翻斗式流量计在纪村大坝渗流监测中的应用

张骏

（江苏南水科技有限公司，江苏 南京，242500）

1 工程概况

纪村水电站位于安徽省泾县赤滩乡纪村，电站枢纽由大坝、泄水道、引水钢管、发电厂房、尾水渠、升压站和开关站组成。挡水建筑物由混凝土重力坝和左、右岸土坝组成，左坝头与笠帽山相接，右坝头与东干渠堤相接。重力坝最大坝高22.5 m，坝顶长度66.42 m，自右至左分成8 个坝段，坝顶高程57.5 m，坝顶宽度4.0 m；左岸土坝顶宽5 m，右岸土坝顶宽7 m，最大坝高约22.5 m。坝基岩石以紫红色黏土质粉砂岩为主，具有遇水泥化、软化的特性。

纪村水电站于1973年4月开工，1977年5月蓄水发电。该工程是一个边勘测、边设计、边施工的“三边工程”，加之缺乏在红层地基上筑坝的经验，设计和施工都存在较多问题，主要是渗漏问题。因此，渗流监测在纪村大坝安全监测中极其重要。为此，在坝基布置24个扬压力监测孔，采用钢弦式渗压计监测孔内水位变化；在坝体廊道和坝后布置28个渗流量监测孔，原采用人工容积法监测，后采用翻斗式流量计监测。笔者主要阐述翻斗式流量计在纪村大坝渗流量监测中的应用情况。

2 翻斗式流量计的原理和构造

纪村大坝渗流量测点分布范围较广，测值在0.000 2～0.5 L/s，采用量水堰测法均不合适。为了实时监测渗流量变化，减轻人工劳动强度，2018年电厂进行了更新改造，采用翻斗式流量计实现自动化监测。

翻斗式流量计主要由翻斗、磁控开关、安装底板、定位装置和电磁铁等组成，如图1 所示。该类型流量计采用一个定容积的翻斗计量，利用电磁铁推动翻斗测量。不锈钢制作的翻斗呈簸箕形，另一边为平衡杆，下方为转动轴。不处于测量状态时，翻斗装置落在定位装置上，而平衡杆翘起，整个装置呈稳态。当需要测量时，测控装置发送命令触发电磁铁，记录起始时间t1。电磁铁推动翻斗装置转动一定角度，从而使平衡杆落在定位装置上，此时流入仪器中的水全部注入翻斗装置的斗室中。待注入一定水量后，翻斗翻转力矩大于翻斗部件自重平衡力矩时，翻斗发生偏转，将水排出。同时磁控开关采集一个触发信号，记录终止时间t2，此时仪器测量结束，又回到测量开始前的状态。由于斗室的容积V0是固定的，所以用翻斗室的容积除以接水时长，即可得到所测流量

图1 翻斗式流量计结构图Fig.1 Structure of tipping bucket flowmeter

3 实际应用

3.1 布置及选型

纪村大坝在廊道内和坝后布置的28个渗流量监测孔测值年变幅见表1。因纪村水电站为引水式水电站，每年前池渠道需要放空冬修，此时每个监测孔最小流量都为0，正常运行期渗流量大小不一，导致部分测点流量变幅很大。选型时主要根据运行期实测流量，选择不同容积的翻斗型号。

表1 纪村渗流量监测点统计表Table 1 Statistics of seepage flow at monitoring points of Jicun dam

3.2 安装调试

翻斗式流量计安装方便，可直接用电缆和测控装置接入各类大坝安全监测系统内，如图2所示。

图2 翻斗式流量计接线示意图Fig.2 Wiring diagram of tipping bucket flowmeter

3.2.1 仪器安装

仪器的安装底板上有安装孔用于安装固定，安装不需要特别的支墩，可直接装在水泥地面上。安装时用水平尺架在仪器上表面，并调整仪器上的4个水平调整螺栓使其水平，然后固定，同时仪器出水口朝向排水沟。

3.2.2 电缆安装

仪器采用专用电缆，分别为2芯屏蔽信号电缆和2 芯电源电缆。在现场安装前，应采用100 V 兆欧表测试电缆每根芯线与屏蔽层的绝缘电阻值并记录，要求电阻值大于20 MΩ。电缆两端分别接流量计和测控装置。

3.2.3 引水装置安装

依据现场具体情况将水流用进水管接入仪器（仪器罩上有专为水流接入而预留的椭圆形进水孔），进水管的末段应垂直向下，且不应伸入仪器内部，并与仪器罩保留1～2 cm的间隙，如图3所示。

图3 引水装置安装示意图Fig.3 Installation diagram of water diversion device

3.2.4 仪器调试

仪器安装完毕后，用自动化系统测量并读取翻斗从接水到翻转的时间差t，因翻斗容积V0是固定的，测点自动化测值Qz=V0/t。同时可用量筒和秒表，测得人工测值Qr，进行人工比测。

3.3 运行情况

根据《大坝安全监测自动化技术规范》和《大坝安全监测自动化系统实用化要求及验收规程》，于2019年对纪村流量计系统进行了为期1年的试运行，对数据缺失率FR、平均无故障时间MTBF、人工与自动化数据比测误差、短期测值稳定性进行了统计考核。

（1）数据缺失率FR：28个测点每日8时采集1个自动化数据，应测总数为10 220个，实测总数统计为10 218个，缺失率FR为0.02%，小于规范要求的3%。

（2）平均无故障时间MTBF：28 个测点1年共发生4次测点短时间故障，均于当日处理完成，MTBF为8 760 h，大于规范要求的6 300 h。

（3）人工与自动化数据比测误差：每周比测1次，按2δ限差控制，比测总数为1 456次，统计超限次数共35次，超限率2.4%，规范中对超限率没有具体指标。从各点测值对比过程线可以看出，人工和自动化数据符合程度较高，不同量程流量计比测过程线见图4。

图4 流量计人工和自动化数据比测过程线Fig.4 Graphs of data monitored by man and by automatic flowmeter

（4）短期测值稳定性：对28个测点短时间内连续测读15次，计算每个测点的算术平均值及中误差，中误差最大的测点为0.09%F.S，均不超过0.5%F.S。

通过1年试运行，翻斗式流量计达到了验收要求，系统于2020年通过了实用化验收。

3.4 存在问题

3.4.1 故障情况

纪村大坝中应用的翻斗式流量计大部分处于潮湿环境，且部分测孔钙质等析出物较多，运行中发生的几次故障主要为推动翻斗的电磁铁卡阻，不能正常工作所致。现场检查发现推杆阀芯生锈，且有析出物溅入，而渗流水质清澈的测点，仪器基本未出现过故障。

后期经厂家改进，更换了流量计电磁铁，用不锈钢阀芯代替了铁芯，同时在日常运行维护时增加清洗电磁铁的内容，故障有所减少。

3.4.2 数据误差

2019年纪村流量计人工与自动化数据比测误差率为2.9%。经现场调查和研究，自动化数据误差的主要来源有两个：一是部分测点水质碱性较重且析出物较多，翻斗内沉积钙质和析出物较多，导致斗室容积改变，从而使测量数据偏大。二是渗流量变幅较大的测点，水流冲击翻斗的力量与流量成正比：渗流量大时，翻斗与平衡杆的平衡更容易被打破，导致测量时翻斗内实际水量偏小，计算得到的渗流量偏大；渗流量变小时，测量时翻斗内实际水量相对偏大，计算得到的流量偏小，而这种关系在流量超过一定范围时就会导致人工和自动化数据差值超限。统计得纪村大坝流量计比测超限的测点绝大部分集中在1 000～3 000 L翻斗型号（见表2），因为这些测点流量变幅达0.2 L/s以上。通过在采集软件中加入斗室容积分级控制，按仪器测量得到的翻斗时间t将斗室容积V分为若干级（如5＜t≤ 10 s 设置V=1 000 L，11＜t≤ 20 s 设置V=1 200 L等），达到流量变化时，自动选取不同容积计算实测渗流量的目的。

表2 纪村渗流量监测点人工及自动化数据比测分析表Table 2 Comparative analysis of manual data and automatic data measured at seepage flow monitoring points

通过不断改进和维护，翻斗式流量计的比测误差率控制在1%以内，考虑到人工测读也存在误差，故认定流量计的数据准确性满足要求。

4 结语

翻斗式流量计在纪村大坝渗流监测中的应用解决了小渗流量自动化监测的问题，在仪器选择和使用上需注意以下几点：

（1）翻斗式流量计适用于0.000 2～1 L/s 流量测量，根据测点最大值选定适合的量程型号。

（2）日常运行时，应根据情况对流量计翻斗和电磁铁进行定期清洗维护，保证斗室容积稳定。

（3）对于流量不稳定和变化大的测点，应在采集计算软件中加入斗室容量分级修正功能。