拓展大坝渗流量自动化监测应用范围的方法研究

莫剑，王亮，夏国勋

（1.湖南省电力公司试验研究院，湖南长沙410007；2.湖南省电力公司柘溪水电厂，湖南安化413508）

0 引言

国际大坝委员会第23号会刊的报告中指出：“坝基扬压力和渗流量的观测是最直接的也是最有意义的安全措施。如果是重力坝，这些观测是头等重要的”。可见把渗流量监测作为关键项目之一，在国内外坝工界已成为共识。

大坝渗流量的监测部位较多，而以容积法为主的人工观测方法相当繁琐，再加上电厂水工观测人员一般较少，因此对渗流量投入自动化监测是非常必要的。

当前量水堰自动化监测方法适用于渗流量大于1 L/s（即60 L/min）的情况，而对于许多大坝尤其是新建混凝土大坝而言，坝体及坝基渗流量往往比较小，限制了渗流量自动化监测的应用范围，所以有必要对此进行研究和改进。

1 渗流量监测仪精度的影响因素

1.1 小流量的缩尺效应

薄壁堰的堰上水头和流量之间存在着稳定函数关系，这一点是确定的。但这一函数关系受多种因素的影响，如堰高、堰宽、渠壁的糙率、水头损失、堰上流速水头、水流的表面张力等，其中表面张力对流量的影响在一定条件下是显著的。当堰上水头很小时，因受表面张力作用，溢过堰顶的水流贴附堰壁下泄。当贴壁流发生时，堰上水舌往往上下摆动，影响溢流及流量的稳定性。

1.2 非标准量水堰的影响

大坝渗流量监测测点一般位于大坝廊道内，由于场地局限等原因，常常无法设置符合规范要求的标准量水堰。根据实验室及原型试验资料，流过堰顶的水流形态以及反映过流能力的流量系数随堰顶厚度与堰顶水头之比而变，不同堰型、不同高度的堰，其流量系数各不相同。

1.3 规范推荐公式及其局限性

根据DL/T5178-2003《混凝土坝安全监测技术规范》测得堰上水头后，渗漏量可按下述公式计算：

（1）直角三角堰：

Q:渗漏量，m3/s；

H:堰上水头，m。

（2）矩形堰：

Q：渗漏量，m3/s；

H：堰上水头，m；

b：堰宽，m；

P：堰顶板至堰顶的距离，m。

由1.1分析可知，即使对标准量水堰而言，直接采用规范推荐公式也将带来一定的误差，一般随着堰高与堰顶水头比值的增大，流量系数逐渐减小。由1.2分析可知，如果由于场地限制无法建造标准量水堰时，直接套用公式（1）、（2）计算渗流量将带来比标准量水堰情况下更大的误差。

1.4 问题的解决思路

由以上分析可知，当渗流量较小（混凝土坝坝基渗流量往往不足1L/s）或因场地限制无法设置标准量水堰时，采用传统的渗流量自动化监测方法将带来较大的误差。要实现小渗流量的自动化监测，主要应从以下两个方面进行改进：

（1）采用高精度及高稳定性的传感器；（2）对量水堰标准公式进行修正。

2 渗流量监测仪的研制

渗流量监测仪核心元件采用美国罗斯蒙特3051型电容式差压变送器，其测量部件结构如图1所示。

图1 差压测量示意图Fig.1 Schematic drawing of pressure difference measurement

在玻璃基片上镀有金属层的球面固定极片。在压差作用下，水压侧加有预张力的不锈钢膜片作为感压敏感元件。当水压和大气压同时作用于两侧感应膜片上时，膜式动电极将凹向大气压侧，导致电容量发生变化。

为了修正温度影响，罗斯蒙特3051型电容式差压变送器集成了一个温度传感器，经过温度修正后进行A/D转换为数字量，可以直接用HART格式进行通讯。另外还可以经过D/A调理转换为4～20 mA标准信号。

经密封处理后的渗流量监测仪结构如图2所示。水压通过连接管及法兰传递，密封罩内气压通过通气管与大气压保持一致。

图2 渗流量监测仪结构示意图Fig.2 Schematic drawing of the structure of seepage monitor⁃ing instrument

3 水位-流量关系现场率定方法

量水堰标准公式修正最简便的方法是进行水位-流量关系现场率定试验。

3.1 基础工作

水位-流量关系的现场率定试验中，实际流量的测量是最核心的环节，是测试中难度最大、工作量最多的工作，它对整个测试精度起着决定性作用。所以应针对不同的情况选择正确的测量方法以提高观测精度。

如果要测试完整的水位-流量关系，试验过程中不可避免要进行流量调节。由于大坝渗流量在短时间内基本上是恒定的，而进行现场率定试验时不仅要率定小于当前渗流量时的水位-流量关系，还要率定大于当前渗流量时的水位-流量关系，这就要求正式试验前做好引流及分流的准备工作。

引流是指从外界向渗流量监测系统供水，一般从坝外或坝内的供水管路取水，最大供水流量一般应达到试验测点当前渗流量的3倍以上。引流装置如图3所示。引流流量调节通过取水口阀门完成。

图3 引流装置示意图Fig.3 Schematic drawing of drainage system

分流是指在试验测点的渗流量监测系统前截取部分流量，分流流量调节一般通过微型抽水泵进行，装置如图4所示。

图4 分流装置示意图Fig.4 Schematic drawing of diversion system

3.2 现场率定方法

适用于当前渗流量较小的情况，容积法有两种测量方式：第一种是在量水堰下直接用电子秒表+量杯的方法进行测量，这种方法的特点是简单直观，易于操作，缺点是只能适应流量小于1 L/s的情况；第二种是使用小流量容积式流量计，小流量容积式流量计常见的有齿轮式和活塞式仪表，根据旋转次数计算出流量。以ϕ20的COVOL型容积式流量计为例，其测量范围为1～25 L/min，测量精度可达0.8%以上。

由于容积法的量程较小，当大坝渗流量较大时，采用容积法可能难以满足率定的要求，这时可以考虑采用流速仪法进行流量测量。速度型流量计以流体一元流动方程为理论依据，即当流通截面确定时，流体的体积流量与截面上的平均流速成正比。多普勒超声波流速仪能很好地反映断面的平均流速，且结构简单、测量方便、量程合适，非常适用于现场的水位-流速率定试验。

流量计/流速仪安装方式如图5所示。临时隔水前、后墙顶部高程与量水堰顶部平齐，临时隔水后墙与量水堰堰板上游端之间距离应大于2倍临时测流管管径，临时测流管上缘高程应低于量水堰底坎高程。

图5 流量计/流速仪安装示意图Fig.5 Installation of flow meter and current meter

4 现场应用实例及分析

柘溪水电厂各坝段的基础渗流量由坝基灌浆廊道内上下游侧排水沟汇集至集水井前沉砂池，沉砂池与集水井之间设置一三角量水堰（如图6所示），通过渗流量监测仪测量沉砂池水位，再由水位-流量关系曲线推求渗流量大小。该测点是非标准量水堰及小流量情况下自动化监测的典型应用。

图6 柘溪坝基渗流量观测示意图Fig.6 Schematic drawing of seepage observation at founda⁃tion of Zhexi dam

由于柘溪水电厂坝基渗流量较小，所以现场率定全过程采用容积法进行。考虑到渗流量较小，量水堰出流水舌不充分，加上测量确定堰上水头需要较大的工作量且会带来较大的引入误差，所以拟合公式在式（1）的基础上引入修正量，目标公式如（3）所示：

Q：渗漏量，m3/s；

H：渗流量监测仪测量水头，m；

a、b、c：拟合系数。

试验时坝基总渗流量约为18 L/min，通过引流，试验最大流量约81 L/min，试验共测量7个工况点，每个工况点采集5组比对数据，取其平均值作为工况试验结果。试验数据整理如表1。

表1 试验数据Table 1:Test data

a、b、c系数计算采用迭代回归法进行，计算步骤如表2所示。

表2 迭代回归计算表Table 2:Iterative regression calculation

由回归计算可得柘溪坝基量水堰流量公式为：

柘溪水电厂坝基渗流量监测设备于2009年8月31日投入试运行，柘溪水电厂观测班从2009年9月30日起每5天进行一次人工比测。截至2010年7月5日，共进行了52次比测，比测数据如表3、表4及图7所示。

经过近一年的试运行表明，自动化监测数据与人工观测结果趋势基本一致，自动化监测与人工监测最大流量值、最小流量值发生时间均相同,绝大多数情况下误差在3 mL/min以下，能够较好地满足大坝渗流量观测要求。

表3 特征工况统计表Table 3:Statistics of characteristic conditions

表4 误差概率统计表（单位：L/min）Table 4:Statistics of error probability

图7 现场应用自动化-人工比测过程线图Fig.7 Comparison between automatic measured value and manual measured value

5 结语

本研究成果成功解决了小流量及非标准量水堰情况下难以实现渗流量自动化监测的问题，拓展了大坝渗流量自动化监测的应用范围，对大坝其它项目的自动化监测也具有借鉴意义。■

[1]DL/T 5187-2003，混凝土坝安全监测技术规范[S].