲流量監(jiān)測(cè)儀的研制

滲流量監(jiān)測(cè)儀核心元件采用美國(guó)羅斯蒙特3051型電容式差壓變送器，其測(cè)量部件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 差壓測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic drawing of pressure difference measurement

在玻璃基片上鍍有金屬層的球面固定極片。在壓差作用下，水壓側(cè)加有預(yù)張力的不銹鋼膜片作為感壓敏感元件。當(dāng)水壓和大氣壓同時(shí)作用于兩側(cè)感應(yīng)膜片上時(shí)，膜式動(dòng)電極將凹向大氣壓側(cè)，導(dǎo)致電容量發(fā)生變化。

為了修正溫度影響，羅斯蒙特3051型電容式差壓變送器集成了一個(gè)溫度傳感器，經(jīng)過溫度修正后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，可以直接用HART格式進(jìn)行通訊。另外還可以經(jīng)過D/A調(diào)理轉(zhuǎn)換為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

經(jīng)密封處理后的滲流量監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。水壓通過連接管及法蘭傳遞，密封罩內(nèi)氣壓通過通氣管與大氣壓保持一致。

圖2 滲流量監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic drawing of the structure of seepage monitor?ing instrument

3 水位-流量關(guān)系現(xiàn)場(chǎng)率定方法

量水堰標(biāo)準(zhǔn)公式修正最簡(jiǎn)便的方法是進(jìn)行水位-流量關(guān)系現(xiàn)場(chǎng)率定試驗(yàn)。

3.1 基礎(chǔ)工作

水位-流量關(guān)系的現(xiàn)場(chǎng)率定試驗(yàn)中，實(shí)際流量的測(cè)量是最核心的環(huán)節(jié)，是測(cè)試中難度最大、工作量最多的工作，它對(duì)整個(gè)測(cè)試精度起著決定性作用。所以應(yīng)針對(duì)不同的情況選擇正確的測(cè)量方法以提高觀測(cè)精度。

如果要測(cè)試完整的水位-流量關(guān)系，試驗(yàn)過程中不可避免要進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。由于大壩滲流量在短時(shí)間內(nèi)基本上是恒定的，而進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)率定試驗(yàn)時(shí)不僅要率定小于當(dāng)前滲流量時(shí)的水位-流量關(guān)系，還要率定大于當(dāng)前滲流量時(shí)的水位-流量關(guān)系，這就要求正式試驗(yàn)前做好引流及分流的準(zhǔn)備工作。

引流是指從外界向滲流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供水，一般從壩外或壩內(nèi)的供水管路取水，最大供水流量一般應(yīng)達(dá)到試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)當(dāng)前滲流量的3倍以上。引流裝置如圖3所示。引流流量調(diào)節(jié)通過取水口閥門完成。

圖3 引流裝置示意圖Fig.3 Schematic drawing of drainage system

分流是指在試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的滲流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前截取部分流量，分流流量調(diào)節(jié)一般通過微型抽水泵進(jìn)行，裝置如圖4所示。

圖4 分流裝置示意圖Fig.4 Schematic drawing of diversion system

3.2 現(xiàn)場(chǎng)率定方法

適用于當(dāng)前滲流量較小的情況，容積法有兩種測(cè)量方式：第一種是在量水堰下直接用電子秒表+量杯的方法進(jìn)行測(cè)量，這種方法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀，易于操作，缺點(diǎn)是只能適應(yīng)流量小于1 L/s的情況；第二種是使用小流量容積式流量計(jì)，小流量容積式流量計(jì)常見的有齒輪式和活塞式儀表，根據(jù)旋轉(zhuǎn)次數(shù)計(jì)算出流量。以?20的COVOL型容積式流量計(jì)為例，其測(cè)量范圍為1～25 L/min，測(cè)量精度可達(dá)0.8%以上。

由于容積法的量程較小，當(dāng)大壩滲流量較大時(shí)，采用容積法可能難以滿足率定的要求，這時(shí)可以考慮采用流速儀法進(jìn)行流量測(cè)量。速度型流量計(jì)以流體一元流動(dòng)方程為理論依據(jù)，即當(dāng)流通截面確定時(shí)，流體的體積流量與截面上的平均流速成正比。多普勒超聲波流速儀能很好地反映斷面的平均流速，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量方便、量程合適，非常適用于現(xiàn)場(chǎng)的水位-流速率定試驗(yàn)。

流量計(jì)/流速儀安裝方式如圖5所示。臨時(shí)隔水前、后墻頂部高程與量水堰頂部平齊，臨時(shí)隔水后墻與量水堰堰板上游端之間距離應(yīng)大于2倍臨時(shí)測(cè)流管管徑，臨時(shí)測(cè)流管上緣高程應(yīng)低于量水堰底坎高程。

圖5 流量計(jì)/流速儀安裝示意圖Fig.5 Installation of flow meter and current meter

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例及分析

柘溪水電廠各壩段的基礎(chǔ)滲流量由壩基灌漿廊道內(nèi)上下游側(cè)排水溝匯集至集水井前沉砂池，沉砂池與集水井之間設(shè)置一三角量水堰（如圖6所示），通過滲流量監(jiān)測(cè)儀測(cè)量沉砂池水位，再由水位-流量關(guān)系曲線推求滲流量大小。該測(cè)點(diǎn)是非標(biāo)準(zhǔn)量水堰及小流量情況下自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的典型應(yīng)用。

圖6 柘溪壩基滲流量觀測(cè)示意圖Fig.6 Schematic drawing of seepage observation at founda?tion of Zhexi dam

由于柘溪水電廠壩基滲流量較小，所以現(xiàn)場(chǎng)率定全過程采用容積法進(jìn)行?？紤]到滲流量較小，量水堰出流水舌不充分，加上測(cè)量確定堰上水頭需要較大的工作量且會(huì)帶來較大的引入誤差，所以擬合公式在式（1）的基礎(chǔ)上引入修正量，目標(biāo)公式如（3）所示：

Q：滲漏量，m3/s；

H：滲流量監(jiān)測(cè)儀測(cè)量水頭，m；

a、b、c：擬合系數(shù)。

試驗(yàn)時(shí)壩基總滲流量約為18 L/min，通過引流，試驗(yàn)最大流量約81 L/min，試驗(yàn)共測(cè)量7個(gè)工況點(diǎn)，每個(gè)工況點(diǎn)采集5組比對(duì)數(shù)據(jù)，取其平均值作為工況試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1:Test data

a、b、c系數(shù)計(jì)算采用迭代回歸法進(jìn)行，計(jì)算步驟如表2所示。

表2 迭代回歸計(jì)算表Table 2:Iterative regression calculation

由回歸計(jì)算可得柘溪壩基量水堰流量公式為：

柘溪水電廠壩基滲流量監(jiān)測(cè)設(shè)備于2009年8月31日投入試運(yùn)行，柘溪水電廠觀測(cè)班從2009年9月30日起每5天進(jìn)行一次人工比測(cè)。截至2010年7月5日，共進(jìn)行了52次比測(cè)，比測(cè)數(shù)據(jù)如表3、表4及圖7所示。

經(jīng)過近一年的試運(yùn)行表明，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)結(jié)果趨勢(shì)基本一致，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)最大流量值、最小流量值發(fā)生時(shí)間均相同,絕大多數(shù)情況下誤差在3 mL/min以下，能夠較好地滿足大壩滲流量觀測(cè)要求。

表3 特征工況統(tǒng)計(jì)表Table 3:Statistics of characteristic conditions

表4 誤差概率統(tǒng)計(jì)表（單位：L/min）Table 4:Statistics of error probability

圖7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用自動(dòng)化-人工比測(cè)過程線圖Fig.7 Comparison between automatic measured value and manual measured value

5 結(jié)語

本研究成果成功解決了小流量及非標(biāo)準(zhǔn)量水堰情況下難以實(shí)現(xiàn)滲流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的問題，拓展了大壩滲流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用范圍，對(duì)大壩其它項(xiàng)目的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)也具有借鑒意義。■

[1]DL/T 5187-2003，混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].