史訓(xùn)邦

（余姚市梁輝水庫(kù)管理局，浙江 寧波 315403）

1 工程概況

梁輝水庫(kù)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(kù)。

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(guó)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(kù)集水面積35.06km2，總庫(kù)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(píng)定為優(yōu)良。

梁輝水庫(kù)混凝土面板堆石壩的原型觀測(cè)主要包括變形觀測(cè)和滲流觀測(cè)。其中，變形觀測(cè)壩體內(nèi)部豎向位移共計(jì)8個(gè)測(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn)，高程26.0m布設(shè)SG3、SG4、SG5、SG6四個(gè)測(cè)點(diǎn)，高程36.0m布設(shè)SG7、SG8二個(gè)測(cè)點(diǎn)，每層測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)觀測(cè)房高程為12.0，25.3，35.6m （見圖1）。

圖1 測(cè)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(cè)頭、排水管、通氣管、連通管、供液系統(tǒng)、測(cè)量管等組成，沉降測(cè)頭和連通管路埋在壩體內(nèi)部，供液系統(tǒng)、測(cè)量管、通氣口、排水口安裝在壩體外部的觀察房?jī)?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。可以計(jì)算出不同時(shí)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(shí)段的沉降量。

沉降測(cè)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(cè)量管液面為同一個(gè)大氣壓力，連通管兩端口（沉降測(cè)頭進(jìn)水豎管杯口與測(cè)量管液面）保持在同一水平面上，當(dāng)觀察房?jī)?nèi)讀取測(cè)量管液面高程時(shí)，便可知沉降測(cè)點(diǎn)的液面高程。其計(jì)算公式為：

S＝Si－S0＋△S

式中：S為各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量，mm；S0為首次觀測(cè)時(shí)的讀數(shù) （初始值），mm；Si為第i次觀察時(shí)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(cè)頭和連通管路也發(fā)生相應(yīng)的沉降。連通管路長(zhǎng)從幾十米到幾百米不一，當(dāng)壩體發(fā)生不均勻沉降時(shí)，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(cè)頭進(jìn)水豎管、連通管和測(cè)量管組成。連通管在正常情況下兩端分別與沉降測(cè)頭進(jìn)水豎管和測(cè)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(shí)，系統(tǒng)內(nèi)存不住水，測(cè)量管將無法獲得穩(wěn)定的液面；當(dāng)管內(nèi)有氣泡時(shí)，測(cè)量結(jié)果將產(chǎn)生誤差。當(dāng)連通管堵塞時(shí)，其兩端液面不能保持在同一水平面，測(cè)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(cè)頭內(nèi)腔體與大氣的通路，若該管阻塞或脫落，沉降測(cè)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(cè)量無意義。

如果通氣管嚴(yán)重堵塞，沉降測(cè)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(cè)頭，在排水管內(nèi)之水重力作用下，沉降測(cè)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(cè)頭的高差大小。在該真空力的作用下，測(cè)量管、連通管的水被吸入沉降測(cè)頭，從排水管排出，此時(shí)不管從測(cè)量管加入多少水，最終都會(huì)從處于低處的排水口排出，直至測(cè)量管液面降至與排水口同一高程時(shí)達(dá)到平衡。此時(shí)測(cè)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(cè)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(cè)頭內(nèi)的水不能及時(shí)排出，儀器不能正常工作，即使測(cè)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(cè)量時(shí)，給測(cè)量管加一定量的水，待排水管出水且測(cè)量管液面穩(wěn)定后才能讀數(shù)）。如果排水管堵塞，測(cè)量管繼續(xù)加水，使沉降測(cè)頭內(nèi)水面不斷上升，直至通氣豎管杯口，最后沉降測(cè)頭內(nèi)高于通氣豎管的水經(jīng)過通氣管排出，沉降測(cè)頭上部空腔不再與大氣相通，其液面不再是自由液面。此時(shí)測(cè)量管、連通管、沉降測(cè)頭、通氣管等整個(gè)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(cè)量管加入多少水，最終都會(huì)從低處的通氣口排出 （其結(jié)果與通氣管堵塞類似），直至測(cè)量管液面降至與通氣口同一高程時(shí)達(dá)到平衡。測(cè)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(shí)水從排水管排出，排水管堵塞時(shí)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(cè)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(cè)值異常，液面穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)，沉降突然變大，與附近正常儀器測(cè)試結(jié)果相背離等，很可能是該故障造成的。但是隨著時(shí)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(tái)風(fēng)影響，梁輝水庫(kù)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(cè)量管底部以下，無法讀取數(shù)據(jù)。而且不管從測(cè)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(cè)量管底部以下”， “不管從測(cè)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(cè)頭直至通氣豎管杯口，淹沒水位繼續(xù)上升，沉降測(cè)頭內(nèi)部水通過通氣豎管、通氣管、再?gòu)耐饪谂懦觯緯惩ǖ耐夤鼙凰錆M。觀測(cè)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(cè)頭內(nèi)部空腔形成真空。測(cè)量管內(nèi)水被吸入沉降測(cè)頭，再經(jīng)排水管排出，直至測(cè)量管液面降至與排水口同一高程時(shí)達(dá)到平衡，造成液面降至測(cè)量管底部以下，無法讀取數(shù)據(jù)。而且不管從測(cè)量管內(nèi)加入多少水，最終都從排水管排出的現(xiàn)象。此時(shí)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(cè)頭內(nèi)部空腔與測(cè)量管液面不在同一個(gè)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(cè)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(cè)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(gè)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(shí)排除沉降測(cè)頭內(nèi)部積水。順便拆下連通管與測(cè)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(cè)量管連接。

經(jīng)過上述處理后，給SG1、SG2的測(cè)量管緩慢注水測(cè)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。