拓展大壩滲流量自動化監測應用范圍的方法研究

莫劍，王亮，夏國勛

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

0 引言

國際大壩委員會第23號會刊的報告中指出：“壩基揚壓力和滲流量的觀測是最直接的也是最有意義的安全措施。如果是重力壩，這些觀測是頭等重要的”。可見把滲流量監測作為關鍵項目之一，在國內外壩工界已成為共識。

大壩滲流量的監測部位較多，而以容積法為主的人工觀測方法相當繁瑣，再加上電廠水工觀測人員一般較少，因此對滲流量投入自動化監測是非常必要的。

當前量水堰自動化監測方法適用于滲流量大于1 L/s（即60 L/min）的情況，而對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，限制了滲流量自動化監測的應用范圍，所以有必要對此進行研究和改進。

1 滲流量監測儀精度的影響因素

1.1 小流量的縮尺效應

薄壁堰的堰上水頭和流量之間存在著穩定函數關系，這一點是確定的。但這一函數關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，其中表面張力對流量的影響在一定條件下是顯著的。當堰上水頭很小時，因受表面張力作用，溢過堰頂的水流貼附堰壁下泄。當貼壁流發生時，堰上水舌往往上下擺動，影響溢流及流量的穩定性。

1.2 非標準量水堰的影響

大壩滲流量監測測點一般位于大壩廊道內，由于場地局限等原因，常常無法設置符合規范要求的標準量水堰。根據實驗室及原型試驗資料，流過堰頂的水流形態以及反映過流能力的流量系數隨堰頂厚度與堰頂水頭之比而變，不同堰型、不同高度的堰，其流量系數各不相同。

1.3 規范推薦公式及其局限性

根據DL/T5178-2003《混凝土壩安全監測技術規范》測得堰上水頭后，滲漏量可按下述公式計算：

（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：堰頂板至堰頂的距離，m。

由1.1分析可知，即使對標準量水堰而言，直接采用規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，流量系數逐漸減小。由1.2分析可知，如果由于場地限制無法建造標準量水堰時，直接套用公式（1）、（2）計算滲流量將帶來比標準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，當滲流量較小（混凝土壩壩基滲流量往往不足1L/s）或因場地限制無法設置標準量水堰時，采用傳統的滲流量自動化監測方法將帶來較大的誤差。要實現小滲流量的自動化監測，主要應從以下兩個方面進行改進：

（1）采用高精度及高穩定性的傳感器；（2）對量水堰標準公式進行修正。

2 滲流量監測儀的研制

滲流量監測儀核心元件采用美國羅斯蒙特3051型電容式差壓變送器，其測量部件結構如圖1所示。

圖1 差壓測量示意圖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，水壓側加有預張力的不銹鋼膜片作為感壓敏感元件。當水壓和大氣壓同時作用于兩側感應膜片上時，膜式動電極將凹向大氣壓側，導致電容量發生變化。

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溫度傳感器，經過溫度修正后進行A/D轉換為數字量，可以直接用HART格式進行通訊。另外還可以經過D/A調理轉換為4～20 mA標準信號。

經密封處理后的滲流量監測儀結構如圖2所示。水壓通過連接管及法蘭傳遞，密封罩內氣壓通過通氣管與大氣壓保持一致。

圖2 滲流量監測儀結構示意圖Fig.2 Schematic drawing of the structure of seepage monitor?ing instrument

3 水位-流量關系現場率定方法

量水堰標準公式修正最簡便的方法是進行水位-流量關系現場率定試驗。

3.1 基礎工作

水位-流量關系的現場率定試驗中，實際流量的測量是最核心的環節，是測試中難度最大、工作量最多的工作，它對整個測試精度起著決定性作用。所以應針對不同的情況選擇正確的測量方法以提高觀測精度。

如果要測試完整的水位-流量關系，試驗過程中不可避免要進行流量調節。由于大壩滲流量在短時間內基本上是恒定的，而進行現場率定試驗時不僅要率定小于當前滲流量時的水位-流量關系，還要率定大于當前滲流量時的水位-流量關系，這就要求正式試驗前做好引流及分流的準備工作。

引流是指從外界向滲流量監測系統供水，一般從壩外或壩內的供水管路取水，最大供水流量一般應達到試驗測點當前滲流量的3倍以上。引流裝置如圖3所示。引流流量調節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

分流是指在試驗測點的滲流量監測系統前截取部分流量，分流流量調節一般通過微型抽水泵進行，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 現場率定方法

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

由于容積法的量程較小，當大壩滲流量較大時，采用容積法可能難以滿足率定的要求，這時可以考慮采用流速儀法進行流量測量。速度型流量計以流體一元流動方程為理論依據，即當流通截面確定時，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，且結構簡單、測量方便、量程合適，非常適用于現場的水位-流速率定試驗。

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

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

4 現場應用實例及分析

柘溪水電廠各壩段的基礎滲流量由壩基灌漿廊道內上下游側排水溝匯集至集水井前沉砂池，沉砂池與集水井之間設置一三角量水堰（如圖6所示），通過滲流量監測儀測量沉砂池水位，再由水位-流量關系曲線推求滲流量大小。該測點是非標準量水堰及小流量情況下自動化監測的典型應用。

圖6 柘溪壩基滲流量觀測示意圖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，所以現場率定全過程采用容積法進行。考慮到滲流量較小，量水堰出流水舌不充分，加上測量確定堰上水頭需要較大的工作量且會帶來較大的引入誤差，所以擬合公式在式（1）的基礎上引入修正量，目標公式如（3）所示：

Q：滲漏量，m3/s；

H：滲流量監測儀測量水頭，m；

a、b、c：擬合系數。

試驗時壩基總滲流量約為18 L/min，通過引流，試驗最大流量約81 L/min，試驗共測量7個工況點，每個工況點采集5組比對數據，取其平均值作為工況試驗結果。試驗數據整理如表1。

表1 試驗數據Table 1:Test data

a、b、c系數計算采用迭代回歸法進行，計算步驟如表2所示。

表2 迭代回歸計算表Table 2:Iterative regression calculation

由回歸計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測設備于2009年8月31日投入試運行，柘溪水電廠觀測班從2009年9月30日起每5天進行一次人工比測。截至2010年7月5日，共進行了52次比測，比測數據如表3、表4及圖7所示。

經過近一年的試運行表明，自動化監測數據與人工觀測結果趨勢基本一致，自動化監測與人工監測最大流量值、最小流量值發生時間均相同,絕大多數情況下誤差在3 mL/min以下，能夠較好地滿足大壩滲流量觀測要求。

表3 特征工況統計表Table 3:Statistics of characteristic conditions

表4 誤差概率統計表（單位：L/min）Table 4:Statistics of error probability

圖7 現場應用自動化-人工比測過程線圖Fig.7 Comparison between automatic measured value and manual measured value

5 結語

本研究成果成功解決了小流量及非標準量水堰情況下難以實現滲流量自動化監測的問題，拓展了大壩滲流量自動化監測的應用范圍，對大壩其它項目的自動化監測也具有借鑒意義。■

[1]DL/T 5187-2003，混凝土壩安全監測技術規范[S].