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王屋水库大坝的渗流监测和仪器选型 |
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关键词：渗流监测；测压管；仪器选型；王屋水库大坝
摘 要：详细叙述了王屋水库渗压监测方法的选择和仪器选型理由，可为类似工程进行坝体渗流监测及实现自动 化参考。
王屋水库位于山东省龙口市，库容1．212亿m3。大坝为粘土心墙砂壳坝，其中砂壳土质杂，未经碾压，处于松散状态。最大坝高28．3 m，坝顶长761 m，属大（2）型工程。
由于大坝安全存在多处隐患，1995年被定为全国第二批险库，为此工程从1998年开始进行了大规模的除险加固。为检验施工效果，监控大坝安全运行，更好地发挥工程效益，大坝安全监测就显得非常重要。
根据“土石坝安全监测技术规范”（SL60－94）的规定，渗流监测为王屋水库大坝必选监测项目。由于大坝下游的结构等原因，下游未发现渗漏水，因此该坝下游没有设置渗流量监测项目，为此坝体渗流（浸润线）监测就更为重要了。
1 监测方法的选择
王屋水库大坝渗流监测将首先实现渗压（浸润线）监测自动化，但浸润线监测有测压管法和埋设渗压计法2种方法，究竟选用何种方法要根据具体情况确定。
1．1 测压管法及埋设渗压计法比较
1．1．1 用 途
测压管可用来监测坝体浸润线、渗压压力、地下水位及绕坝渗流等。
埋设渗压计除可以监测上述项目外，还可用来监测土石坝的孔隙水压力。
1．1．2 应用时应注意的问题
测压管的应用要求不能构成新的渗流通道，更不能对坝体造成破坏，因此在土石坝的防渗体交界面等处不宜使用。而采用埋设渗压计的方法使用场合却较为广泛，但电缆敷设时也要避免构成渗流通道，并且要考虑到电缆热胀冷缩所产生的影响［1］。
1．1．3 施工安装
根据施工和应用经验，测压管施工可以在工程实施和运行过程的任意时候进行，而埋设渗压计一般在施工过程中
（针对不能设置测压管的地方）进行，当然在工程竣工后，能采用测压管的地方也均可采用埋设渗压计法进行渗压监测。但两者施工时都要求钻孔时不造成坝体结构的破坏和构成新的渗流通。
测压管和埋设渗压计的方法都可以在一条铅直线上设置多个测点，但两者施工要求都较高。
1．1．4 测值精确度
采用常用监测手段对测压管水位本身进行监测可达较高精度，如采用测深钟等设备进行测量，精度可达0．5～1 cm。但是由于测压管是将测点的压力反应成一定体积的水头，因此测压管本身测值与真实测值存在误差与滞后。从时间上来讲，需要管内水位累积到一定的高程或消散到一定的高程，从而受到“水流速”的影响。在渗透系数大，作用水头、变幅及变化速度均较小的地方应用尚可，而在渗透系数小、作用水头大的地方，滞后时间会很长，在库水位变化快时，资料分析更加困难。因此规范规定：“作用水头大于20 m的坝，渗透系数小于10－4 cm／s的土中，观测不稳定渗流过程以及不适宜埋设测压管的部位如铺盖或斜墙底部、接触面等，宜采用振弦式孔隙水压力计。”为减少体积的影响，测压管有向细管方面发展的趋势，规范规定“测压管宜采用镀锌钢管或硬塑料管，一般内径不宜大于50 mm，而近年在浙江和湖南的一些土坝采用了15 mm的聚氯乙烯塑料管，海南的松涛土坝采用15 mm的镀锌钢管”［3］。从空间上讲，测压管监测的是进水管段的“平均”值，因此为减少误差，进水管段不宜太长，规范规定“测压管的透水段一般长1～2 m，当用于点压力观测时应小于0．5 m”。
测压管必须注意施工质量、管口保护和运行维护，以防降雨、地面径流对管内水位的影响。另外就是测压管容易受泥沙沉积及进水孔堵死的影响，因此规范规定不留沉淀管，以避免因土体中实际水位低于测压管管底高程时沉淀管存在“死水”而造成观测水位偏高的假象。在百丈漈、昆都仑等每年校测一次”。
1．1．5 运行和维护
测压管使用要注意管口保护，如鲁布革大坝绕坝渗流监测的许多测压管就因放牛娃在管内投入石块而不能使用。因此使用一定时间后一定要对灵敏度进行检验，如发现有泥砂沉淀必须进行扫孔。埋设渗压计法则无上述问题，采用埋设渗压计的方法进行渗压监测，其测值精确度与仪器（传感器）及监测仪表（系统）有关，如监测仪器质量有保证，其维护工作量小，但如监测仪器报废，该测点不能恢复，所以也要定期对监测资料进行分析和对仪器进行鉴定，以考核仪器及测量系统（设备）的可靠性。
1．1．6 测量自动化
测压管在实现自动化时有如下特点：可以进行人工比测，从而校核自动化测值的可靠性。仪器运行一段时间后，可以对仪器进行重新率定，以了解仪器参数的变化和仪器性能，同时可以检校测值的稳定性，当测量仪器损坏时可以更换。而采用埋设渗压计的方法不能进行人工比测，监测仪器损坏后不方便进行更换。如鲁布革大坝、松子坑大坝埋设了大量渗压计，都因仪器质量和施工质量得不到保证不得不进行更新改造。如鲁布革重新补充了12支测压管，而松子坑大坝由于原埋设仪器全都不能应用，不得不重新进行监测设计。
1．1．7 测压管法与埋设渗压计法的优缺点
测压管法由于监测的是“体积”量，因此当坝体内出现裂缝从而形成集中渗漏时，其反应非常敏感，同时由于测压管里的水质反映了坝（岩）体化学性质的变化。因此可以利用测压管进行水质监测，同时由于温度监测在渗流监测资料分析中的作用越来越明显［3］，而测压管结构容易实现管内水温测量。当然测压管在测值精确度及运行维护过程中也有上文所述的不足之处。
埋没渗压计维护工作量较小，但仪器不能更换，不能进行人工比测，测值可靠性难以校核。
1．1．8 实施渗压监测时应注意的问题
（1）无论是采用测压管法或是埋设渗压计法进行渗压监测时均应目的明确，形成观测断面，测点应具体到坝体、坝基、绕坝或断层的具体测点、具体物理量，测点布置时应根据规范、经验结合具体工程进行确定。
（2）两种渗压监测方法对施工要求都很高，一定要确保施工质量。对于采用埋设渗压计法，一定要确保仪器和电缆质量，选型前一定要仔细研究仪器的长期稳定性、精确度和在其它工程应用情况，安装前要对所有仪器进行率定和电缆测试，安装时要注意仪器和电缆保护；而对于测压管法，使用时一定要定期进行灵敏度检验和进水管及管口高程复核。
（3）由于温度监测资料在渗流分析中的重要作用越来越明显，在仪器选型和测量方法上必须注意。
1．1．9 工程应用情况
在新工程的监测设计中或老坝的监测系统更新改造中两种监测方法均有采用，如新工程飞来峡大坝由珠委设计，老工程如察尔森水库大坝由东勘院设计均采用了测压管法
进行渗压监测；同样采用埋设渗压计监测渗压的大坝也很多，如由南京水科院设计的老坝监测系统更新改造中的“七一水库”大坝。
1．2 监测方法的确定
根据上述分析结合王屋大坝的具体情况（坝体渗透系数较大、水位变幅小、需要人工比测等）选择测压管进行渗压监测。
2 监测仪器的选型
2．1测压管自动监测仪器类型、特点和应用情况
目前实现测压管水位监测自动化的仪器较多，具体有差阻式、压阻式、电感式、电容式、振弦式等，下面分别进行说明。
（1）差动电阻式孔隙压力计
稳定性较好，但灵敏度很低，不满足低水位扬压力监测要求，过去曾有一些混凝土坝采用这种仪器作防渗帷幕前的扬压力监测之用，取得一定成果，但对于象王屋这样一座土坝，由于坝高较小，差阻式孔隙压力计根本不能使用。
（2）压阻式高精度扬压力计
压阻式高精度扬压力计是一种灵敏度很高的传感器，但稳定性较难保证，同时安装损坏率高，曾用于艹侵窝大坝，因监测效果不好而拆除。
（3）电感式高精度扬压力计
测量精度较压阻式传感器低，但优于差动电阻式渗压计，在以礼河、梅山、凤滩等处使用效果均不好，表现为测值不稳定、损坏率高。
（4）电容式渗压计
电容式渗压计（也称电容触点式水位计），不能用于埋设在土坝内部。它是根据在测压管中均匀布置一些水位敏感器件（包括电容极板），当水位达到某一高程时，即构成一个回路进行水位测量。该类型仪器在北方应用较多，但效果不是太好，如在内蒙的察尔森、厦门的北溪等工程中使用不到2年，即行报废。
（5）振弦式仪器
振弦式仪器是利用水压导致仪器内钢弦应变变化，从而导致其固有频率变化的原理进行测量的。由于振弦式仪器在国内外使用较多、时间较长、产品较为成熟，而且振弦式仪器由于传输的是频率信号抗干频能力强、性能稳定，因此得到广泛的应用。
2．2 仪器选型的依据
对于大坝安全监测，由于大坝是永久建筑物，大坝安全的重要性，大坝安全监测仪器工作环境的恶劣性等原因，要求大坝安全监测仪器必须具有如下特征：
（1）精确性
监测数据是为了分析大坝性态，评估大坝安全，如果仪器的精确度达不到要求，大坝性态的变化（表现为测值变幅）就会掩盖在测量误差之中。
（2）长期稳定性
由于大坝是百年大计，不是临时建筑物，因此要准确掌 握大坝性态，监测仪器的长期稳定性必须得到保证。
（3）环境适应性
由于水工环境的恶劣性（包括温度、电磁环境恶劣、氧化、锈蚀、沉淀物、微生物等因素的存在）又加重了对仪器长期稳定性的考验，因此对于大坝安全监测仪器而言，其稳定性非常重要。
（4）兼容性
当有实现自动化要求时，必须考虑到大坝安全监测仪器的兼容性，信号采集、处理、传输等有关问题。
（5）经济性
除了技术指标外，经济指标也是一个很重要的因素，简而言之，经济指标就是仪器的价格（到达安装现场的价格）。
（6）实用性
实用性包括工程使用情况和技术支持。
工程使用情况是上述技术经济指标的综合说明，也只有经过现场运行考核并得到用户认可的仪器才是好的仪器。
技术支持是指仪器生产厂家是否具有一定的经济、技术、管理、人才实力，以确保仪器具有足够的技术支撑，具体包括：仪器的更换、修复或备品备件，回答有关仪器的技术（包括接口）问题等。
2．3 监测仪器选型
通过上文分析和各类仪器的性能价格比分析，最终选定振弦式仪器作为实现王屋大坝测压管自动监测的仪器。
振弦式仪器国外以Geokon公司生产的4500S系列传感器和国内南京水科院生产的PW－1型Ф32温度补偿型振弦式孔隙水压力计性能及使用效果较好，但国外仪器的价格是国内仪器3～4倍，根据水库具体经济条件，选择Ф32温度补偿型振弦式孔隙水压力计作为实现王屋水库大坝测压管监测自动化的仪器。它具有灵敏度高、能进行温度修正、精度较高、适用范围广等特点。
3 结 语
经过上述分析，选择了12只Ф32型渗压计用于实现王屋水库大坝监测自动化。所有仪器经过检验、率定后已于1999年10月在现场安装完成投入运行，经过一年多的人工比测和观测资料分析，2000年底由王屋水库管理局组织山东大学等单位的专家对系统进行了鉴定，鉴定意见认为，该系统总体达到“国内领先水平”，同年，该系统获山东省水利厅科技进步奖，证明所作的选择是正确的。
参考文献
［1］ SL60－94，土石坝安全监测技术规范［S］．
［2］ 赵志仁．大坝安全监测的原理与应用［M］．天津：天津科学技术出版社，1992．
［3］ 王致远，等．一项渗流监测新技术——排水孔测温法［J］．大坝观测与土工测试，1994，（4）：5．() |
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