大坝内部观测水管式沉降仪故障分析及处理

史训邦

（余姚市梁辉水库管理局，浙江 宁波 315403）

1 工程概况

梁辉水库位于浙江省余姚市梨洲街道境内，距余姚市中心约6km。主流梁辉大溪属甬江流域姚江水系，是一座以防洪、供水为主，结合发电、水产养殖等综合利用的中型水库。

枢纽工程由拦河大坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞和电站组成。拦河大坝坝型为钢筋混凝土面板堆石坝，是我国最早建成的直接建造在深厚覆盖层上的现代混凝土面板堆石坝之一。水库集水面积35.06km2，总库容3.15×107m3，坝高35.40m，坝顶宽7.00m，上游钢筋混凝土面板厚0.35m，下游干砌块石护坡，上、下游坝坡均为1∶1.4。工程于1993年9月开工，l997年4月下闸蓄水，1998年10月竣工，1999年6月通过竣工验收，工程质量评定为优良。

梁辉水库混凝土面板堆石坝的原型观测主要包括变形观测和渗流观测。其中，变形观测坝体内部竖向位移共计8个测点，布置在0＋159m断面分3层埋设，高程13.0m布设SG1、SG2二个测点，高程26.0m布设SG3、SG4、SG5、SG6四个测点，高程36.0m布设SG7、SG8二个测点，每层测点对应观测房高程为12.0，25.3，35.6m （见图1）。

图1 测点布置剖面图

2 水管式沉降仪的结构和工作原理

水管式沉降仪主要由沉降测头、排水管、通气管、连通管、供液系统、测量管等组成，沉降测头和连通管路埋在坝体内部，供液系统、测量管、通气口、排水口安装在坝体外部的观察房内，结构见图2。

水管式沉降仪的工作原理是连通器的原理，在相同的大气压力下，管两端液面在同一水平面上，知道一端液面的高程便可确定另一端液面的高程。可以计算出不同时段坝内某点的高程差，从而确定坝体内部某点在不同时段的沉降量。

沉降测头内部空腔通过通气管与大气相通，使进水竖管杯口与测量管液面为同一个大气压力，连通管两端口（沉降测头进水竖管杯口与测量管液面）保持在同一水平面上，当观察房内读取测量管液面高程时，便可知沉降测点的液面高程。其计算公式为：

S＝Si－S0＋△S

式中：S为各测点累计沉降量，mm；S0为首次观测时的读数 （初始值），mm；Si为第i次观察时的读数，mm；△S为观察室基础地平沉降量，mm。

图2 水管式沉降仪结构示意图

3 故障及成因分析

随着坝体的沉降变形，沉降测头和连通管路也发生相应的沉降。连通管路长从几十米到几百米不一，当坝体发生不均匀沉降时，连通管路可能发生弯曲、折断、接头脱落等故障。供液系统内的水也可能发生变质、沉淀引起管路堵塞而破坏仪器的正常工作。产生故障的原因可能有：

3.1 连通管系统故障

连通管系统由沉降测头进水竖管、连通管和测量管组成。连通管在正常情况下两端分别与沉降测头进水竖管和测量管紧密连接，应无渗漏，管内充满无气泡纯水。当连通管渗漏或接头脱落时，系统内存不住水，测量管将无法获得稳定的液面；当管内有气泡时，测量结果将产生误差。当连通管堵塞时，其两端液面不能保持在同一水平面，测量无意义。

3.2 通气管故障

通气管在正常情况下应为无水或其它杂物阻塞的畅通空管，是沉降测头内腔体与大气的通路，若该管阻塞或脱落，沉降测头内腔不能与大气相通，连通管两端不在相同的大气压力下，两端液面不在同一水平面，测量无意义。

如果通气管严重堵塞，沉降测头内部空腔不再与大气相通，形成一密闭空间，其压力不再是大气压力。由于排水口低于沉降测头，在排水管内之水重力作用下，沉降测头内部形成局部真空。其真空度大小取决于排水口与沉降测头的高差大小。在该真空力的作用下，测量管、连通管的水被吸入沉降测头，从排水管排出，此时不管从测量管加入多少水，最终都会从处于低处的排水口排出，直至测量管液面降至与排水口同一高程时达到平衡。此时测量管液面已降至读数范围之下，看不到自由液面，仪器无法工作。

3.3 排水管故障

排水管为沉降测头的排水通道，不能有堵塞或脱落现象。若该管阻塞或脱落，沉降测头内的水不能及时排出，仪器不能正常工作，即使测量管形成稳定液面，该数据也不能采信 （按操作规程每次测量时，给测量管加一定量的水，待排水管出水且测量管液面稳定后才能读数）。如果排水管堵塞，测量管继续加水，使沉降测头内水面不断上升，直至通气竖管杯口，最后沉降测头内高于通气竖管的水经过通气管排出，沉降测头上部空腔不再与大气相通，其液面不再是自由液面。此时测量管、连通管、沉降测头、通气管等整个系统相当于中段留有气泡的一整根水管，不管从高端的测量管加入多少水，最终都会从低处的通气口排出 （其结果与通气管堵塞类似），直至测量管液面降至与通气口同一高程时达到平衡。测量管液面降至读数范围以下，看不到自由液，仪器同样无法工作。与通气管严重堵塞的区别在于通气管严重堵塞时水从排水管排出，排水管堵塞时水从通气管排出。

3.4 仪器本身缺限

水管式沉降仪常见仪器本身的缺限—沉降测头竖管卷缝开裂渗漏。在仪器管路畅通，排水顺利，管路无异常的情况下，测值异常，液面稳定时间延长，沉降突然变大，与附近正常仪器测试结果相背离等，很可能是该故障造成的。但是随着时间的推移，竖管卷缝表面氧化，水中杂质或胶体离析附着于卷缝中，使卷缝慢慢堵塞，有可能又恢复到竖管卷缝开裂渗漏前状态。该故障在实际运行中较常见。

4 故障分析及处理办法

4.1 故障分析

2013年10月7日受 “菲特”台风影响，梁辉水库位于12.0m高程的观察房被淹，10月13日抽干观察房积水，水管式沉降仪SG1、SG2液面降至测量管底部以下，无法读取数据。而且不管从测量管内加入多少水，最终都从排水管排出。

根据本文第3节 “故障及成因分析”结合本案例 “液面降至测量管底部以下”， “不管从测量管内加入多少水，最终都从排水管排出”的实际，得出本案例故障点为 “通气管严重堵塞”。

找到故障点后，为了确定故障排除办法，必须进一步分析造成该故障的原因，如堵塞原因、堵塞物属性、堵塞部位等。

此次故障在观察房被淹后发生，观察房被淹前仪器工作正常。根据这次被水淹而发生故障的实际，故障原因分析如下：

由于观察房淹没高程大于SG1、SG2埋设高程，在观察房水淹过程中，水从排水管倒灌至沉降测头直至通气竖管杯口，淹没水位继续上升，沉降测头内部水通过通气竖管、通气管、再从通气口排出，原本畅通的通气管被水充满。观测房积水排除后，在通气管和排水管内水重力的共同作用下，沉降测头内部空腔形成真空。测量管内水被吸入沉降测头，再经排水管排出，直至测量管液面降至与排水口同一高程时达到平衡，造成液面降至测量管底部以下，无法读取数据。而且不管从测量管内加入多少水，最终都从排水管排出的现象。此时原本因该无水或其它杂物阻塞的畅通空管的通气管被水阻塞，沉降测头内部空腔与测量管液面不在同一个大气压力下而发生故障。

根据上述分析，故障处理的目的是清除通气管和沉降测头内积水，保证通气管通畅，使连通管两端处在相同的大气压力下，沉降测头内进水竖管杯口建立自由液面。

4.2 处理方法

根据分析，通气管阻塞物为水，只要没法在通气管一端作用一个力，使通气管内水排出，保证通气管畅通即可。在通气口接上打气筒，用人工向通气管缓慢打气 （防止打爆管路），保持排水口有缓慢水流排出，直到积水排尽排出空气，再快速打气，排除通气管积水，保证通气管畅通，同时排除沉降测头内部积水。顺便拆下连通管与测量管接头，堵住排水口，继续打气，排除连通管积水及杂质，疏通连通管。至此3条管子全部疏通。拆除打气筒、排水管堵头，恢复连通管与测量管连接。

经过上述处理后，给SG1、SG2的测量管缓慢注水测试，经过约2h后SG1、SG2先后建立稳定液面，读数与水淹前基本相符，故障消除。

5 结 语

本文分析了水管式沉降仪的结构和工作原理，在实际工作中得到应用，取得了满意的结果，为大坝安全运行提供了保障，可供其他土石坝内部水管式沉降仪运行管理参考。