大壩內(nèi)部觀測水管式沉降儀故障分析及處理

史訓(xùn)邦

（余姚市梁輝水庫管理局，浙江 寧波 315403）

1 工程概況

梁輝水庫位于浙江省余姚市梨洲街道境內(nèi)，距余姚市中心約6km。主流梁輝大溪屬甬江流域姚江水系，是一座以防洪、供水為主，結(jié)合發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。

樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、泄洪洞、輸水洞和電站組成。攔河大壩壩型為鋼筋混凝土面板堆石壩，是我國最早建成的直接建造在深厚覆蓋層上的現(xiàn)代混凝土面板堆石壩之一。水庫集水面積35.06km2，總庫容3.15×107m3，壩高35.40m，壩頂寬7.00m，上游鋼筋混凝土面板厚0.35m，下游干砌塊石護(hù)坡，上、下游壩坡均為1∶1.4。工程于1993年9月開工，l997年4月下閘蓄水，1998年10月竣工，1999年6月通過竣工驗(yàn)收，工程質(zhì)量評定為優(yōu)良。

梁輝水庫混凝土面板堆石壩的原型觀測主要包括變形觀測和滲流觀測。其中，變形觀測壩體內(nèi)部豎向位移共計8個測點(diǎn)，布置在0＋159m斷面分3層埋設(shè)，高程13.0m布設(shè)SG1、SG2二個測點(diǎn)，高程26.0m布設(shè)SG3、SG4、SG5、SG6四個測點(diǎn)，高程36.0m布設(shè)SG7、SG8二個測點(diǎn)，每層測點(diǎn)對應(yīng)觀測房高程為12.0，25.3，35.6m （見圖1）。

圖1 測點(diǎn)布置剖面圖

2 水管式沉降儀的結(jié)構(gòu)和工作原理

水管式沉降儀主要由沉降測頭、排水管、通氣管、連通管、供液系統(tǒng)、測量管等組成，沉降測頭和連通管路埋在壩體內(nèi)部，供液系統(tǒng)、測量管、通氣口、排水口安裝在壩體外部的觀察房內(nèi)，結(jié)構(gòu)見圖2。

水管式沉降儀的工作原理是連通器的原理，在相同的大氣壓力下，管兩端液面在同一水平面上，知道一端液面的高程便可確定另一端液面的高程?？梢杂嬎愠霾煌瑫r段壩內(nèi)某點(diǎn)的高程差，從而確定壩體內(nèi)部某點(diǎn)在不同時段的沉降量。

沉降測頭內(nèi)部空腔通過通氣管與大氣相通，使進(jìn)水豎管杯口與測量管液面為同一個大氣壓力，連通管兩端口（沉降測頭進(jìn)水豎管杯口與測量管液面）保持在同一水平面上，當(dāng)觀察房內(nèi)讀取測量管液面高程時，便可知沉降測點(diǎn)的液面高程。其計算公式為：

S＝Si－S0＋△S

式中：S為各測點(diǎn)累計沉降量，mm；S0為首次觀測時的讀數(shù) （初始值），mm；Si為第i次觀察時的讀數(shù)，mm；△S為觀察室基礎(chǔ)地平沉降量，mm。

圖2 水管式沉降儀結(jié)構(gòu)示意圖

3 故障及成因分析

隨著壩體的沉降變形，沉降測頭和連通管路也發(fā)生相應(yīng)的沉降。連通管路長從幾十米到幾百米不一，當(dāng)壩體發(fā)生不均勻沉降時，連通管路可能發(fā)生彎曲、折斷、接頭脫落等故障。供液系統(tǒng)內(nèi)的水也可能發(fā)生變質(zhì)、沉淀引起管路堵塞而破壞儀器的正常工作。產(chǎn)生故障的原因可能有：

3.1 連通管系統(tǒng)故障

連通管系統(tǒng)由沉降測頭進(jìn)水豎管、連通管和測量管組成。連通管在正常情況下兩端分別與沉降測頭進(jìn)水豎管和測量管緊密連接，應(yīng)無滲漏，管內(nèi)充滿無氣泡純水。當(dāng)連通管滲漏或接頭脫落時，系統(tǒng)內(nèi)存不住水，測量管將無法獲得穩(wěn)定的液面；當(dāng)管內(nèi)有氣泡時，測量結(jié)果將產(chǎn)生誤差。當(dāng)連通管堵塞時，其兩端液面不能保持在同一水平面，測量無意義。

3.2 通氣管故障

通氣管在正常情況下應(yīng)為無水或其它雜物阻塞的暢通空管，是沉降測頭內(nèi)腔體與大氣的通路，若該管阻塞或脫落，沉降測頭內(nèi)腔不能與大氣相通，連通管兩端不在相同的大氣壓力下，兩端液面不在同一水平面，測量無意義。

如果通氣管嚴(yán)重堵塞，沉降測頭內(nèi)部空腔不再與大氣相通，形成一密閉空間，其壓力不再是大氣壓力。由于排水口低于沉降測頭，在排水管內(nèi)之水重力作用下，沉降測頭內(nèi)部形成局部真空。其真空度大小取決于排水口與沉降測頭的高差大小。在該真空力的作用下，測量管、連通管的水被吸入沉降測頭，從排水管排出，此時不管從測量管加入多少水，最終都會從處于低處的排水口排出，直至測量管液面降至與排水口同一高程時達(dá)到平衡。此時測量管液面已降至讀數(shù)范圍之下，看不到自由液面，儀器無法工作。

3.3 排水管故障

排水管為沉降測頭的排水通道，不能有堵塞或脫落現(xiàn)象。若該管阻塞或脫落，沉降測頭內(nèi)的水不能及時排出，儀器不能正常工作，即使測量管形成穩(wěn)定液面，該數(shù)據(jù)也不能采信 （按操作規(guī)程每次測量時，給測量管加一定量的水，待排水管出水且測量管液面穩(wěn)定后才能讀數(shù)）。如果排水管堵塞，測量管繼續(xù)加水，使沉降測頭內(nèi)水面不斷上升，直至通氣豎管杯口，最后沉降測頭內(nèi)高于通氣豎管的水經(jīng)過通氣管排出，沉降測頭上部空腔不再與大氣相通，其液面不再是自由液面。此時測量管、連通管、沉降測頭、通氣管等整個系統(tǒng)相當(dāng)于中段留有氣泡的一整根水管，不管從高端的測量管加入多少水，最終都會從低處的通氣口排出 （其結(jié)果與通氣管堵塞類似），直至測量管液面降至與通氣口同一高程時達(dá)到平衡。測量管液面降至讀數(shù)范圍以下，看不到自由液，儀器同樣無法工作。與通氣管嚴(yán)重堵塞的區(qū)別在于通氣管嚴(yán)重堵塞時水從排水管排出，排水管堵塞時水從通氣管排出。

3.4 儀器本身缺限

水管式沉降儀常見儀器本身的缺限—沉降測頭豎管卷縫開裂滲漏。在儀器管路暢通，排水順利，管路無異常的情況下，測值異常，液面穩(wěn)定時間延長，沉降突然變大，與附近正常儀器測試結(jié)果相背離等，很可能是該故障造成的。但是隨著時間的推移，豎管卷縫表面氧化，水中雜質(zhì)或膠體離析附著于卷縫中，使卷縫慢慢堵塞，有可能又恢復(fù)到豎管卷縫開裂滲漏前狀態(tài)。該故障在實(shí)際運(yùn)行中較常見。

4 故障分析及處理辦法

4.1 故障分析

2013年10月7日受 “菲特”臺風(fēng)影響，梁輝水庫位于12.0m高程的觀察房被淹，10月13日抽干觀察房積水，水管式沉降儀SG1、SG2液面降至測量管底部以下，無法讀取數(shù)據(jù)。而且不管從測量管內(nèi)加入多少水，最終都從排水管排出。

根據(jù)本文第3節(jié) “故障及成因分析”結(jié)合本案例 “液面降至測量管底部以下”， “不管從測量管內(nèi)加入多少水，最終都從排水管排出”的實(shí)際，得出本案例故障點(diǎn)為 “通氣管嚴(yán)重堵塞”。

找到故障點(diǎn)后，為了確定故障排除辦法，必須進(jìn)一步分析造成該故障的原因，如堵塞原因、堵塞物屬性、堵塞部位等。

此次故障在觀察房被淹后發(fā)生，觀察房被淹前儀器工作正常。根據(jù)這次被水淹而發(fā)生故障的實(shí)際，故障原因分析如下：

由于觀察房淹沒高程大于SG1、SG2埋設(shè)高程，在觀察房水淹過程中，水從排水管倒灌至沉降測頭直至通氣豎管杯口，淹沒水位繼續(xù)上升，沉降測頭內(nèi)部水通過通氣豎管、通氣管、再從通氣口排出，原本暢通的通氣管被水充滿。觀測房積水排除后，在通氣管和排水管內(nèi)水重力的共同作用下，沉降測頭內(nèi)部空腔形成真空。測量管內(nèi)水被吸入沉降測頭，再經(jīng)排水管排出，直至測量管液面降至與排水口同一高程時達(dá)到平衡，造成液面降至測量管底部以下，無法讀取數(shù)據(jù)。而且不管從測量管內(nèi)加入多少水，最終都從排水管排出的現(xiàn)象。此時原本因該無水或其它雜物阻塞的暢通空管的通氣管被水阻塞，沉降測頭內(nèi)部空腔與測量管液面不在同一個大氣壓力下而發(fā)生故障。

根據(jù)上述分析，故障處理的目的是清除通氣管和沉降測頭內(nèi)積水，保證通氣管通暢，使連通管兩端處在相同的大氣壓力下，沉降測頭內(nèi)進(jìn)水豎管杯口建立自由液面。

4.2 處理方法

根據(jù)分析，通氣管阻塞物為水，只要沒法在通氣管一端作用一個力，使通氣管內(nèi)水排出，保證通氣管暢通即可。在通氣口接上打氣筒，用人工向通氣管緩慢打氣 （防止打爆管路），保持排水口有緩慢水流排出，直到積水排盡排出空氣，再快速打氣，排除通氣管積水，保證通氣管暢通，同時排除沉降測頭內(nèi)部積水。順便拆下連通管與測量管接頭，堵住排水口，繼續(xù)打氣，排除連通管積水及雜質(zhì)，疏通連通管。至此3條管子全部疏通。拆除打氣筒、排水管堵頭，恢復(fù)連通管與測量管連接。

經(jīng)過上述處理后，給SG1、SG2的測量管緩慢注水測試，經(jīng)過約2h后SG1、SG2先后建立穩(wěn)定液面，讀數(shù)與水淹前基本相符，故障消除。

5 結(jié) 語

本文分析了水管式沉降儀的結(jié)構(gòu)和工作原理，在實(shí)際工作中得到應(yīng)用，取得了滿意的結(jié)果，為大壩安全運(yùn)行提供了保障，可供其他土石壩內(nèi)部水管式沉降儀運(yùn)行管理參考。