大壩小流量滲流量儀的優(yōu)化設(shè)計及其應(yīng)用

李學(xué)勝，陳宏偉，趙佰生，雷麗江，蔣傳生

（南瑞集團（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引 言

滲透流量監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測的重要項目，滲透流量監(jiān)測數(shù)據(jù)能直觀、準(zhǔn)確的反映大壩及水工建筑物的滲流變化情況，進而反映水工建筑物的運行狀態(tài)［1-4］。滲流監(jiān)測測點一般結(jié)合工程滲流水的流向、集流和排水設(shè)施等因素進行布置，并根據(jù)規(guī)范及實際工程需要，對不同區(qū)域及不同屬性的建筑物滲流進行分區(qū)監(jiān)測，并對重點的排水孔、滲水點進行單獨監(jiān)測［5-8］。對于廊道或地下洞室排水溝內(nèi)的滲水，一般采用量水堰進行監(jiān)測。當(dāng)滲流量小于1 L/s時，宜采用容積法監(jiān)測［9-11］。目前業(yè)內(nèi)使用最為廣泛的量水堰傳感器為振弦式傳感器，在實際運用中，當(dāng)堰上水頭小于0.03 m，即流量小于0.2 L/s（以直角三角形量水堰為例）時，量水堰傳感器就無法準(zhǔn)確識別水頭的變化，滲流測量精度就無法滿足要求［12］，對于很多滲流控制工程質(zhì)量較好的工程，很多重點部位和區(qū)域的滲流量普遍小于該量值，這種情況下，一般采用容積法進行監(jiān)測，采用容積法人工觀測的同時，也可以采用容積法自動化監(jiān)測設(shè)備，但目前業(yè)內(nèi)在用的容積法監(jiān)測設(shè)備一般存在以下問題：一是在水流侵蝕及滲水析出物影響下，很多容積法自動化監(jiān)測設(shè)備可靠性不高；二是普遍測量精度不高：三是在排水溝滲水的監(jiān)測中，在不大量雍高排水溝水位的情況下，容積法自動化監(jiān)測設(shè)備很難布置［13，14］。

針對以上實際適用過程中出現(xiàn)的問題，對儀器進行了優(yōu)化設(shè)計［15］。通過對優(yōu)化后的儀器進行性能測試、人工比測及漫灣、緊水灘、五強溪和碗米坡四個電站的實際應(yīng)用，證明了優(yōu)化后的儀器解決了實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)堵塞、卡頓、自清洗、突然斷電、復(fù)電后無法繼續(xù)測量等一些列問題，同時簡化了儀器結(jié)構(gòu)，減小了儀器高度，適用于大部分滲漏排水管管口較低的應(yīng)用需求，增加了儀器應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性。特別適用于大壩管口滲流小流量、多雜質(zhì)及潮濕等監(jiān)測環(huán)境下長期可靠地進行滲流量自動化監(jiān)測。

1 儀器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 測量與引流的分離結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

大壩壩體及建筑物內(nèi)滲流出的水中含有大量呈粉末狀雜質(zhì)，極其細小，用濾網(wǎng)根本無法將其攔截，滲流水經(jīng)過長時間的流經(jīng)儀器，在儀器表面會積敷大量的水垢物質(zhì)，普通的測量儀器無法長期進行自動化監(jiān)測［16］。為解決這種問題，有些設(shè)計采用測量與引流分離的測量方法，即，當(dāng)測量時，將滲流水引入儀器，不測量時，滲流水直接排走，這樣大大減小了儀器內(nèi)積敷雜質(zhì)的影響。目前，采用這種這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的儀器大多采用閥門或設(shè)計獨立的分流裝置［17，18］，降低了儀器的可靠性，增加了儀器的復(fù)雜程度和儀器高度，而在大壩工程的實際工況中，較多情況下的小滲流監(jiān)測引水口高度空間受限，儀器無法安裝，或需要雍高排水溝的情況下才可以使用該儀器，嚴(yán)重影響了儀器的廣泛推廣應(yīng)用。

本設(shè)計通過旋轉(zhuǎn)測量容器的方式來實現(xiàn)測量與引流分離，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，測量容器由容器上蓋、容器、容器底板組成，容器上蓋與執(zhí)行器相連，執(zhí)行器可以帶動測量容器按設(shè)定的角度進行旋轉(zhuǎn)，排水管固定在測量容器的底板上，可隨測量容器一起轉(zhuǎn)動。不測量時，引水管與排水管同軸，滲流水經(jīng)引水管、排水管直接排出，當(dāng)上位機發(fā)出測量命令時，執(zhí)行器帶動測量容器和排水管一起旋轉(zhuǎn)到給定的角度，致使排水管避開引水管，滲流水經(jīng)引水管全部收集到測量容器內(nèi)，測量結(jié)束時，排水管在測量容器的帶動下旋轉(zhuǎn)到與引水管同軸的位置，同時打開容器底板上的排水口，排出測量容器收集的滲流水。測量容器復(fù)位到不測量狀態(tài)，滲流水又經(jīng)引水管、排水管直接排出。經(jīng)此優(yōu)化，既實現(xiàn)了測量與引流分離的功能，又簡化了儀器結(jié)構(gòu)，降低了儀器高度。

圖1 測量與引流分離結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of measurement and drainage separation

1.2 防波浪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在小流量監(jiān)測過程中，影響儀器測量精度的一個重要因素是測量時滲流水流入測量容器所產(chǎn)生的波浪，由于測量容器結(jié)構(gòu)有限，當(dāng)水流較大時，進入容器時就會產(chǎn)生較大的沖擊波浪，波浪導(dǎo)致液位開關(guān)產(chǎn)生晃動，進而影響測量精度。

為提高本儀器的測量精度。本設(shè)計增加了防浪管和溢流板，如圖2所示，將液位開關(guān)設(shè)計在防浪管內(nèi)，流體只能從防浪管底部慢慢升高，同時在測量容器內(nèi)設(shè)置有溢流板，將容器桶分為溢流區(qū)和測量區(qū)兩部分，測量時，流體首先進入溢流區(qū)，溢流區(qū)充滿后，流體從溢流板頂部進入測量區(qū)，然后，再從防浪管的底部慢慢升高，實現(xiàn)穩(wěn)流的作用，進而減小由于波浪的影響，從試驗數(shù)據(jù)可知，該設(shè)計大大增加了儀器的測量精度。

圖2 防波浪結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of prevent waves

1.3 液位開關(guān)優(yōu)化設(shè)計

液位開關(guān)也是影響測量精度的因素之一，如果要保證儀器的測量精度，必須保證液位開關(guān)的重復(fù)性及準(zhǔn)確性，液位開關(guān)由導(dǎo)向桿和浮子兩部分組成，市面上的液位開關(guān)大多采用厚度0.4～0.5 mm的薄壁不銹鋼外殼制作，重量較輕，在水中波動性大，而且導(dǎo)向桿與浮子的配合間隙較大，增加了重復(fù)度和準(zhǔn)確度的不確定性。為此，本設(shè)計研究了針對該儀器的液位開關(guān)。主要原理是在一個密封的鋼管內(nèi)密封兩個不同位置的干簧管做成導(dǎo)向桿，再將一圓形有機玻璃內(nèi)部掏空并密封，做成浮子，浮子的直徑尺寸是經(jīng)過大量試驗后取得的。將導(dǎo)向桿外表面進行研磨，使其表面光潔度達到鏡面的程度。再將有機玻璃做的浮子套在鋼管上。這樣做成的液位開關(guān)經(jīng)過大量試驗證明具有較高的重復(fù)性和可靠性。

1.4 長期穩(wěn)定性升級

通過查閱資料也有一些科研單位研制了小流量滲流監(jiān)測設(shè)備［19］，由于這些儀器均采用閥門來排水或控制水流方向，當(dāng)水流里泥沙含量較多的工況下，會因為混入到水流里的泥沙導(dǎo)致閥門被卡死或無法完全關(guān)閉，出現(xiàn)測量不正?；驘o法測量的問題，長期穩(wěn)定性及可靠性差。且現(xiàn)有儀器均沒有自清潔裝置，儀器長期使用后，特別是在多雜質(zhì)和泥沙工況下，常常需要人工去拆卸儀器，進行內(nèi)部清洗工作，維護工作量大、成本高。本設(shè)計取消了所有的閥門結(jié)構(gòu)，增加了儀器的長期穩(wěn)定性及可靠性，另外，本儀器增加了自清潔器，如圖3所示，自清潔器由清潔刷和固定條組成，固定條焊接在防浪管上，清潔刷裝配在固定條上，每次測量結(jié)束后，執(zhí)行器帶動測量容器桶旋轉(zhuǎn)，將泥沙從排水孔排出。經(jīng)此優(yōu)化，在不拆卸儀器的情況下就可對其進行清理，增加了儀器的長期穩(wěn)定性。

圖3 自清潔裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure chart of self cleaning device

1.5 降低故障率

儀器測量過程中如突然斷電或意外終止，儀器停留在當(dāng)前位置，水流繼續(xù)流入容器，致使容器充滿而溢流，下次測量時，因容器里已經(jīng)充滿水，儀器收不到液位開關(guān)開始計時和結(jié)束計時信息，導(dǎo)致測量錯誤。在儀器優(yōu)化設(shè)計中增加了復(fù)位功能，每次測量前，首先對儀器進行復(fù)位，無論上次測量后儀器處于任何狀態(tài)，經(jīng)此運行后，儀器均能回到初始位置，保證下次測量的正確進行，提升了儀器測量的糾錯率。

1.6 優(yōu)化后儀器結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后儀器整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由測量容器部件、執(zhí)行器、軸承部件、支撐部件。

圖4 儀器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure chart of instrument

測量容器部件包括容器底板、容器桶、導(dǎo)向管、排水管、容器上蓋、溢流板等，容器底板上設(shè)置有排水口，導(dǎo)向管焊接在容器底板上，起導(dǎo)向作用，排水管通過螺紋與底板連接，不測量時，流體從該管直接引走，不經(jīng)過容器桶，避免待測流體中的雜質(zhì)敷積在測量容器中，而影響測量，溢流板焊接在容器底板上，減小波浪對測量的影響。

執(zhí)行器包括殼體、電機、位置感應(yīng)器、外置反饋器、測控電路等，給儀器提供動力及控制啟停。

軸承部件包括支撐軸、托盤、引水管管、防浪管、液位開關(guān)、密封件、軸承等，支撐軸與托盤焊接成一體，引流管與托盤通過螺紋連接在一起，防浪管點焊在托盤上，密封件設(shè)置在防浪管上，液位開關(guān)設(shè)置在防浪管內(nèi)，沿導(dǎo)向桿上下移動，導(dǎo)向桿固定在托盤上，軸承內(nèi)孔與支撐軸過盈配合，避免發(fā)生相對運動。

支撐部件包括安裝底板、接支板、支撐桿、支撐板等。軸承部件與測量容器部件連接后，通過軸承部件的支撐軸與支撐板連接，并用螺母固定鎖緊，然后將執(zhí)行器通過螺母與執(zhí)行器支撐板連接，最后將該支撐板再固定到支撐桿上。

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，儀器通過執(zhí)行器帶動測量容器轉(zhuǎn)動，來實現(xiàn)測量與引流分離設(shè)計，不僅簡化了儀器結(jié)構(gòu)而且還降低了儀器高度，儀器高度僅為200 mm，解決了滲流監(jiān)測引水口高度空間受限，儀器無法安裝，或需要雍高排水溝的情況下才可以使用該儀器的問題，有利于儀器的推廣應(yīng)用；通過增加防波浪設(shè)置，提高了儀器的測量精度；增加了自清潔裝置和整體無閥門設(shè)計，減小了儀器拆卸清理的頻率，提高了儀器的長期穩(wěn)定性和可靠性；增加了復(fù)位功能，提高了儀器的容錯率。

2 儀器廠內(nèi)性能測試

按優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)構(gòu)制作了儀器，并進行了性能測試。首先搭建了測試平臺如圖5所示，主要由溢流桶、調(diào)節(jié)閥門、穩(wěn)流箱和儀器支架組成。性能測試前首先要測量儀器的有效體積。

圖5 測試平臺示意圖Fig.5 Schematic diagram of test platform

2.1 儀器有效體積測量

儀器有效體積的獲得方法如下：

（1）首先準(zhǔn)備好秒表，稱重容器和電子秤。

（2）將儀器、測控模塊、電源、南瑞大壩自動化測量軟件等依次連接。

（3）調(diào)節(jié)水流，將足夠流量的水引至溢流桶，溢流桶的出水管引至穩(wěn)流箱，穩(wěn)流箱出水口與滲漏量儀進水口連接。試驗時確保溢流桶始終處于溢流狀態(tài)，調(diào)穩(wěn)流箱的調(diào)節(jié)閥門2，使穩(wěn)流箱的出水流量在20 mL/s左右時，調(diào)節(jié)溢水桶的調(diào)節(jié)閥門1，當(dāng)穩(wěn)流箱中的頁面不發(fā)生升降時，此時從穩(wěn)流箱流出的水為恒流（恒流是為了保證在不同測次下，人工測量與自動測量時流速一致，保證測量的準(zhǔn)確性），將水引到稱重容器里，同時要按下秒表，開始計時。

（4）當(dāng)容器內(nèi)水達到一定量時，按下秒表，停止計時（為保證儀器有效體積的準(zhǔn)確性，建議計時時間不小于400 s）。

（5）首先將水的重量換算成水的體積，然后根據(jù)時間和該時間段內(nèi)稱重容器內(nèi)接到水的體積計算出流量。

（6）然后將引水管接入連接好的儀器引水口，待水流平穩(wěn)后，用南瑞大壩測量軟件對儀器進行測量，記下測量時間。

（7）根據(jù)人工測量流量和自動測量時間計算出儀器測量容器的有效體積。

（8）按上面的步驟連續(xù)4次得出測量容器的有效體積，求其平均值。

（9）把儀器測量容器的有效體積的平均值輸入南瑞大壩測量軟件的最終成果計算公式中，至此完成儀器有效體積測量。

2.2 儀器性能測試

儀器性能測試分三檔進行，分別取滿量程的1/4、1/2和1三個測試點，各測試點的實際流量值不超過上述規(guī)定值的10%。以量程為200 mL/s的儀器為例進行性能測試，首先調(diào)節(jié)穩(wěn)流箱的閥門2，使穩(wěn)流箱的出水流量在50 mL/s流量時，調(diào)節(jié)溢水桶的調(diào)節(jié)閥門1，當(dāng)穩(wěn)流箱中的頁面不發(fā)生升降時，先進行人工測量。人工測量方法和儀器有效體積測量方法相同：將滲漏量儀出水口的水引入稱重容器的同時開始計時，Tj秒后停止向稱重容器中放水。記錄Tj以及電子稱所顯示的重量值Wj，然后用滲漏量儀測量此時的流量。如此進行3個檔位的測試。

按下式計算人工測量的流量Qmj：

式中：j為每個測試點人工測量次數(shù)，j=1、2、3；Qmj為人工測量的流量值，mL/s；Wj為第i檔第j次人工測量流體重量，g；ρ為水的密度，單位為克每毫升，g/mL；Tj為第i檔第j次人工測量所用時間。

按下式計算儀器測量精度δ：

式中：i為分檔數(shù)，i=1、2、3為第i檔3次電測量的平均值，mL/s為第i檔3次人工測量的平均值，mL/s；Q為滲漏量儀的測量量程，mL/s。

根據(jù)以上步驟，對量程為200 mL/s的樣機進行了性能測試，首先按上述方法測試出儀器的有效體積，如表1所示，將表1獲得的儀器有效體積均值，輸入到南瑞大壩自動化測量軟件中，點擊測量命令時，軟件會輸出儀器的流量值，稱為自動測量流量，通過表2得到人工測量流量與自動測量流量的偏差值。從表2可知，儀器的測量精度小于滿量程的1%，儀器改進前測量精度為滿量程的3%［18］，可見，通過結(jié)構(gòu)改進可以大大提高儀器的測量精度。

表1 有效體積測量表Tab.1 Effective volume measurement table

表2 性能測試表Tab.2 Performance test table

3 工程應(yīng)用

到目前為止，儀器已經(jīng)在漫灣、緊水灘、五強溪和碗米坡4個電廠安裝應(yīng)用，漫灣電廠1臺，緊水灘、五強溪和碗米坡電廠各4臺，圖6是各個電廠部分儀器安裝圖，每只儀器安裝完畢都的運行數(shù)據(jù)如圖7所示。進行了現(xiàn)場人工比對測試，每個電廠各取其中1臺測試數(shù)據(jù)，如表3所示。自安裝以來，漫灣已經(jīng)運行近一年，緊水灘已經(jīng)運行近半年，五強溪電廠和碗米坡電廠均在2022年3月份投運，所有儀器自安裝以來均運行良好，儀器在漫灣電廠和緊水灘電廠

表3 現(xiàn)場人工比對測量數(shù)據(jù)Tab.3 On-site manual comparison of measured data

圖6 現(xiàn)場安裝圖Fig.6 Installation diagrm on site

圖7 現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)Fig.7 Operation data on site

4 結(jié) 語

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過旋轉(zhuǎn)測量容器的方式來實現(xiàn)測量與引流分離，解決了水流侵蝕及滲水析出物影響下，很多容積法自動化監(jiān)測設(shè)備可靠性不高的問題，同時簡化了儀器結(jié)構(gòu)縮小了儀器高度，本設(shè)計高度只有200 mm，解決了在不大量雍高排水溝水位的情況下，容積法自動化監(jiān)測設(shè)備很難布置的難題。通過增加防浪設(shè)計，提高了儀器的測量精度。增加了復(fù)位功能，提高了儀器的容錯率。通過性能測試和漫灣、緊水灘、五強溪和碗米坡四個電廠的實際應(yīng)用，證明了優(yōu)化后儀器的可行性，后期五菱公司還要在托口、掛治兩個電站各安裝4臺，漫灣電廠的成功應(yīng)用，致使漫灣電廠又簽訂了18臺儀器的采購合同，所有這些均表明，優(yōu)化后的儀器受到了客戶的一致認可，儀器性能優(yōu)良，具有長期穩(wěn)定性及可靠性，更適合大壩小流量滲流量的自動化監(jiān)測，具有廣闊的應(yīng)用前景。