振弦式滲壓計在巖溶地區水庫大壩滲流監測中的應用

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均處于巖溶發育地區，庫區左岸山脊地質條件尤為復雜且山體相對單薄，左岸壩肩至王家灣一帶巖溶十分發育，地下巖溶通道眾多且彼此相互交錯貫通，對現有資料分析得知，至少存在6個巖溶通道，巖溶規模較大，主要為管道型巖溶通道。

為了監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外工程中均有廣泛的應用，其實質是一種非電量的電測量傳感器，較之于傳統的電容式傳感器具有穩定性好、抗干擾能力強、溫度漂移小、零點漂移小、精度高、反應快等特點，能夠適應長時間、遠距離的數據監測，因此其在水利水電工程中具有獨特的優勢。

2 工作原理

振弦式滲壓計主要由透水石、振弦感應組件、溫度感應組件、密封電纜以及傳感器外殼五部分組成，其結構見圖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組件前端的彈性膜片上，膜片受力發生形變產生微小位移，該位移使振弦的振動應力產生變化，最終導致振弦的振動頻率發生改變。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到讀數裝置，按照設定的時間間隔進行讀數，從而實現對測點位置滲水壓力和水溫變化的實時監測。

圖1 振弦式滲壓計結構圖

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表對其讀數的可靠性進行校核，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；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，待滲壓計達到熱平衡穩定狀態后用讀數儀記錄此時的讀數，對比兩次讀數的變化趨勢與率定參數表是否吻合，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，受環境因素影響大。由于該滲壓計安裝在密閉鉆孔內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，單位為kPa/F；b為溫度修正系數，單位為kPa/℃；F0為滲壓計初始頻率值讀數；F為本次頻率測量值；T為本次溫度讀數；T0為滲壓計安裝初始溫度讀數；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。

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

h=H-h0

(2)

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

5 滲壓計的安裝及注意事項

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

常見的振弦式滲壓計埋設有兩種方式：其一為坑式埋設法，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，若空腔內水未充滿，膜片將在水的張力作用下造成滲壓計讀數遲滯，讀數失真，影響測量的準確性；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行包裹，避免透水石因固體顆粒物吸附堵塞影響水流的進出，導致滲壓計讀數偏低；同時，因滲壓計內部構造精密，安裝過程中應避免磕碰、振動。

坑式埋設法施工前，需根據圖紙要求準確放樣出埋設位置，埋設方式如圖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，若滲壓計埋坑內為非黏性土質時，可直接將儀器埋入，但要注意對儀器的保護。若埋坑內為大粒徑骨料時，可將儀器裹入用水浸潤的砂袋中再進行埋設安裝，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。鉆孔式埋設法是指將滲壓計埋設到事先鉆好的鉆孔中，常見的有繞滲孔、滲壓孔等，埋設方式如圖3所示。滲壓計安裝前需對鉆孔進行清理，在滲壓計預設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定位置，然后在滲壓計周圍環繞干凈的砂子或膨潤土進行保護，要求砂子或膨潤土高出儀器15 cm以上為宜。

圖2 坑式埋設法示意圖

圖3 鉆孔式埋設法示意圖

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

安裝完成后應注意對儀器和電纜線進行保護，做好后期的監測與維護工作，監測孔附近應避免遭受機械或人為干擾，同時應定期進行數據采集，汛期根據需要適當增加數據的采集頻率。

6 應用實例

為了較好地進行壩基及壩肩滲流監測，開茂水庫大壩共布置了16支滲壓計，設置了滲壓測點16個，儀器采用VWP-0.35型振弦式滲壓計，配套了一臺VW-102A型振弦讀數儀進行數據采集。監測工作從2014年4月5日安裝第一支滲壓計開始，截止2018年6月20日大壩滲壓監測一直持續進行，經對所獲得的數據進行統計、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，原因為：這幾個月處于汛期，庫區內水位升高，表現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，庫區積水已合理引排，表現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，在圖表中表現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行分析后得知：其滲透壓力值遠小于安全警戒值，目前壩基及壩肩滲漏穩定，大壩運行安全。

由此可見，對于水庫大壩等滲流監測要求高的工程，特別是位于巖溶地區的水庫大壩，采用振弦式滲壓計進行監測可以方便、快捷地獲知測點位置的滲透水壓力變化情況，若配套自動數據采集系統即可實現全天、連續動態監測，對于滲漏風險可以進行實時預警。

7 結 語

大壩滲流監測作為大壩安全監測的一項重要監測項目，對監測儀器的穩定性、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勢被廣泛地應用于大壩滲流安全監測中。伴隨著我國大壩安全監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步，國內生產的振弦式滲壓計在性能、精度和外觀上都有很大的發展，應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。