战晓林　王俊超

摘 要：振弦式渗压计因具有长期稳定性、高信噪比、信号输出强、抗干扰等优点在国内外大坝渗流监测系统中得到了广泛应用，文章以博茨瓦纳Lotsane大坝为例介绍振弦式渗压计的布设、率定以及安装过程，并且就初期观测结果进行数据整理，旨在为类似工程提供一定的参考。

关键词：渗压计；仪器布设；数据整理

中图分类号：TV698.2 文献标志码：A 文章编号：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

统计资料表明，国内外土石坝、堆石坝垮坝事故多数是由渗流破坏引起的，因此对大坝渗流进行监测并通过数据分析掌握大坝的安全运行状况越来越引起人们的重视。目前大坝渗流监测方法主要有两种：一种是测压管法，另一种是渗压计法，其中测压管法主要适用于人工观测，精度偏低，在高水头、渗透系数较小的情况下存在一定的测值滞后[1]；渗压计法因其测量精度高、适应自动化监测系统等优点被广泛采用。

振弦式渗压计主要由振弦、高灵敏金属膜片、透水石以及激励与接收线圈等部件构成，其工作原理：水压力作用在薄膜片上并使之产生变形，连接在上面绷紧钢弦的张力也随之发生变化，而钢弦的振动频率和张力有关，可表示为：

式中？滓为钢弦所受的张力，因此仪器受到的渗透压力可以通过测量钢弦的频率得到。

1 渗压计布设

Lotsane大坝位于博茨瓦纳东部，为黏土心墙堆石坝，大坝高30m，长1.4km，渗流监测设备采用基康公司生产的GK4500S型可拆卸过滤器振弦式渗压计，最大量程700kPa，共埋设36只，分别布置在CH.1250、CH.1550、CH1900以及CH.2040四个横断面上；终端箱共五个，典型布置如图1所示。为适应各种复杂工况所有仪器均通过特制的铠装电缆连接至对应的终端箱。

2 渗压计的率定及安装

2.1 渗压计的率定

每只渗压计在出厂时均已经做好率定并提供相关率定数据和零读数，这些数据以及零读数都是在特定温度和大气压力下获得的，由于仪器运抵现场时的环境发生变化，因此需要对每一只仪器的零读数重新进行校正，使现场修正后的零读数与出厂读数基本一致，相差不超过±20。

零读数的创建需要注意以下几个问题：（1）为避免温度骤升骤降对测量结果的影响，在读数前需经过20分钟左右使渗压计达到热平衡。（2）透水石必须充分饱和，如果有气泡存在，则在表面张力的作用下影响微孔的透水性，造成读数不准确。（3）如果线缆较长或者测井孔直径较小时，液面易受影响而发生變化，因此要保证液面平衡之后再进行读数。（4）确保准确记录下读数时的温度以及大气压力，这些数据对于后续的率定工作是必不可少的。

仪器的率定主要按以下几个步骤进行：（1）提前几天用水浸泡渗压计，使透水石与金属膜片之间的空间充满水且透水石完全饱和。（2）测得仪器率定时所设定高程并算出大气压。（3）仪器热平衡后采用便携式读数仪读取该深度下的读数。（4）改变仪器在水下的深度重复进行测量，每个水深读数两次取平均值，作温度修正以及大气压力修正并算出线性压力，公式如下：

2.2 渗压计的安装

渗压计的安装方法按照仪器埋设位置的不同大致可以分成三类：（1）在测井或测压管的安装；（2）在钻孔中的安装；（3）在填土或坝体的安装。本文以钻孔安装为例简要介绍安装过程，步骤如下：（1）按照设计要求钻孔到指定深度，孔深应比仪器底部安装高程低50mm左右，清洗孔内确保无岩屑泥浆，并且随着时间的增长不会有回料落入孔中。（2）确保渗压计在现场达到温度平衡并完全被水饱和，通过读数仪读取大气压下的零压读数并记录下此时的温度。（3）将洁净的中粗砂倒入孔底，通过水位尺的测量确保砂面比仪器底部高程低15cm左右。（4）用水位尺测得孔内水位，将电缆做好标记并与渗压计连接，为了更好的保护和获得准确的测量值需将渗压计置于装满洁净砂的土工布袋子中间，扎好袋口下放至孔内设计高程，然后再向孔内放入砂子直至设计的高程，需要注意的是：如果单孔内安装单只渗压计，那么仪器上部填砂高度在1.0m左右即可；如果单孔内安装有多只渗压计则必须要谨慎，填砂高度不能超过第二只渗压计的安装高程，否则会因砂子无法从深孔中取出而必须重新钻孔安装[2]。（5）将膨润土加少量水做成直径15mm左右小球并投入孔内，用捣棒轻轻捣实至设计高程。（6）封孔采用水灰比为1：2的水泥浆回填至孔口，如果孔内有水则适当减小水灰比，搓球投入再捣实效果会更好。

3 数据处理

实践表明，各种类型的大坝渗流均有规律可循，如果将渗流控制在一定范围内就不会对大坝的安全产生影响，因此需要对渗流资料进行整理和分析并作出预测，判断大坝在渗流作用下是否安全，并据此提出相关的工程保护措施以及除险加固方案。

数据采集使用GK-403型便携式读数仪，压力计算需进行温度和气压修正，方法与率定部分相同。测次要求：在安装之后第一个月内每天监测一次；后面每两天监测一次。监测结果以Ch1250断面基础部分四只渗压计为例，详见图2。

图表上半部分表示的是渗压计测值过程线，下半部分表示的是降雨过程线。埋设在浅层的渗压计FP-17、在前几个月测值有波动，其原因很可能是由于侧孔内膨润土遇水膨胀、封孔灌浆以及附近帷幕灌浆等因素综合作用的结果，后期相关作用减弱，曲线趋于稳定；埋设在深层的渗压计FP-18受相关作用影响较小，测值平稳；通过对比降雨量分配折线图并结合当地地质特性可以发现，在月份降雨量不大且较均匀的情况下，降雨量对地下水位影响不大。

4 结束语

所有仪器的率定、安装和监测都必须符合相关规范以及技术条款的要求，对于国际项目不能照搬中国的标准，但是可以借鉴，如Lotsane大坝监测仪器的率定和监测，要求必须符合ANSI Z540-1，N.I.S.T.标准。大坝渗流监测是安全监测工作中重要的一项，为了确保监测数据的准确性必须重视规范的指导作用，同时参考类似工程的成功经验，掌握正确的安装方法并能熟练操作。

随着科技的发展以及自动化监测系统的广泛应用，越来越多的新监测方法被应用到渗流监测领域，如同位素探测法以及电磁探测法等，其中水科院的地球物理瞬变电磁法已经成功用于几个工程[3]；热脉冲（HPM）渗流监测技术认为热传输必然与渗透水流存在一定关系，因此可以通过特定热源的温度变化得到渗流的流速[4]；分布式光纤渗流监测技术具有成本低、大量程等优点，特别适合测量精度要求高、渗流量小的工程，有着广阔的发展前景[5]。虽然许多新的监测技术还处于试验阶段不能完全实现自动化，但是仍然为渗流监测技术的发展提出了新思路，具有一定的现实意义。

參考文献：

[1]SL60-94.土石坝安全监测技术规范[S].北京：中国水利水电出版社.

[2]张晓廷，刘佳，赵景飞，等.大坝坝基中振弦式渗压计安装[J].水利水电施工，2011（6）：82-83.

[3]房纯钢，葛杯光，鲁英，等.电磁探测法探测土坝渗漏[J].水利水电计算，1998（4）：25-28.

[4]李端有，熊健，等.土石坝渗流热监测技术研究[J].长江科学院院报，2005（6）：29-33.

[5]蒋力，周柏兵，徐国龙，等.基于分布式光纤技术的渗流监测试验探讨[J].大坝与安全，2015（5）：32-42.

[6]唐宜盛，达娃，席隆海，等.西藏高寒高烈度地区超高心墙堆石坝安全监测的思考[J].科技创新与应用，2014（26）：25-27.

[7]汤荣，邓建辉.浅析蓄水期大坝中渗压计渗透压力异常原因[J].科技创新与应用，2013（30）：299-300.