振弦式滲壓計在巖溶地區(qū)水庫大壩滲流監(jiān)測中的應(yīng)用

趙 啟 強， 謝 攀， 曹 小 龍

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概述

北川縣開茂水庫的整個庫區(qū)均處于巖溶發(fā)育地區(qū)，庫區(qū)左岸山脊地質(zhì)條件尤為復(fù)雜且山體相對單薄，左岸壩肩至王家灣一帶巖溶十分發(fā)育，地下巖溶通道眾多且彼此相互交錯貫通，對現(xiàn)有資料分析得知，至少存在6個巖溶通道，巖溶規(guī)模較大，主要為管道型巖溶通道。

為了監(jiān)測水庫運行期間壩基與壩肩的滲流過程，在大壩壩基及壩肩共安裝了16支振弦式滲壓計。振弦式滲壓計在國內(nèi)外工程中均有廣泛的應(yīng)用，其實質(zhì)是一種非電量的電測量傳感器，較之于傳統(tǒng)的電容式傳感器具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、溫度漂移小、零點漂移小、精度高、反應(yīng)快等特點，能夠適應(yīng)長時間、遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)監(jiān)測，因此其在水利水電工程中具有獨特的優(yōu)勢。

2 工作原理

振弦式滲壓計主要由透水石、振弦感應(yīng)組件、溫度感應(yīng)組件、密封電纜以及傳感器外殼五部分組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。

振弦式滲壓計的工作原理：測點位置的滲水通過透水石過濾掉固體顆粒物后，其水壓力作用在振弦感應(yīng)組件前端的彈性膜片上，膜片受力發(fā)生形變產(chǎn)生微小位移，該位移使振弦的振動應(yīng)力產(chǎn)生變化，最終導(dǎo)致振弦的振動頻率發(fā)生改變。振弦式滲壓計振動頻率的平方與膜片上的水壓力成正比，即振動頻率的變化可以反映出測點位置滲透水壓力的變化；同時，通過溫度感應(yīng)組件可以同步測出水溫的變化，最后通過電纜將收集到的頻率信號與溫度信號傳輸?shù)阶x數(shù)裝置，按照設(shè)定的時間間隔進(jìn)行讀數(shù)，從而實現(xiàn)對測點位置滲水壓力和水溫變化的實時監(jiān)測。

圖1 振弦式滲壓計結(jié)構(gòu)圖

3 滲壓計的檢驗與率定

振弦式滲壓計在安裝之前需對照配套的儀器率定系數(shù)表對其讀數(shù)的可靠性進(jìn)行校核，其方法為：首先需將滲壓計充分浸泡，確保透水石與膜片之間的儀器空腔充滿水，此時記錄滲壓計空載讀數(shù)；然后采用繩索懸掛將滲壓計下放到鉆孔底部，記錄下放的實際深度，待滲壓計達(dá)到熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)后用讀數(shù)儀記錄此時的讀數(shù)，對比兩次讀數(shù)的變化趨勢與率定參數(shù)表是否吻合，用以確定滲壓計是否合格。

4 滲透壓力的計算

振弦式滲壓計屬于精密儀器，其靈敏度高，受環(huán)境因素影響大。由于該滲壓計安裝在密閉鉆孔內(nèi)以及壩基基巖面位置，可以排除大氣壓變化對其的影響，通常只考慮安裝位置的水壓力和水溫的雙重作用，振弦式滲壓計的工作直線方程為：

P=k(F0-F)+b(T-T0)+ΔQ

(1)

式中k、b為出廠固定值，k代表儀器的靈敏度，即為率定系數(shù)，單位為kPa/F；b為溫度修正系數(shù)，單位為kPa/℃；F0為滲壓計初始頻率值讀數(shù)；F為本次頻率測量值；T為本次溫度讀數(shù)；T0為滲壓計安裝初始溫度讀數(shù)；ΔQ表示大氣壓變化值(可忽略)；P為本次測得的水壓力值，單位為kPa。

在實際監(jiān)測過程中，為便于觀測分析，通常將壓力值轉(zhuǎn)換為測點位置對應(yīng)的水位埋深值，計算公式為：

h=H-h0

(2)

式中h0為一定深度下滲透水壓力P對應(yīng)的水深值；H為滲壓計埋深；h為所求的水位埋深，進(jìn)而便于直觀地表示觀測位置的水位埋深情況，有利于及時進(jìn)行風(fēng)險預(yù)報。

5 滲壓計的安裝及注意事項

基于振弦式滲壓計穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、溫度漂移小、零點漂移小、精度高、反應(yīng)快的特點，其在巖溶滲漏地區(qū)有更好的發(fā)揮，起到了實時滲漏的監(jiān)控作用。振弦式滲壓計的布置需充分考慮大壩滲透壓力或防護(hù)坡面的需求進(jìn)行合理地布置。

常見的振弦式滲壓計埋設(shè)有兩種方式：其一為坑式埋設(shè)法，該方法適用于新建大壩壩基或其他新建建筑物中，在建筑物施工前完成儀器的安裝；其二為鉆孔式埋設(shè)法，這種方式常用于已建成的建筑物中。

在滲壓計安裝之前，需將儀器進(jìn)行充分地浸泡，確保透水石與膜片之間的儀器空腔充滿水，若空腔內(nèi)水未充滿，膜片將在水的張力作用下造成滲壓計讀數(shù)遲滯，讀數(shù)失真，影響測量的準(zhǔn)確性；此外，在安裝前需確保滲壓計透水石的表面潔凈，有必要時可采用土工膜對滲壓計透水石端頭進(jìn)行包裹，避免透水石因固體顆粒物吸附堵塞影響水流的進(jìn)出，導(dǎo)致滲壓計讀數(shù)偏低；同時，因滲壓計內(nèi)部構(gòu)造精密，安裝過程中應(yīng)避免磕碰、振動。

坑式埋設(shè)法施工前，需根據(jù)圖紙要求準(zhǔn)確放樣出埋設(shè)位置，埋設(shè)方式如圖2所示。采用人工挖坑，埋坑的大小以確保能將滲壓計完整埋入為準(zhǔn)，若滲壓計埋坑內(nèi)為非黏性土質(zhì)時，可直接將儀器埋入，但要注意對儀器的保護(hù)。若埋坑內(nèi)為大粒徑骨料時，可將儀器裹入用水浸潤的砂袋中再進(jìn)行埋設(shè)安裝，最后用中粗砂或膨潤土回填，這樣實施既可有效避免骨料在水力作用下對滲壓計產(chǎn)生破壞，同時又避免了固體顆粒物吸附在透水石上影響儀器測量。鉆孔式埋設(shè)法是指將滲壓計埋設(shè)到事先鉆好的鉆孔中，常見的有繞滲孔、滲壓孔等，埋設(shè)方式如圖3所示。滲壓計安裝前需對鉆孔進(jìn)行清理，在滲壓計預(yù)設(shè)位置底部宜采用中粗砂填平，再將包裹浸潤砂袋的滲壓計放到預(yù)定位置，然后在滲壓計周圍環(huán)繞干凈的砂子或膨潤土進(jìn)行保護(hù)，要求砂子或膨潤土高出儀器15 cm以上為宜。

圖2 坑式埋設(shè)法示意圖

圖3 鉆孔式埋設(shè)法示意圖

安裝過程中，為避免電纜線發(fā)生彎折，對電纜線接頭部位采用專門的防水接頭進(jìn)行處理。電纜線在布置過程中應(yīng)考慮預(yù)留部分余量，特別是在鉆孔式埋設(shè)方法中，儀器的下放以及固定宜采用輔助繩索進(jìn)行懸掛，可以有效地避免因電纜線直接承受拉力而導(dǎo)致電纜線橫截面變細(xì)、電纜線出口位置止水效果下降等問題，進(jìn)而影響到儀器的正常使用；此外，由于環(huán)境溫度變化，固定的懸掛繩索可能會發(fā)生熱脹冷縮而使儀器發(fā)生松動或伸縮，因此，在選擇繩索時應(yīng)考慮熱脹冷縮系數(shù)小的繩索進(jìn)行固定。

安裝完成后應(yīng)注意對儀器和電纜線進(jìn)行保護(hù)，做好后期的監(jiān)測與維護(hù)工作，監(jiān)測孔附近應(yīng)避免遭受機械或人為干擾，同時應(yīng)定期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，汛期根據(jù)需要適當(dāng)增加數(shù)據(jù)的采集頻率。

6 應(yīng)用實例

為了較好地進(jìn)行壩基及壩肩滲流監(jiān)測，開茂水庫大壩共布置了16支滲壓計，設(shè)置了滲壓測點16個，儀器采用VWP-0.35型振弦式滲壓計，配套了一臺VW-102A型振弦讀數(shù)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測工作從2014年4月5日安裝第一支滲壓計開始，截止2018年6月20日大壩滲壓監(jiān)測一直持續(xù)進(jìn)行，經(jīng)對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、計算后作圖，得到滲壓計滲透壓力～時間變化曲線(圖4)。

通過滲透壓力～時間變化曲線圖可以看出：

圖4 滲透壓力～時間變化曲線圖

2014年、2015年和2016年三年中6～9月期間滲透壓力均有增加，呈波峰狀態(tài)，原因為：這幾個月處于汛期，庫區(qū)內(nèi)水位升高，表現(xiàn)為壩基及壩肩滲透水壓增大，其余時間段為施工期和枯水期，庫區(qū)積水已合理引排，表現(xiàn)為壩基及壩肩滲透水壓下降，2017年6月以后，因大壩面板混凝土施工完畢，同時585 m高程以下面板止水已全部施工完畢，585 m高程以下具備防滲擋水功能，2017年6月至2018年期間，585 m高程以下均處于蓄水狀態(tài)，在圖表中表現(xiàn)為滲透水壓力曲線較為平緩，變化波動較小。在對汛期峰值滲透壓力進(jìn)行分析后得知：其滲透壓力值遠(yuǎn)小于安全警戒值，目前壩基及壩肩滲漏穩(wěn)定，大壩運行安全。

由此可見，對于水庫大壩等滲流監(jiān)測要求高的工程，特別是位于巖溶地區(qū)的水庫大壩，采用振弦式滲壓計進(jìn)行監(jiān)測可以方便、快捷地獲知測點位置的滲透水壓力變化情況，若配套自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)即可實現(xiàn)全天、連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，對于滲漏風(fēng)險可以進(jìn)行實時預(yù)警。

7 結(jié) 語

大壩滲流監(jiān)測作為大壩安全監(jiān)測的一項重要監(jiān)測項目，對監(jiān)測儀器的穩(wěn)定性、抗干擾性、精度等都有很高的要求，振弦式滲壓計以其獨特的優(yōu)勢被廣泛地應(yīng)用于大壩滲流安全監(jiān)測中。伴隨著我國大壩安全監(jiān)測自動化水平的提高，振弦式滲壓計也同樣取得了較大的進(jìn)步，國內(nèi)生產(chǎn)的振弦式滲壓計在性能、精度和外觀上都有很大的發(fā)展，應(yīng)用前景也得到了較大的延伸，必將提高我國大壩安全運行的管理水平。