劉長征，劉蘭芳，段秀娟

(河北省滄州市水利科學(xué)研究所，河北 滄州061000)

振弦式滲壓計(jì)在楊埕水庫圍堤安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉長征，劉蘭芳，段秀娟

(河北省滄州市水利科學(xué)研究所，河北 滄州061000)

針對楊埕水庫運(yùn)行管理的現(xiàn)狀，結(jié)合圍堤安全監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了振弦式滲壓計(jì)結(jié)構(gòu)、原理及安裝過程和注意事項(xiàng)，并通過對水庫圍堤壩體、壩基及圍堤建筑物的長期準(zhǔn)確監(jiān)測和原始數(shù)據(jù)采集，有力保障了楊埕水庫的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，為解決滄州東部地區(qū)飲水安全問題提供了有效的技術(shù)支撐。

水庫;安全監(jiān)測;滲壓計(jì);水利自動化

河北省滄州市是全國嚴(yán)重缺水的地區(qū)之一，全市水資源總量12.64億 m3，人均水資源占有量192 m3，僅相當(dāng)于全國平均水平的8%，人民常年飲用苦咸水、高氟水。作為滄州東部地區(qū)供水工程之一的楊埕水庫的建立，能夠徹底改善滄州東部地區(qū)人民群眾的飲水條件，有效緩解了水資源嚴(yán)重短缺的矛盾。圍堤安全監(jiān)測系統(tǒng)作為楊埕水庫運(yùn)行管理的重要組成部分，有效保障水庫大壩的長期穩(wěn)定安全運(yùn)行，特別是在七上八下的主汛期和每年2次的蓄水期實(shí)時監(jiān)測顯得尤為重要。埋設(shè)在水庫圍堤大壩之中的長期用于監(jiān)測孔隙水壓力的振弦式滲壓計(jì)傳感儀器是圍堤安全監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)的有力保障。

1 基本概況

楊埕水庫位于河北省海興縣東部15 km，是滄州東部地區(qū)供水工程的重要組成部分。滄州東部地區(qū)供水工程共分引水工程、調(diào)蓄工程和供水工程，概算投資8.638億元，其中調(diào)蓄工程即楊埕水庫建設(shè)是整個供水工程的核心工程。水庫圍堤長約12 km，采用均質(zhì)土壩，堤高8 m，蓄水深度6.5 m，庫區(qū)面積10.9 km2，總庫容6 568萬 m3。按照規(guī)劃，在年引水100天的條件下，每年可向渤海新區(qū)、海興縣及周邊村鎮(zhèn)等地區(qū)供水6 000萬 m3。實(shí)現(xiàn)讓滄州東部地區(qū)人民告別苦咸水、高氟水的多年夢想，同時作為一項(xiàng)重大基礎(chǔ)設(shè)施工程，楊埕水庫的建設(shè)將大大改善渤海新區(qū)的投資環(huán)境，推動滄州沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

為確保大壩的安全運(yùn)行，余2009年5月建立了楊埕水庫圍堤安全監(jiān)測系統(tǒng)，用于及時而迅速地掌握和評價水庫大壩的動態(tài)工況，監(jiān)測項(xiàng)目包括大壩滲流監(jiān)測(包括壩基揚(yáng)壓力、壩基和壩體的滲流壓力、壩體的孔隙水壓力)、建筑物的基礎(chǔ)揚(yáng)壓力、水庫上下游水位監(jiān)測、庫區(qū)降水量監(jiān)測、環(huán)境溫度監(jiān)測等項(xiàng)目。在12 km大壩共布設(shè)6個大壩斷面監(jiān)測站和供水泵站、泄水閘、進(jìn)水涵洞3個建筑物監(jiān)測站，安裝88支振弦式滲壓計(jì)，全部選用北京基康儀器公司生產(chǎn)的BGK－4500S系列弦式滲壓計(jì)。斷面安裝剖面布置圖如圖1所示。

圖1 斷面安裝剖面布置圖

2 振弦式滲壓計(jì)簡介

振弦式滲壓計(jì)是埋設(shè)在水工建筑物、基巖內(nèi)或安裝在測壓管、鉆孔、堤壩、管道和壓力容器里，用于測量孔隙水壓力的專用儀器。其主要部件均用特殊鋼材制造，適合各種惡劣環(huán)境使用。。標(biāo)準(zhǔn)的透水石是用帶50微米小孔的燒結(jié)不銹鋼制成，以利于空氣從滲壓計(jì)的空腔排出。特別是在完善電纜保護(hù)措施后，可直接在施工期埋設(shè)在楊埕水庫的均質(zhì)土壩中振弦式滲壓計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 振弦式滲壓計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 振弦式滲壓計(jì)安裝

振弦式滲壓計(jì)安裝流程如圖3所示。

3.1 初步檢驗(yàn)及率定

首先對滲壓計(jì)讀數(shù)進(jìn)行檢查和記錄。每支儀器都提供了率定系數(shù)，包括溫度修正系數(shù)。采用過程可用來檢查率定表(參照《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 60－94))提供的率定系數(shù)。

1)浸透過濾器透水石，并在透水石和膜片之間的空腔里充滿水。

2)用電纜將滲壓計(jì)沉到測量孔的底部以測量實(shí)際深度。

3)讓滲壓計(jì)熱平衡15－20分鐘，用BGK408型讀數(shù)儀記錄該液面的讀數(shù)。

4)將滲壓計(jì)提升一個已知的高度，記錄讀數(shù)，計(jì)算這個系數(shù)，給出壓力和讀數(shù)的變化。與率定表中的值進(jìn)行比較，必要時可重復(fù)這個試驗(yàn)。

圖3 鉆孔及孔隙水壓力計(jì)安裝流程圖

3.2 創(chuàng)建零讀數(shù)

每一只滲壓計(jì)都需要得到一個精確的零讀數(shù)(即初始讀數(shù))，而這個讀數(shù)將用于隨后的數(shù)據(jù)處理。一般來說，是在儀器安裝之前(即未加壓力時)讀取的數(shù)值。

使?jié)B壓計(jì)的溫度達(dá)到平衡，腔體達(dá)到水飽和，以保證滲壓計(jì)能得到精確的零讀數(shù)。要確保在讀取零讀數(shù)時記錄溫度和氣壓，以便必要時修正。

3.3 現(xiàn)場準(zhǔn)備工作

傳感器的質(zhì)量是楊埕水庫圍堤安全監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，傳感器在安裝前應(yīng)做以下準(zhǔn)備工作:

1)孔口高程測定;

2)傳感器安裝前應(yīng)對照標(biāo)定資料進(jìn)行測讀，并對傳感器自帶的電纜進(jìn)行檢查，無異常情況方可進(jìn)行安裝;

3)安裝前將透水石煮至沸騰超過兩小時，去除透水石內(nèi)的氣泡和油污，確保不影響透水效果;

4)測量壩基滲透壓力的傳感器應(yīng)根據(jù)實(shí)際鉆孔情況放至基巖面，其余傳感器按設(shè)計(jì)高程進(jìn)行安裝;

5)傳感器安裝位置上下各填筑30～50 cm粗沙;

6)封孔采用干燥的膨脹泥球，每次封孔長度不得超過50 cm，同時用測繩懸掛重物輕輕夯打;

7)傳感器在安裝前、就位及安裝結(jié)束時各測讀一次，并做好記錄;

8)傳感器安裝完畢對電纜頭貼標(biāo)簽，并進(jìn)行臨時保護(hù)。

9)安裝前，滲壓計(jì)應(yīng)一直浸泡在水中達(dá)到飽和，直到安裝時為止。

3.4 鉆孔安裝

滲壓計(jì)采用無套管的鉆孔里直接安裝方式，采用多支同孔安裝，見圖4，就要特別注意鉆孔的密封。鉆孔中安裝時使用加厚的聚乙烯護(hù)套電纜。

鉆孔孔徑108 mm;清水鉆進(jìn)，嚴(yán)禁高壓送水;成孔傾斜度≤1%，孔底沉渣≤20 cm。鉆至滲壓計(jì)預(yù)定位置以下15～30 cm，洗凈鉆孔，然后將孔的底部用干凈的細(xì)沙回填到滲壓計(jì)端頭以下15 cm時，即可放入滲壓計(jì)，將滲壓計(jì)封裝在一個砂袋里，保持干凈。用水浸透砂子，然后放到位(在電纜上做標(biāo)志)，儀器在這個位置時，再環(huán)繞滲壓計(jì)周圍放進(jìn)干凈的砂子，砂子可以放到滲壓計(jì)以上5 cm，到了上述的“集水區(qū)”，用膨潤土和適量的沙回填交替層約25 cm，然后用普通的土回填，如果在一個單孔里安裝多支滲壓計(jì)，膨潤土與沙應(yīng)回填到上部滲壓計(jì)的下部，并以每兩個滲壓計(jì)之間的距離為間隔交替進(jìn)行。在使用填塞工具時特別要小心，避免損壞滲壓計(jì)的電纜。由于振弦式滲壓計(jì)基本上是一個非流量儀器，所以其集水區(qū)不需要很大的尺寸，滲壓計(jì)可以與大多數(shù)材質(zhì)接觸，因?yàn)檫@些材料的顆粒不能通過過濾器。

圖4 滲壓計(jì)安裝示意圖

3.5 電纜敷設(shè)及電纜溝開挖、回填

1)電纜溝截面尺寸:主溝溝底寬約20 cm，溝深70 cm以上，為開挖及回填方便，可放1:0.15～1:0.2的邊坡，支溝底寬不小于20 cm，其它與主溝同;

2)挖溝出土置于溝邊地勢較低側(cè)，留備回填用;

3)挖溝遇巖石可繞行或面上砌溝槽;遇陡坎坡或砌豎井(高差不得超過30 cm);

4)鋪設(shè)電纜前應(yīng)檢查電纜溝是否達(dá)到所需尺寸;

4月22日，水利部抗震救災(zāi)前方領(lǐng)導(dǎo)小組成立臨時黨支部，由水利部抗震救災(zāi)前方領(lǐng)導(dǎo)小組組長、國家防辦副主任李坤剛擔(dān)任臨時黨支部書記。

5)所有電纜均需蛇形布置，防止個別部位電纜受力過大;

6)滲壓計(jì)專用電纜鋪設(shè)時應(yīng)上下各鋪設(shè)10～15 cm中細(xì)砂。通訊電纜及動力電纜全程加PVC管保護(hù)。所有電纜過溝、路處穿鋼管保護(hù);

7)所有電纜敷設(shè)完成后，應(yīng)提供電纜走線圖，并在壩面上做好標(biāo)記以便檢查。

因?yàn)闈B壓計(jì)的輸出信號是頻率，所以電纜電阻細(xì)微的變化、電纜的連接，不會影響讀數(shù)儀對儀器的讀數(shù)。用于連接的電纜應(yīng)是高質(zhì)量的100%屏蔽的絞合電纜(帶有整體屏蔽的抗干擾芯線)。連接時，將屏蔽線接到一起并接到接地點(diǎn)。

3.6 故障排除

如果裝置讀數(shù)出問題，應(yīng)采取以下步驟:

1)檢查線圈電阻，正常情況下線圈電阻是 180±10Ω加上電纜電阻。(標(biāo)準(zhǔn) 22號規(guī)格的銅導(dǎo)線電阻:每 100 m約5Ω)。

a)如果電阻太大或無窮大，應(yīng)懷疑電纜斷路。

c)如果電阻正常而任何一個傳感器都沒有讀數(shù)，就該懷疑是讀數(shù)儀有問題。

d).如果所有的電阻都正常僅其中一個傳感器沒有讀數(shù)，就應(yīng)判定傳感器有問題。

2)如果發(fā)現(xiàn)電纜是斷路或短路，可按推薦的電纜連接步驟重新接上。

4 計(jì)算方法

1)當(dāng)外界溫度恒定，滲壓計(jì)僅受到滲透(或孔隙)水壓力時，其壓力值P與輸出的頻率模數(shù)△F具有如下線性關(guān)系:

式中:△F為滲壓計(jì)基準(zhǔn)值相對于實(shí)時測量值的變化量，單位為F;k為滲壓計(jì)測量壓力量的最小讀數(shù)，單位為KPa/F;F0為滲壓計(jì)的基準(zhǔn)值，單位為F。F為滲壓計(jì)的實(shí)時測量值，單位為F;

2)當(dāng)作用在滲壓計(jì)上的滲透(或孔隙)水壓力恒定時，而溫度增加△T，此時滲壓計(jì)有一個輸出量△F′，△F′僅僅是由溫度變化而造成的，因此在計(jì)算時應(yīng)給以扣除。

實(shí)驗(yàn)可知△F′與△T具有如下線性關(guān)系:

式中:b為滲壓計(jì)的溫度修正系數(shù)，單位為KPa/℃;△T為溫度實(shí)時測量值相對于基準(zhǔn)值的變化量，單位為℃;T為溫度的實(shí)時測量值，單位為℃;T0為溫度的基準(zhǔn)值，單位為℃。3)當(dāng)滲壓計(jì)受到滲透(或孔隙)水壓力和溫度的雙重作用時，滲壓計(jì)的一般計(jì)算公式為:

式中:Pm為被測滲透(或孔隙)水壓力量，單位為KPa;B為滲壓計(jì)的計(jì)算修正值。

注:若大氣壓力有較大變化時，應(yīng)予以修正

［1］何勇軍等.大壩安全監(jiān)測與自動化.北京:中國水利水電出版社.2008.

［2］趙衛(wèi)等.工程安全監(jiān)測技術(shù)2006.北京:中國水利水電出版社.2006.

［3］酈能惠.土石壩安全監(jiān)測分析評價預(yù)報(bào)系統(tǒng).北京:中國水利水電出版社.2002.

TV697.1

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1004－1184(2012)03－0166－02

2012－01－09

劉長征(1978－)，男，河北海興人，工程師，主要從事水利科研和水利自動化工作。