大黑汀水库主坝坝基量水堰人工观测读数仪设计

2014-01-16赵利锋赵恩辉苏春荣高彦国焦秀兰朱爱民

大坝与安全 2014年6期

赵利锋，赵恩辉，苏春荣，高彦国，焦秀兰，朱爱民

（1.水利部海委引滦工程管理局，河北唐山，064300；2.唐山市水利规划设计研究院，河北唐山，064300）

0 引言

大黑汀水库位于河北省唐山市迁西县境内，主坝为低宽缝混凝土重力坝，最大坝高52.8 m，坝顶长1 354.5 m，共82个坝块，自西向东布置有西头重力坝、渠首电站、放水洞、西重力坝、河床电站、底孔、溢流坝和东重力坝。工程于1973年动工兴建，1979年底下闸蓄水，1986年竣工投入使用，1999～2002年进行了除险加固，其中进行了观测设施改造施工，对人工观测项目和测点数量进行了完善，并布置了大坝安全监测自动化系统。

1 渗流监测概述

大黑汀水库基础渗流量监测分为单孔渗漏量、分区渗漏量，其中：单孔渗漏量用于测量单个基础渗漏观测孔的渗漏量；分区渗漏量用于测量一定坝段区域的渗漏量。具体布设情况如下。

1.1 单孔渗漏量

在基础主廊道下游侧及排水廊道内布设有基础渗漏量观测孔，共计392个测点，采用人工容积法进行观测，未纳入大坝安全监测自动化系统。

1.2 分区渗漏量

在H、26号、41号、47号坝段基础主廊道排水沟处、7～8号、20～21号宽缝口、护坦廊道28号坝段集水井旁，各设置有一个量水堰观测点，分别为H坝段量水堰、7号坝段量水堰、21号坝段量水堰、26号坝段量水堰、28号坝段量水堰、41号坝段量水堰和47号坝段量水堰，采用的是三角堰。每月进行两次人工观测，自动化采用了7台YL-100型电容式量水堰渗流量仪进行监测。

2 量水堰人工观测读数仪研究设计

2.1 人工观测现状

大黑汀水库主坝坝基分区渗流量通过量水堰监测，人工观测项目是通过读取在量水堰处引水渠边墙上安装的堰上水位读数标尺的刻度，根据三角堰公式进行内业计算得到分区渗漏量。现在存在三方面的问题：（1）由于所有测点全部处在廊道侧壁墙角处，水位标尺均处在底板地面以下，观测人员必须趴在底板上向下读取数据，不能平视，并且光线比较暗，观测时通过手电照射读取水位，标尺表面反光，水体为无色透明液体，因此极易引起视觉差，造成观测误差；（2）水体表面存在张力，在标尺处出现有弧度的凹液面，并且在手电的照射下读数，读数误差较大，影响观测数据；（3）标尺长期处在水中，坝体渗漏水含有大量析出物，附着在标尺表面，尤其是水位变动区更加明显，造成刻度不清晰，引起读数误差。综合以上内容，现有人工观测采用读取量水堰处引水边墙上安装的标尺刻度极易造成观测误差，影响坝体渗流量监测数据分析。

2.2 量水堰人工观测改造方案的提出

针对人工观测项目存在的问题，可知人工观测项目改造应满足以下要求：（1）改善标尺周围光线环境并且保证观测人员平视刻度读取数据；（2）避免水体表面张力对读取水位的影响；（3）尽量避免标尺长期处在水中运行。

为了达到上述要求，提出如下解决方案：

采用浮托原理设计制作量水堰人工观测读数仪，将原读数位置及读数方式进行改变。量水堰人工观测读数仪主要由四部分组成，分别为外套筒、浮子、标尺和浮子指针，安装在量水堰引水渠内。量水堰内水位变动引起人工观测读数仪浮子上下自由移动，浮子指针跟随浮子在标尺处上下移动，指示量水堰水位（见图1）。

人工观测读数仪是通过浮托装置指针指示标尺读取刻度，水位变化引起浮子指针在标尺上的上下移动，因此能够保证量水堰水位真实准确。标尺设置在外套筒顶部，超过廊道底板高程，观测人员读取指针指示的刻度，保证了观测人员平视标尺刻度。通过水体浮力引起浮子变化监测水位，标尺设置在水体外面，避免了水体表面张力引起水面凹陷的影响，避免了标尺长期处在水中运行，方案可行。

2.3 量水堰人工观测读数仪研究设计

进一步分析上述方案，发现必须解决两大难题：（1）量水堰人工观测读数仪浮托装置材料的选择必须满足浮子轻、有一定的强度、完全不溶于水、不容易破损引起浮子吃水位置的变化、浮子与外壁间隙尽量小、没有摩擦、保证铅直度、不容易腐蚀、易于加工；（2）量水堰中水深一般在12～20 cm之间，引水渠宽度为30 cm，因此浮子吃水深度必须小于12 cm。为了增大浮力，只能增加浮子截面面积，另外在引水渠中设置装置，必会影响引水渠中水流形态变化，又必须减小浮子截面面积，因而存在矛盾。

针对上述（1）的要求，选取3种材料进行比选，分别是塑料、铝合金和不锈钢。

塑料材质密度最小，浮子截面面积最小，对水流形态的影响也最小，但是塑料材质各个零部件之间不容易连接，并且人工观测读数仪零部件是单独设计，不是通用形状，在市场上不好采购，铝合金和不锈钢可以采购型材，通过车床加工实现设计要求。

铝合金材质密度比不锈钢密度小，浮子截面面积可以小一些，减小对水流形态的影响，但是坝体渗漏水呈碱性，对铝制材料有极强的腐蚀性；不锈钢材料在碱性水中比较稳定，更不容易锈蚀，而且容易制作，实现特定形状零部件。最终选定不锈钢材料。

针对上述（2）的要求，进行截面设计，选用浮力公式和丁坝壅水高度计算公式进行计算。

浮力公式：

式中：ρ为水体密度；g为重力加速度；v排为物体在水中部分体积。

丁坝壅水高度计算公式：

式中：Q为通过丁坝口的流量，即通过丁坝缩窄断面的流量；ϕ为流速系数，与流向垂直的丁坝，ϕ=0.75～0.85，与流向成锐角的丁坝，ϕ=0.85～0.90，一般情况下，ϕ=0.85；ε为侧收缩系数，与丁坝缩窄断面比有关，也与丁坝坝头形状有关，一般可取ε=0.8，缩窄显著者，ε=0.7；Bˉ为坝孔口平均宽度，即丁坝缩窄断面的平均宽度；h为孔口处的平均水深，可近似用下游水深替代；ν0为行进流速，其中可以忽略不计。

图2 丁坝壅水高度示意图Fig.2 Height of water gushing at the spur dike

采用式（2），选取最大流量量水堰Q=50 L/min，引水渠宽30 cm，水深12 cm，ϕ=0.85，ε=0.7进行试算，

人工观测读数仪宽为10 cm：

人工观测读数仪宽为8 cm：

由此可见，在10 cm以下，上下游水位差小于0.1 mm，可以忽略不计。

采用式（1），选用圆筒形浮子，观测装置外径最大8 cm，内部浮子直径7 cm，吃水深度在10 cm，浮力=3.847 N=0.384 7 kg。

综合上述计算，人工观测读数仪设计如下：

整体浮子及配件总质量为0.295 1 kg，小于0.387 4 kg，因此此方案可行。

图3 量水堰人工观测读数仪Fig.3 The artificial reading instrument at the weir

3 方案实施和应用成效

依据上述研究设计结果，方案实施如下：（1）通过车床对所有零部件进行严格控制加工，完全保证了浮子、外部套筒和指针连杆的同心度；（2）安装时采用水平尺和铅垂线进行控制安装，采用底部锚固，上部采用翼展固定，形成三角形固定，保证了浮托装置的稳定性；（3）进水口设计在垂直水流方向进水，避免了水流对浮子的冲击效应，浮子在套筒中上下自由变动，灵敏度完全符合要求。

方案实施后取得的效果：（1）通过浮托装置，量水堰人工观测仪提高了观测标尺高度，保证了观测人员平视标尺刻度；（2）标尺设置在套筒上部，改善了观测环境；（3）通过水体浮力引起浮子变化监测水位，避免了水体表面存在张力的凹陷影响；（4）标尺设置在水体外面，避免了标尺长期处在水中运行。