基于混凝土及砌石建筑物基础扬压力的观测

2011-12-21王春燕

黑龙江水利科技 2011年5期

关键词：进水管测压管管口

王春燕

(黑龙江省八五六农场水务局，黑龙江虎林 158418)

基于混凝土及砌石建筑物基础扬压力的观测

王春燕

(黑龙江省八五六农场水务局，黑龙江虎林 158418)

混凝土和砌石建筑物基础上的扬压力，是指建筑物处于尾水位以下部分所受的浮力和在上下游水位差作用下，水从基底向下游渗透产生的向上的渗透压力的合力。向上的扬压力减少了坝体的有效重量，降低了闸坝的抗滑能力。在混凝土和砌石建筑物的设计中，扬压力是作为建筑物的主要作用力之一进行稳定计算。以重力坝为例，根据计算，为平衡扬压力需增大的坝体体积为1/3～1/4。建筑物投入运用后，扬压力的大小是否与设计相符，对于建筑物的安全稳定关系十分重要。为此，必须进行扬压力观测，以掌握扬压力的分布和变化，判断建筑物的稳定安全程度，指导水库的运行和管理。

混凝土及砌石建筑物;基础扬压力;观测;测点布置;测压管埋设;压力过程线

1 测点布设

扬压力观测的测点应根据建筑物的重要性和规模大小、建筑物类型、断面尺寸、地基地质情况以及防渗、排水结构等进行布置。一般可选择若干垂直于建筑物轴线的具有代表性的横断面作为测压断面。通常选择在最大坝高、老河床、基础较差以及设计时进行稳定计算的断面处。一般要求不少于3个测压断面。

当混凝土坝或砌石坝有横向廓道时，可在横向廊道位置布置测压断面，以便于观测。对支墩坝和连拱坝，可将测点布置在支墩和坝垛内。水闸基础扬压力测点根据地下轮廓线布置，一般按图1所示形式布置。

如果需要研究扬压力沿建筑物纵向分布情况，可沿建筑物轴线布设一排测点，构成一个纵向观测断面，以便分析扬压力沿整个基础的分布情况。

图1 水闸基础扬压力测点布置示意图

2 测压管的构造及埋设

扬压力测压管由进水管、导管和装有保护装置的管口组成。通常使用450 mm的金属管或塑料管。

2.1 进水管

基础扬压力是指建筑物底面上某一点的水压力，该点水压力对应一个扬压水位。因此，测压管的进水管较短，只要不少于20 cm即可。进水管的管壁上钻有5～6 mm的小孔。由于进水管较短，进水孔需适当加密。进水管的外包反滤层要求较低，一般只包一层反滤层即可。进水管下部应留不短于5 cm的沉沙管段，管壁不钻孔，底部封死，见图2。

图2 扬压力进水管结构示意图

在软基上埋设扬压力进水管，一般于清基时在测点处挖一方形小坑。坑的边长≥80 cm。用钢板或木板按坑的大小做成方盒，盒的周围和底部设有间距10～12 cm、梅花形排列的进水小孔，孔径5～10 mm。盒内按反滤要求分层填以反滤料，并预埋好进水管，然后将方形盒埋入基础小坑内。方形盒内各层反滤料之间，以及最外层反滤料与基础土料之间，必须符合反滤要求。每层反滤料的厚度应≥15 cm，反滤料最大粒径≤8～10 mm，直径≥0.1 mm的颗粒含量不应超过5%。埋好后于方坑口面铺一层黏土，其上再抹一层砂浆保护。

对于岩石地基，因一般都是在浇筑了一层混凝土后才开始岩基固结灌浆或帷幕灌浆，所以，要在灌浆后再从混凝土分层面上钻孔至所需深度，然后将进水管插入孔内设计高程。钻孔直径100～150 mm。进水管周围及管底填充冲洗干净的粒径6～8 mm的卵石。高度至进水管上端以上25 cm为宜，其上再填入50 cm黏土，捣实压紧形成止水塞，上面再用水泥砂浆充填导管周围至混凝土分层面。

若需在岩基灌浆前埋没进水管，为防止基岩灌浆堵塞进水管，可将进水管做成U字形。在灌浆的同时用低压水冲洗进水管，可防止堵塞。

当地质条件比较复杂，需分层观测不同透水层渗水压力时，可在一个铸孔中安装两根测压管，使进水管分别埋于不同运水层内，其间用水泥砂浆封堵隔开。

2.2 导管

用与进水管直径相同的管材连接而成。导管口一直连接到观测站渗水和雨水不能进入管内。

导管埋设应尽量保持垂直。不能保持垂直时，可用水平的导管引至设计管口位置的铅垂投影点上，然后从该点将导管垂直向上引至管口位置。水平管段应略微倾斜，靠铅直导管一端略高，坡度约为5%，以免产生气塞现象。水平管段应设在可能产生的最低扬压水位以下。当水平管段伸出混凝土体以外时，紧靠混凝土体的伸出管段应做成环状，以免因建筑物沉陷不均匀而使水平管段断裂，当水平管段穿过混凝土伸缩缝时，应采用在水平面上弯曲的铅管接头，水平管如发生堵塞，则不易修复，应尽可能少用或改用渗压计观测。

2.3 管口

扬压力测压管的管口，应设在不被掩没且便于观测的部位，还应加装管口保护设备。若测压管内最高水位低于管口，管口保护设备与土石坝团压管相同;若测压管最低水位高于管口，管口须加螺丝管帽。

测压管埋设好后，应编号并绘制竣工图，测量管口高程，进行注水或放水试验，检查测压管的灵敏度。对于管中水位低于管口的进行注水试验，方法同土坝浸润线测压管灵敏度检验。管中水位高于管口的进行放水试验，放水后关闭阀门，根据压力表计算压力上升的时间过程。

2.4 绘制压力过程线

如恢复到原来压力的时间超过2 h，认为灵敏度不合格，应分析原因，并采取补救措施。

3 渗压计测定扬压力

用于渗水压力观测的渗压计有钢弦式、差动电阻式等仪器，下面介绍钢弦式渗压计。

3.1 钢弦式渗压计的结构和原理

钢弦式渗压计由透水石、受压膜、钢弦、电磁铁和外壳等部件构成，受压膜为不锈钢薄板，钢弦为Φ15 mm的不锈钢丝，在固定梢和螺栓之间张紧固定。

钢弦式渗压计埋设于坝基测点位置，在坝基扬压力作用下，水透过透水石，水压力作用于受压膜上，使受压膜挠曲变形，钢弦的张紧程度发生变化。如果给电磁线圈一个瞬时脉冲电流，电磁铁将瞬时吸动钢弦，之后钢弦便产生自振，其振动的频率与钢弦的张紧程度有关，亦即与作用在受压膜上的水压力大小有关，这种关系可表示为:

式中:p为渗水压力，pa;k为渗压计灵敏度，pa/Hz;fi为渗压计观测频率，Hz;f0为零压力时渗压计的震荡频率，Hz。灵敏度k可在仪器埋设前率定求出。

有了公式(1)后，即可由观测的频率值求出渗水压力P，再计算出水柱高度，最后由仪器埋设点高程算出渗水压力高程。

由于钢弦受温度影响，其长度将发生变化，自振频率亦将发生变化。为此，需在渗压计埋设前定渗压计的频率与温度之间的关系，求得温度补偿系数，进行温差修正。当渗压计埋设点温差＜10℃时，频率变化将≤2 Hz此时可不进行修正。

钢弦式渗压计的优点是钢弦频率信号的传输不受电缆电阻的影响，适宜于远距离测量，仪器灵敏度高，稳定性好。

3.2 渗压计的埋设

渗压计的埋设方式，与渗压计的结构形式、使用目的以及埋设部位等有关。当用于基岩上测定建筑物基础扬压力时，一般在基坑开挖完成后，在岩面钻孔。孔径10～20 cm，孔深30 cm。在孔底部放5～6 cm厚的纲砂，上面再放细粒卵石或粗砂5～6 cm。将渗压计透水石卸下浸水使其饱和，受压膜空腔内注满水并排尽空气，然后装好透水石，将渗压计放入孔中。周围用粗砂填紧并覆盖渗压计，坑内再灌入适当水分使反滤料饱和。最后用砂浆填满钻孔，上面浇筑混凝土。