振弦式渗压计在杨埕水库围堤安全监测系统中的应用
2012-01-18刘长征刘兰芳段秀娟
刘长征，刘兰芳，段秀娟
(河北省沧州市水利科学研究所，河北 沧州061000)
振弦式渗压计在杨埕水库围堤安全监测系统中的应用
刘长征，刘兰芳，段秀娟
(河北省沧州市水利科学研究所，河北 沧州061000)
针对杨埕水库运行管理的现状，结合围堤安全监测系统，详细阐述了振弦式渗压计结构、原理及安装过程和注意事项，并通过对水库围堤坝体、坝基及围堤建筑物的长期准确监测和原始数据采集，有力保障了杨埕水库的稳定、安全运行，为解决沧州东部地区饮水安全问题提供了有效的技术支撑。
水库;安全监测;渗压计;水利自动化
河北省沧州市是全国严重缺水的地区之一，全市水资源总量12.64亿 m3，人均水资源占有量192 m3，仅相当于全国平均水平的8%，人民常年饮用苦咸水、高氟水。作为沧州东部地区供水工程之一的杨埕水库的建立，能够彻底改善沧州东部地区人民群众的饮水条件，有效缓解了水资源严重短缺的矛盾。围堤安全监测系统作为杨埕水库运行管理的重要组成部分，有效保障水库大坝的长期稳定安全运行，特别是在七上八下的主汛期和每年2次的蓄水期实时监测显得尤为重要。埋设在水库围堤大坝之中的长期用于监测孔隙水压力的振弦式渗压计传感仪器是围堤安全监测系统准确采集数据的有力保障。
1 基本概况
杨埕水库位于河北省海兴县东部15 km，是沧州东部地区供水工程的重要组成部分。沧州东部地区供水工程共分引水工程、调蓄工程和供水工程，概算投资8.638亿元，其中调蓄工程即杨埕水库建设是整个供水工程的核心工程。水库围堤长约12 km，采用均质土坝，堤高8 m，蓄水深度6.5 m，库区面积10.9 km2，总库容6 568万 m3。按照规划，在年引水100天的条件下，每年可向渤海新区、海兴县及周边村镇等地区供水6 000万 m3。实现让沧州东部地区人民告别苦咸水、高氟水的多年梦想，同时作为一项重大基础设施工程，杨埕水库的建设将大大改善渤海新区的投资环境，推动沧州沿海经济的快速发展。
为确保大坝的安全运行，余2009年5月建立了杨埕水库围堤安全监测系统，用于及时而迅速地掌握和评价水库大坝的动态工况，监测项目包括大坝渗流监测(包括坝基扬压力、坝基和坝体的渗流压力、坝体的孔隙水压力)、建筑物的基础扬压力、水库上下游水位监测、库区降水量监测、环境温度监测等项目。在12 km大坝共布设6个大坝断面监测站和供水泵站、泄水闸、进水涵洞3个建筑物监测站，安装88支振弦式渗压计，全部选用北京基康仪器公司生产的BGK－4500S系列弦式渗压计。断面安装剖面布置图如图1所示。
图1 断面安装剖面布置图
2 振弦式渗压计简介
振弦式渗压计是埋设在水工建筑物、基岩内或安装在测压管、钻孔、堤坝、管道和压力容器里，用于测量孔隙水压力的专用仪器。其主要部件均用特殊钢材制造，适合各种恶劣环境使用。。标准的透水石是用带50微米小孔的烧结不锈钢制成，以利于空气从渗压计的空腔排出。特别是在完善电缆保护措施后，可直接在施工期埋设在杨埕水库的均质土坝中振弦式渗压计内部结构图如图2所示。
图2 振弦式渗压计内部结构图
3 振弦式渗压计安装
振弦式渗压计安装流程如图3所示。
3.1 初步检验及率定
首先对渗压计读数进行检查和记录。每支仪器都提供了率定系数，包括温度修正系数。采用过程可用来检查率定表(参照《土石坝安全监测技术规范》(SL 60－94))提供的率定系数。
1)浸透过滤器透水石，并在透水石和膜片之间的空腔里充满水。
2)用电缆将渗压计沉到测量孔的底部以测量实际深度。
3)让渗压计热平衡15－20分钟，用BGK408型读数仪记录该液面的读数。
4)将渗压计提升一个已知的高度，记录读数，计算这个系数，给出压力和读数的变化。与率定表中的值进行比较，必要时可重复这个试验。
图3 钻孔及孔隙水压力计安装流程图
3.2 创建零读数
每一只渗压计都需要得到一个精确的零读数(即初始读数)，而这个读数将用于随后的数据处理。一般来说，是在仪器安装之前(即未加压力时)读取的数值。
使渗压计的温度达到平衡，腔体达到水饱和，以保证渗压计能得到精确的零读数。要确保在读取零读数时记录温度和气压，以便必要时修正。
3.3 现场准备工作
传感器的质量是杨埕水库围堤安全监测系统的基础，传感器在安装前应做以下准备工作:
1)孔口高程测定;
2)传感器安装前应对照标定资料进行测读，并对传感器自带的电缆进行检查，无异常情况方可进行安装;
3)安装前将透水石煮至沸腾超过两小时，去除透水石内的气泡和油污，确保不影响透水效果;
4)测量坝基渗透压力的传感器应根据实际钻孔情况放至基岩面，其余传感器按设计高程进行安装;
5)传感器安装位置上下各填筑30～50 cm粗沙;
6)封孔采用干燥的膨胀泥球，每次封孔长度不得超过50 cm，同时用测绳悬挂重物轻轻夯打;
7)传感器在安装前、就位及安装结束时各测读一次，并做好记录;
8)传感器安装完毕对电缆头贴标签，并进行临时保护。
9)安装前，渗压计应一直浸泡在水中达到饱和，直到安装时为止。
3.4 钻孔安装
渗压计采用无套管的钻孔里直接安装方式，采用多支同孔安装，见图4，就要特别注意钻孔的密封。钻孔中安装时使用加厚的聚乙烯护套电缆。
钻孔孔径108 mm;清水钻进，严禁高压送水;成孔倾斜度≤1%，孔底沉渣≤20 cm。钻至渗压计预定位置以下15～30 cm，洗净钻孔，然后将孔的底部用干净的细沙回填到渗压计端头以下15 cm时，即可放入渗压计，将渗压计封装在一个砂袋里，保持干净。用水浸透砂子，然后放到位(在电缆上做标志)，仪器在这个位置时，再环绕渗压计周围放进干净的砂子，砂子可以放到渗压计以上5 cm，到了上述的“集水区”，用膨润土和适量的沙回填交替层约25 cm，然后用普通的土回填，如果在一个单孔里安装多支渗压计，膨润土与沙应回填到上部渗压计的下部，并以每两个渗压计之间的距离为间隔交替进行。在使用填塞工具时特别要小心，避免损坏渗压计的电缆。由于振弦式渗压计基本上是一个非流量仪器，所以其集水区不需要很大的尺寸，渗压计可以与大多数材质接触，因为这些材料的颗粒不能通过过滤器。
图4 渗压计安装示意图
3.5 电缆敷设及电缆沟开挖、回填
1)电缆沟截面尺寸:主沟沟底宽约20 cm，沟深70 cm以上，为开挖及回填方便，可放1:0.15～1:0.2的边坡，支沟底宽不小于20 cm，其它与主沟同;
2)挖沟出土置于沟边地势较低侧，留备回填用;
3)挖沟遇岩石可绕行或面上砌沟槽;遇陡坎坡或砌竖井(高差不得超过30 cm);
4)铺设电缆前应检查电缆沟是否达到所需尺寸;
4月22日，水利部抗震救灾前方领导小组成立临时党支部，由水利部抗震救灾前方领导小组组长、国家防办副主任李坤刚担任临时党支部书记。
5)所有电缆均需蛇形布置，防止个别部位电缆受力过大;
6)渗压计专用电缆铺设时应上下各铺设10～15 cm中细砂。通讯电缆及动力电缆全程加PVC管保护。所有电缆过沟、路处穿钢管保护;
7)所有电缆敷设完成后，应提供电缆走线图，并在坝面上做好标记以便检查。
因为渗压计的输出信号是频率，所以电缆电阻细微的变化、电缆的连接，不会影响读数仪对仪器的读数。用于连接的电缆应是高质量的100%屏蔽的绞合电缆(带有整体屏蔽的抗干扰芯线)。连接时，将屏蔽线接到一起并接到接地点。
3.6 故障排除
如果装置读数出问题，应采取以下步骤:
1)检查线圈电阻，正常情况下线圈电阻是 180±10Ω加上电缆电阻。(标准 22号规格的铜导线电阻:每 100 m约5Ω)。
a)如果电阻太大或无穷大，应怀疑电缆断路。
c)如果电阻正常而任何一个传感器都没有读数，就该怀疑是读数仪有问题。
d).如果所有的电阻都正常仅其中一个传感器没有读数，就应判定传感器有问题。
2)如果发现电缆是断路或短路，可按推荐的电缆连接步骤重新接上。
4 计算方法
1)当外界温度恒定，渗压计仅受到渗透(或孔隙)水压力时，其压力值P与输出的频率模数△F具有如下线性关系:
式中:△F为渗压计基准值相对于实时测量值的变化量，单位为F;k为渗压计测量压力量的最小读数，单位为KPa/F;F0为渗压计的基准值，单位为F。F为渗压计的实时测量值，单位为F;
2)当作用在渗压计上的渗透(或孔隙)水压力恒定时，而温度增加△T，此时渗压计有一个输出量△F′，△F′仅仅是由温度变化而造成的，因此在计算时应给以扣除。
实验可知△F′与△T具有如下线性关系:
式中:b为渗压计的温度修正系数，单位为KPa/℃;△T为温度实时测量值相对于基准值的变化量，单位为℃;T为温度的实时测量值，单位为℃;T0为温度的基准值，单位为℃。3)当渗压计受到渗透(或孔隙)水压力和温度的双重作用时，渗压计的一般计算公式为:
式中:Pm为被测渗透(或孔隙)水压力量，单位为KPa;B为渗压计的计算修正值。
注:若大气压力有较大变化时，应予以修正
［1］何勇军等.大坝安全监测与自动化.北京:中国水利水电出版社.2008.
［2］赵卫等.工程安全监测技术2006.北京:中国水利水电出版社.2006.
［3］郦能惠.土石坝安全监测分析评价预报系统.北京:中国水利水电出版社.2002.
TV697.1
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1004－1184(2012)03－0166－02
2012－01－09
刘长征(1978－)，男，河北海兴人，工程师，主要从事水利科研和水利自动化工作。
