振弦式滲壓計在堆石壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

戰(zhàn)曉林　王俊超

摘 要：振弦式滲壓計因具有長期穩(wěn)定性、高信噪比、信號輸出強(qiáng)、抗干擾等優(yōu)點在國內(nèi)外大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，文章以博茨瓦納Lotsane大壩為例介紹振弦式滲壓計的布設(shè)、率定以及安裝過程，并且就初期觀測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，旨在為類似工程提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：滲壓計；儀器布設(shè)；數(shù)據(jù)整理

中圖分類號：TV698.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）21-0115-03

Abstract： Vibrating string osmometer has been widely used in dam seepage monitoring system at home and abroad because of its advantages of long-term stability， high signal-to-noise ratio， strong signal output， anti-interference and so on. Taking the Lotsane Dam in Botswana as an example， this paper introduces the arrangement， setting and installation process of vibrating string osmotic pressure gauge， and collates the data of the initial observation results in order to provide some reference for similar projects.

Keywords： Piezometer； instrument layout； data reduction

引言

統(tǒng)計資料表明，國內(nèi)外土石壩、堆石壩垮壩事故多數(shù)是由滲流破壞引起的，因此對大壩滲流進(jìn)行監(jiān)測并通過數(shù)據(jù)分析掌握大壩的安全運(yùn)行狀況越來越引起人們的重視。目前大壩滲流監(jiān)測方法主要有兩種：一種是測壓管法，另一種是滲壓計法，其中測壓管法主要適用于人工觀測，精度偏低，在高水頭、滲透系數(shù)較小的情況下存在一定的測值滯后[1]；滲壓計法因其測量精度高、適應(yīng)自動化監(jiān)測系統(tǒng)等優(yōu)點被廣泛采用。

振弦式滲壓計主要由振弦、高靈敏金屬膜片、透水石以及激勵與接收線圈等部件構(gòu)成，其工作原理：水壓力作用在薄膜片上并使之產(chǎn)生變形，連接在上面繃緊鋼弦的張力也隨之發(fā)生變化，而鋼弦的振動頻率和張力有關(guān)，可表示為：

式中？滓為鋼弦所受的張力，因此儀器受到的滲透壓力可以通過測量鋼弦的頻率得到。

1 滲壓計布設(shè)

Lotsane大壩位于博茨瓦納東部，為黏土心墻堆石壩，大壩高30m，長1.4km，滲流監(jiān)測設(shè)備采用基康公司生產(chǎn)的GK4500S型可拆卸過濾器振弦式滲壓計，最大量程700kPa，共埋設(shè)36只，分別布置在CH.1250、CH.1550、CH1900以及CH.2040四個橫斷面上；終端箱共五個，典型布置如圖1所示。為適應(yīng)各種復(fù)雜工況所有儀器均通過特制的鎧裝電纜連接至對應(yīng)的終端箱。

2 滲壓計的率定及安裝

2.1 滲壓計的率定

每只滲壓計在出廠時均已經(jīng)做好率定并提供相關(guān)率定數(shù)據(jù)和零讀數(shù)，這些數(shù)據(jù)以及零讀數(shù)都是在特定溫度和大氣壓力下獲得的，由于儀器運(yùn)抵現(xiàn)場時的環(huán)境發(fā)生變化，因此需要對每一只儀器的零讀數(shù)重新進(jìn)行校正，使現(xiàn)場修正后的零讀數(shù)與出廠讀數(shù)基本一致，相差不超過±20。

零讀數(shù)的創(chuàng)建需要注意以下幾個問題：（1）為避免溫度驟升驟降對測量結(jié)果的影響，在讀數(shù)前需經(jīng)過20分鐘左右使?jié)B壓計達(dá)到熱平衡。（2）透水石必須充分飽和，如果有氣泡存在，則在表面張力的作用下影響微孔的透水性，造成讀數(shù)不準(zhǔn)確。（3）如果線纜較長或者測井孔直徑較小時，液面易受影響而發(fā)生變化，因此要保證液面平衡之后再進(jìn)行讀數(shù)。（4）確保準(zhǔn)確記錄下讀數(shù)時的溫度以及大氣壓力，這些數(shù)據(jù)對于后續(xù)的率定工作是必不可少的。

儀器的率定主要按以下幾個步驟進(jìn)行：（1）提前幾天用水浸泡滲壓計，使透水石與金屬膜片之間的空間充滿水且透水石完全飽和。（2）測得儀器率定時所設(shè)定高程并算出大氣壓。（3）儀器熱平衡后采用便攜式讀數(shù)儀讀取該深度下的讀數(shù)。（4）改變儀器在水下的深度重復(fù)進(jìn)行測量，每個水深讀數(shù)兩次取平均值，作溫度修正以及大氣壓力修正并算出線性壓力，公式如下：

2.2 滲壓計的安裝

滲壓計的安裝方法按照儀器埋設(shè)位置的不同大致可以分成三類：（1）在測井或測壓管的安裝；（2）在鉆孔中的安裝；（3）在填土或壩體的安裝。本文以鉆孔安裝為例簡要介紹安裝過程，步驟如下：（1）按照設(shè)計要求鉆孔到指定深度，孔深應(yīng)比儀器底部安裝高程低50mm左右，清洗孔內(nèi)確保無巖屑泥漿，并且隨著時間的增長不會有回料落入孔中。（2）確保滲壓計在現(xiàn)場達(dá)到溫度平衡并完全被水飽和，通過讀數(shù)儀讀取大氣壓下的零壓讀數(shù)并記錄下此時的溫度。（3）將潔凈的中粗砂倒入孔底，通過水位尺的測量確保砂面比儀器底部高程低15cm左右。（4）用水位尺測得孔內(nèi)水位，將電纜做好標(biāo)記并與滲壓計連接，為了更好的保護(hù)和獲得準(zhǔn)確的測量值需將滲壓計置于裝滿潔凈砂的土工布袋子中間，扎好袋口下放至孔內(nèi)設(shè)計高程，然后再向孔內(nèi)放入砂子直至設(shè)計的高程，需要注意的是：如果單孔內(nèi)安裝單只滲壓計，那么儀器上部填砂高度在1.0m左右即可；如果單孔內(nèi)安裝有多只滲壓計則必須要謹(jǐn)慎，填砂高度不能超過第二只滲壓計的安裝高程，否則會因砂子無法從深孔中取出而必須重新鉆孔安裝[2]。（5）將膨潤土加少量水做成直徑15mm左右小球并投入孔內(nèi)，用搗棒輕輕搗實至設(shè)計高程。（6）封孔采用水灰比為1：2的水泥漿回填至孔口，如果孔內(nèi)有水則適當(dāng)減小水灰比，搓球投入再搗實效果會更好。

3 數(shù)據(jù)處理

實踐表明，各種類型的大壩滲流均有規(guī)律可循，如果將滲流控制在一定范圍內(nèi)就不會對大壩的安全產(chǎn)生影響，因此需要對滲流資料進(jìn)行整理和分析并作出預(yù)測，判斷大壩在滲流作用下是否安全，并據(jù)此提出相關(guān)的工程保護(hù)措施以及除險加固方案。

數(shù)據(jù)采集使用GK-403型便攜式讀數(shù)儀，壓力計算需進(jìn)行溫度和氣壓修正，方法與率定部分相同。測次要求：在安裝之后第一個月內(nèi)每天監(jiān)測一次；后面每兩天監(jiān)測一次。監(jiān)測結(jié)果以Ch1250斷面基礎(chǔ)部分四只滲壓計為例，詳見圖2。

圖表上半部分表示的是滲壓計測值過程線，下半部分表示的是降雨過程線。埋設(shè)在淺層的滲壓計FP-17、在前幾個月測值有波動，其原因很可能是由于側(cè)孔內(nèi)膨潤土遇水膨脹、封孔灌漿以及附近帷幕灌漿等因素綜合作用的結(jié)果，后期相關(guān)作用減弱，曲線趨于穩(wěn)定；埋設(shè)在深層的滲壓計FP-18受相關(guān)作用影響較小，測值平穩(wěn)；通過對比降雨量分配折線圖并結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)特性可以發(fā)現(xiàn)，在月份降雨量不大且較均勻的情況下，降雨量對地下水位影響不大。

4 結(jié)束語

所有儀器的率定、安裝和監(jiān)測都必須符合相關(guān)規(guī)范以及技術(shù)條款的要求，對于國際項目不能照搬中國的標(biāo)準(zhǔn)，但是可以借鑒，如Lotsane大壩監(jiān)測儀器的率定和監(jiān)測，要求必須符合ANSI Z540-1，N.I.S.T.標(biāo)準(zhǔn)。大壩滲流監(jiān)測是安全監(jiān)測工作中重要的一項，為了確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性必須重視規(guī)范的指導(dǎo)作用，同時參考類似工程的成功經(jīng)驗，掌握正確的安裝方法并能熟練操作。

隨著科技的發(fā)展以及自動化監(jiān)測系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，越來越多的新監(jiān)測方法被應(yīng)用到滲流監(jiān)測領(lǐng)域，如同位素探測法以及電磁探測法等，其中水科院的地球物理瞬變電磁法已經(jīng)成功用于幾個工程[3]；熱脈沖（HPM）滲流監(jiān)測技術(shù)認(rèn)為熱傳輸必然與滲透水流存在一定關(guān)系，因此可以通過特定熱源的溫度變化得到滲流的流速[4]；分布式光纖滲流監(jiān)測技術(shù)具有成本低、大量程等優(yōu)點，特別適合測量精度要求高、滲流量小的工程，有著廣闊的發(fā)展前景[5]。雖然許多新的監(jiān)測技術(shù)還處于試驗階段不能完全實現(xiàn)自動化，但是仍然為滲流監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展提出了新思路，具有一定的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]SL60-94.土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社.

[2]張曉廷，劉佳，趙景飛，等.大壩壩基中振弦式滲壓計安裝[J].水利水電施工，2011（6）：82-83.

[3]房純鋼，葛杯光，魯英，等.電磁探測法探測土壩滲漏[J].水利水電計算，1998（4）：25-28.

[4]李端有，熊健，等.土石壩滲流熱監(jiān)測技術(shù)研究[J].長江科學(xué)院院報，2005（6）：29-33.

[5]蔣力，周柏兵，徐國龍，等.基于分布式光纖技術(shù)的滲流監(jiān)測試驗探討[J].大壩與安全，2015（5）：32-42.

[6]唐宜盛，達(dá)娃，席隆海，等.西藏高寒高烈度地區(qū)超高心墻堆石壩安全監(jiān)測的思考[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（26）：25-27.

[7]湯榮，鄧建輝.淺析蓄水期大壩中滲壓計滲透壓力異常原因[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（30）：299-300.