趙利鋒，趙恩輝，蘇春榮，高彥國，焦秀蘭，朱愛民

（1.水利部海委引灤工程管理局，河北唐山，064300；2.唐山市水利規(guī)劃設計研究院，河北唐山，064300）

0 引言

大黑汀水庫位于河北省唐山市遷西縣境內(nèi)，主壩為低寬縫混凝土重力壩，最大壩高52.8 m，壩頂長1 354.5 m，共82個壩塊，自西向東布置有西頭重力壩、渠首電站、放水洞、西重力壩、河床電站、底孔、溢流壩和東重力壩。工程于1973年動工興建，1979年底下閘蓄水，1986年竣工投入使用，1999～2002年進行了除險加固，其中進行了觀測設施改造施工，對人工觀測項目和測點數(shù)量進行了完善，并布置了大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。

1 滲流監(jiān)測概述

大黑汀水庫基礎滲流量監(jiān)測分為單孔滲漏量、分區(qū)滲漏量，其中：單孔滲漏量用于測量單個基礎滲漏觀測孔的滲漏量；分區(qū)滲漏量用于測量一定壩段區(qū)域的滲漏量。具體布設情況如下。

1.1 單孔滲漏量

在基礎主廊道下游側及排水廊道內(nèi)布設有基礎滲漏量觀測孔，共計392個測點，采用人工容積法進行觀測，未納入大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。

1.2 分區(qū)滲漏量

在H、26號、41號、47號壩段基礎主廊道排水溝處、7～8號、20～21號寬縫口、護坦廊道28號壩段集水井旁，各設置有一個量水堰觀測點，分別為H壩段量水堰、7號壩段量水堰、21號壩段量水堰、26號壩段量水堰、28號壩段量水堰、41號壩段量水堰和47號壩段量水堰，采用的是三角堰。每月進行兩次人工觀測，自動化采用了7臺YL-100型電容式量水堰滲流量儀進行監(jiān)測。

2 量水堰人工觀測讀數(shù)儀研究設計

2.1 人工觀測現(xiàn)狀

大黑汀水庫主壩壩基分區(qū)滲流量通過量水堰監(jiān)測，人工觀測項目是通過讀取在量水堰處引水渠邊墻上安裝的堰上水位讀數(shù)標尺的刻度，根據(jù)三角堰公式進行內(nèi)業(yè)計算得到分區(qū)滲漏量。現(xiàn)在存在三方面的問題：（1）由于所有測點全部處在廊道側壁墻角處，水位標尺均處在底板地面以下，觀測人員必須趴在底板上向下讀取數(shù)據(jù)，不能平視，并且光線比較暗，觀測時通過手電照射讀取水位，標尺表面反光，水體為無色透明液體，因此極易引起視覺差，造成觀測誤差；（2）水體表面存在張力，在標尺處出現(xiàn)有弧度的凹液面，并且在手電的照射下讀數(shù)，讀數(shù)誤差較大，影響觀測數(shù)據(jù)；（3）標尺長期處在水中，壩體滲漏水含有大量析出物，附著在標尺表面，尤其是水位變動區(qū)更加明顯，造成刻度不清晰，引起讀數(shù)誤差。綜合以上內(nèi)容，現(xiàn)有人工觀測采用讀取量水堰處引水邊墻上安裝的標尺刻度極易造成觀測誤差，影響壩體滲流量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。

2.2 量水堰人工觀測改造方案的提出

針對人工觀測項目存在的問題，可知人工觀測項目改造應滿足以下要求：（1）改善標尺周圍光線環(huán)境并且保證觀測人員平視刻度讀取數(shù)據(jù)；（2）避免水體表面張力對讀取水位的影響；（3）盡量避免標尺長期處在水中運行。

為了達到上述要求，提出如下解決方案：

采用浮托原理設計制作量水堰人工觀測讀數(shù)儀，將原讀數(shù)位置及讀數(shù)方式進行改變。量水堰人工觀測讀數(shù)儀主要由四部分組成，分別為外套筒、浮子、標尺和浮子指針，安裝在量水堰引水渠內(nèi)。量水堰內(nèi)水位變動引起人工觀測讀數(shù)儀浮子上下自由移動，浮子指針跟隨浮子在標尺處上下移動，指示量水堰水位（見圖1）。

人工觀測讀數(shù)儀是通過浮托裝置指針指示標尺讀取刻度，水位變化引起浮子指針在標尺上的上下移動，因此能夠保證量水堰水位真實準確。標尺設置在外套筒頂部，超過廊道底板高程，觀測人員讀取指針指示的刻度，保證了觀測人員平視標尺刻度。通過水體浮力引起浮子變化監(jiān)測水位，標尺設置在水體外面，避免了水體表面張力引起水面凹陷的影響，避免了標尺長期處在水中運行，方案可行。

2.3 量水堰人工觀測讀數(shù)儀研究設計

進一步分析上述方案，發(fā)現(xiàn)必須解決兩大難題：（1）量水堰人工觀測讀數(shù)儀浮托裝置材料的選擇必須滿足浮子輕、有一定的強度、完全不溶于水、不容易破損引起浮子吃水位置的變化、浮子與外壁間隙盡量小、沒有摩擦、保證鉛直度、不容易腐蝕、易于加工；（2）量水堰中水深一般在12～20 cm之間，引水渠寬度為30 cm，因此浮子吃水深度必須小于12 cm。為了增大浮力，只能增加浮子截面面積，另外在引水渠中設置裝置，必會影響引水渠中水流形態(tài)變化，又必須減小浮子截面面積，因而存在矛盾。

針對上述（1）的要求，選取3種材料進行比選，分別是塑料、鋁合金和不銹鋼。

塑料材質(zhì)密度最小，浮子截面面積最小，對水流形態(tài)的影響也最小，但是塑料材質(zhì)各個零部件之間不容易連接，并且人工觀測讀數(shù)儀零部件是單獨設計，不是通用形狀，在市場上不好采購，鋁合金和不銹鋼可以采購型材，通過車床加工實現(xiàn)設計要求。

鋁合金材質(zhì)密度比不銹鋼密度小，浮子截面面積可以小一些，減小對水流形態(tài)的影響，但是壩體滲漏水呈堿性，對鋁制材料有極強的腐蝕性；不銹鋼材料在堿性水中比較穩(wěn)定，更不容易銹蝕，而且容易制作，實現(xiàn)特定形狀零部件。最終選定不銹鋼材料。

針對上述（2）的要求，進行截面設計，選用浮力公式和丁壩壅水高度計算公式進行計算。

浮力公式：

式中：ρ為水體密度；g為重力加速度；v排為物體在水中部分體積。

丁壩壅水高度計算公式：

式中：Q為通過丁壩口的流量，即通過丁壩縮窄斷面的流量；?為流速系數(shù)，與流向垂直的丁壩，?=0.75～0.85，與流向成銳角的丁壩，?=0.85～0.90，一般情況下，?=0.85；ε為側收縮系數(shù)，與丁壩縮窄斷面比有關，也與丁壩壩頭形狀有關，一般可取ε=0.8，縮窄顯著者，ε=0.7；Bˉ為壩孔口平均寬度，即丁壩縮窄斷面的平均寬度；h為孔口處的平均水深，可近似用下游水深替代；ν0為行進流速，其中可以忽略不計。

圖2 丁壩壅水高度示意圖Fig.2 Height of water gushing at the spur dike

采用式（2），選取最大流量量水堰Q=50 L/min，引水渠寬30 cm，水深12 cm，?=0.85，ε=0.7進行試算，

人工觀測讀數(shù)儀寬為10 cm：

人工觀測讀數(shù)儀寬為8 cm：

由此可見，在10 cm以下，上下游水位差小于0.1 mm，可以忽略不計。

采用式（1），選用圓筒形浮子，觀測裝置外徑最大8 cm，內(nèi)部浮子直徑7 cm，吃水深度在10 cm，浮力=3.847 N=0.384 7 kg。

綜合上述計算，人工觀測讀數(shù)儀設計如下：

整體浮子及配件總質(zhì)量為0.295 1 kg，小于0.387 4 kg，因此此方案可行。

圖3 量水堰人工觀測讀數(shù)儀Fig.3 The artificial reading instrument at the weir

3 方案實施和應用成效

依據(jù)上述研究設計結果，方案實施如下：（1）通過車床對所有零部件進行嚴格控制加工，完全保證了浮子、外部套筒和指針連桿的同心度；（2）安裝時采用水平尺和鉛垂線進行控制安裝，采用底部錨固，上部采用翼展固定，形成三角形固定，保證了浮托裝置的穩(wěn)定性；（3）進水口設計在垂直水流方向進水，避免了水流對浮子的沖擊效應，浮子在套筒中上下自由變動，靈敏度完全符合要求。

方案實施后取得的效果：（1）通過浮托裝置，量水堰人工觀測儀提高了觀測標尺高度，保證了觀測人員平視標尺刻度；（2）標尺設置在套筒上部，改善了觀測環(huán)境；（3）通過水體浮力引起浮子變化監(jiān)測水位，避免了水體表面存在張力的凹陷影響；（4）標尺設置在水體外面，避免了標尺長期處在水中運行。

4 結語

大黑汀水庫量水堰人工觀測讀數(shù)儀在分區(qū)滲流量監(jiān)測量水堰人工觀測項目中的應用，成功解決了原來量水堰人工觀測存在的問題，大大降低了人工觀測難度，提高了觀測精度，符合大壩安全監(jiān)測規(guī)范要求，提高了工程管理水平，經(jīng)驗可以應用到相似工程中。

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