翻斗式流量計在紀村大壩滲流監(jiān)測中的應(yīng)用

張駿

（江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京，242500）

1 工程概況

紀村水電站位于安徽省涇縣赤灘鄉(xiāng)紀村，電站樞紐由大壩、泄水道、引水鋼管、發(fā)電廠房、尾水渠、升壓站和開關(guān)站組成。擋水建筑物由混凝土重力壩和左、右岸土壩組成，左壩頭與笠帽山相接，右壩頭與東干渠堤相接。重力壩最大壩高22.5 m，壩頂長度66.42 m，自右至左分成8 個壩段，壩頂高程57.5 m，壩頂寬度4.0 m；左岸土壩頂寬5 m，右岸土壩頂寬7 m，最大壩高約22.5 m。壩基巖石以紫紅色黏土質(zhì)粉砂巖為主，具有遇水泥化、軟化的特性。

紀村水電站于1973年4月開工，1977年5月蓄水發(fā)電。該工程是一個邊勘測、邊設(shè)計、邊施工的“三邊工程”，加之缺乏在紅層地基上筑壩的經(jīng)驗，設(shè)計和施工都存在較多問題，主要是滲漏問題。因此，滲流監(jiān)測在紀村大壩安全監(jiān)測中極其重要。為此，在壩基布置24個揚壓力監(jiān)測孔，采用鋼弦式滲壓計監(jiān)測孔內(nèi)水位變化；在壩體廊道和壩后布置28個滲流量監(jiān)測孔，原采用人工容積法監(jiān)測，后采用翻斗式流量計監(jiān)測。筆者主要闡述翻斗式流量計在紀村大壩滲流量監(jiān)測中的應(yīng)用情況。

2 翻斗式流量計的原理和構(gòu)造

紀村大壩滲流量測點分布范圍較廣，測值在0.000 2～0.5 L/s，采用量水堰測法均不合適。為了實時監(jiān)測滲流量變化，減輕人工勞動強度，2018年電廠進行了更新改造，采用翻斗式流量計實現(xiàn)自動化監(jiān)測。

翻斗式流量計主要由翻斗、磁控開關(guān)、安裝底板、定位裝置和電磁鐵等組成，如圖1 所示。該類型流量計采用一個定容積的翻斗計量，利用電磁鐵推動翻斗測量。不銹鋼制作的翻斗呈簸箕形，另一邊為平衡桿，下方為轉(zhuǎn)動軸。不處于測量狀態(tài)時，翻斗裝置落在定位裝置上，而平衡桿翹起，整個裝置呈穩(wěn)態(tài)。當(dāng)需要測量時，測控裝置發(fā)送命令觸發(fā)電磁鐵，記錄起始時間t1。電磁鐵推動翻斗裝置轉(zhuǎn)動一定角度，從而使平衡桿落在定位裝置上，此時流入儀器中的水全部注入翻斗裝置的斗室中。待注入一定水量后，翻斗翻轉(zhuǎn)力矩大于翻斗部件自重平衡力矩時，翻斗發(fā)生偏轉(zhuǎn)，將水排出。同時磁控開關(guān)采集一個觸發(fā)信號，記錄終止時間t2，此時儀器測量結(jié)束，又回到測量開始前的狀態(tài)。由于斗室的容積V0是固定的，所以用翻斗室的容積除以接水時長，即可得到所測流量

圖1 翻斗式流量計結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of tipping bucket flowmeter

3 實際應(yīng)用

3.1 布置及選型

紀村大壩在廊道內(nèi)和壩后布置的28個滲流量監(jiān)測孔測值年變幅見表1。因紀村水電站為引水式水電站，每年前池渠道需要放空冬修，此時每個監(jiān)測孔最小流量都為0，正常運行期滲流量大小不一，導(dǎo)致部分測點流量變幅很大。選型時主要根據(jù)運行期實測流量，選擇不同容積的翻斗型號。

表1 紀村滲流量監(jiān)測點統(tǒng)計表Table 1 Statistics of seepage flow at monitoring points of Jicun dam

3.2 安裝調(diào)試

翻斗式流量計安裝方便，可直接用電纜和測控裝置接入各類大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)，如圖2所示。

圖2 翻斗式流量計接線示意圖Fig.2 Wiring diagram of tipping bucket flowmeter

3.2.1 儀器安裝

儀器的安裝底板上有安裝孔用于安裝固定，安裝不需要特別的支墩，可直接裝在水泥地面上。安裝時用水平尺架在儀器上表面，并調(diào)整儀器上的4個水平調(diào)整螺栓使其水平，然后固定，同時儀器出水口朝向排水溝。

3.2.2 電纜安裝

儀器采用專用電纜，分別為2芯屏蔽信號電纜和2 芯電源電纜。在現(xiàn)場安裝前，應(yīng)采用100 V 兆歐表測試電纜每根芯線與屏蔽層的絕緣電阻值并記錄，要求電阻值大于20 MΩ。電纜兩端分別接流量計和測控裝置。

3.2.3 引水裝置安裝

依據(jù)現(xiàn)場具體情況將水流用進水管接入儀器（儀器罩上有專為水流接入而預(yù)留的橢圓形進水孔），進水管的末段應(yīng)垂直向下，且不應(yīng)伸入儀器內(nèi)部，并與儀器罩保留1～2 cm的間隙，如圖3所示。

圖3 引水裝置安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of water diversion device

3.2.4 儀器調(diào)試

儀器安裝完畢后，用自動化系統(tǒng)測量并讀取翻斗從接水到翻轉(zhuǎn)的時間差t，因翻斗容積V0是固定的，測點自動化測值Qz=V0/t。同時可用量筒和秒表，測得人工測值Qr，進行人工比測。

3.3 運行情況

根據(jù)《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》和《大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實用化要求及驗收規(guī)程》，于2019年對紀村流量計系統(tǒng)進行了為期1年的試運行，對數(shù)據(jù)缺失率FR、平均無故障時間MTBF、人工與自動化數(shù)據(jù)比測誤差、短期測值穩(wěn)定性進行了統(tǒng)計考核。

（1）數(shù)據(jù)缺失率FR：28個測點每日8時采集1個自動化數(shù)據(jù)，應(yīng)測總數(shù)為10 220個，實測總數(shù)統(tǒng)計為10 218個，缺失率FR為0.02%，小于規(guī)范要求的3%。

（2）平均無故障時間MTBF：28 個測點1年共發(fā)生4次測點短時間故障，均于當(dāng)日處理完成，MTBF為8 760 h，大于規(guī)范要求的6 300 h。

（3）人工與自動化數(shù)據(jù)比測誤差：每周比測1次，按2δ限差控制，比測總數(shù)為1 456次，統(tǒng)計超限次數(shù)共35次，超限率2.4%，規(guī)范中對超限率沒有具體指標。從各點測值對比過程線可以看出，人工和自動化數(shù)據(jù)符合程度較高，不同量程流量計比測過程線見圖4。

圖4 流量計人工和自動化數(shù)據(jù)比測過程線Fig.4 Graphs of data monitored by man and by automatic flowmeter

（4）短期測值穩(wěn)定性：對28個測點短時間內(nèi)連續(xù)測讀15次，計算每個測點的算術(shù)平均值及中誤差，中誤差最大的測點為0.09%F.S，均不超過0.5%F.S。

通過1年試運行，翻斗式流量計達到了驗收要求，系統(tǒng)于2020年通過了實用化驗收。

3.4 存在問題

3.4.1 故障情況

紀村大壩中應(yīng)用的翻斗式流量計大部分處于潮濕環(huán)境，且部分測孔鈣質(zhì)等析出物較多，運行中發(fā)生的幾次故障主要為推動翻斗的電磁鐵卡阻，不能正常工作所致?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)推桿閥芯生銹，且有析出物濺入，而滲流水質(zhì)清澈的測點，儀器基本未出現(xiàn)過故障。

后期經(jīng)廠家改進，更換了流量計電磁鐵，用不銹鋼閥芯代替了鐵芯，同時在日常運行維護時增加清洗電磁鐵的內(nèi)容，故障有所減少。

3.4.2 數(shù)據(jù)誤差

2019年紀村流量計人工與自動化數(shù)據(jù)比測誤差率為2.9%。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和研究，自動化數(shù)據(jù)誤差的主要來源有兩個：一是部分測點水質(zhì)堿性較重且析出物較多，翻斗內(nèi)沉積鈣質(zhì)和析出物較多，導(dǎo)致斗室容積改變，從而使測量數(shù)據(jù)偏大。二是滲流量變幅較大的測點，水流沖擊翻斗的力量與流量成正比：滲流量大時，翻斗與平衡桿的平衡更容易被打破，導(dǎo)致測量時翻斗內(nèi)實際水量偏小，計算得到的滲流量偏大；滲流量變小時，測量時翻斗內(nèi)實際水量相對偏大，計算得到的流量偏小，而這種關(guān)系在流量超過一定范圍時就會導(dǎo)致人工和自動化數(shù)據(jù)差值超限。統(tǒng)計得紀村大壩流量計比測超限的測點絕大部分集中在1 000～3 000 L翻斗型號（見表2），因為這些測點流量變幅達0.2 L/s以上。通過在采集軟件中加入斗室容積分級控制，按儀器測量得到的翻斗時間t將斗室容積V分為若干級（如5＜t≤ 10 s 設(shè)置V=1 000 L，11＜t≤ 20 s 設(shè)置V=1 200 L等），達到流量變化時，自動選取不同容積計算實測滲流量的目的。

表2 紀村滲流量監(jiān)測點人工及自動化數(shù)據(jù)比測分析表Table 2 Comparative analysis of manual data and automatic data measured at seepage flow monitoring points

通過不斷改進和維護，翻斗式流量計的比測誤差率控制在1%以內(nèi)，考慮到人工測讀也存在誤差，故認定流量計的數(shù)據(jù)準確性滿足要求。

4 結(jié)語

翻斗式流量計在紀村大壩滲流監(jiān)測中的應(yīng)用解決了小滲流量自動化監(jiān)測的問題，在儀器選擇和使用上需注意以下幾點：

（1）翻斗式流量計適用于0.000 2～1 L/s 流量測量，根據(jù)測點最大值選定適合的量程型號。

（2）日常運行時，應(yīng)根據(jù)情況對流量計翻斗和電磁鐵進行定期清洗維護，保證斗室容積穩(wěn)定。

（3）對于流量不穩(wěn)定和變化大的測點，應(yīng)在采集計算軟件中加入斗室容量分級修正功能。