葛洲坝集团试验检测有限公司 湖北宜昌 443002
摘要：为了解大坝地下水位和坝基产生的孔隙水压力，和大坝运行期间的渗流状态及坝身稳定，以确保大坝安全，需要进行孔隙水压力观测。我们通过对某水电站土石坝安装的安全监测仪器进行研究，并结合水库蓄水期间监测数据进行分析，绘制出库区水位和渗透压力之间的线性关系，得出渗压计在监测大坝渗透压力过程中存在时间滞后性，对安全监测数据分析具有参考价值。
关键词：安全监测 蓄水 渗透水压力 滞后性
0引言
某水电站大坝坝型为粘土心墙堆石坝，坝基铺设有5m垫层混凝土，坝底高程为965m，坝高54m，坝顶高程1019m，在大坝施工填筑期间，按照设计安装振弦式渗压计和立管式渗压计等安全监测仪器，目的是对大坝运行期间渗压渗流状态进行监测。
立管式渗压计是通过在坝体内垂直安装PVC管，利用电测水位计直接测量计算出坝后水位高程的监测设施，可以作为坝基渗透系数分析的依据。振弦式渗压计的压强变化是通过孔隙水压力或一些设备去激发的测量原理。当水库蓄水后，在水压力的作用下，水体可以通过岩石或土壤渗透并抬高仪器部位的水位，可造成渗透水压力改变，当库区水位稳定后，渗压计自身也会去达到压力均衡，所需的时间称为静水压力时间差。
1观测仪器布置
监测设备的布置是根据工程的重要程度、坝体尺寸、坝体结构、地质条件及施工工艺的情况确定。该水电站大坝坝轴线前、坝后和坝基均布置一个渗压计，在粘土心墙填筑碾压过程中，在心墙内下游不同高程均布置渗压计，坝后ZONE3区分别布置两个测压管，具体布置图如图1-1所示：
图1-1 某水电站大坝安全监测仪器布置图
2渗压计工作原理
振弦式渗压计可埋设在水工建筑物、基岩内或安装在测压管、钻孔、堤坝和压力容器里，测量孔隙水压力或液体液位的传感器。主要部件用特殊钢材制造，标准的透水石是用带50微米小孔的烧结不锈钢制成，有利于空气从渗压计的空腔排出，振弦式渗压计结构示意图下图2-1所示：
图2-1 振弦式渗压计结构示意图
振弦式渗压计中不锈钢膜片连接钢弦，当膜片上孔隙水压力变化时引起膜片位移，从而使钢弦张力和振动频率变化，测量钢弦振动频率的变化就可以计算出仪器承受的压强。
3 计算方法
振弦式渗压计型号选用BGK-4500S，该型号渗压计可兼测温度，压强计算方法采用厂家提供的计算方法，在得出渗压计受到的压强后根据安装高程可以换算成压力水头：
P=G×（R1-R0）+K×（T1-T0）
式中：
P─压力，MPa；
G─仪器率定系数，MPa/Digit；
K─温度修正系数，MPa/℃
R1─当前读数；
R0─初始读数；
T1─当前温度，℃；
T0─初始温度，℃。
4工程资料反馈分析
该电站水库从2017年10月19日 8：00首次蓄水，在10月23日 20：00完成第一阶段水库蓄水，历时五天，库区水位从975m达到990m；2018年1月26日 8：00开始第二阶段蓄水，在2月22日 20：00完成第二阶段水库蓄水，历时27天，库区水位达到1002m。由于黏土心墙内的监测仪器未监测到孔隙水压力，不作分析。我们仅对埋设在坝基的渗压计和坝后立管式渗压计监测数据进行分析。把水库蓄水前的数据作为基准值，渗透水压力水位过程线如下图3-1所示：
图3-1 渗透水压力水位过程线图
从图3-1渗透压力水位过程线图可以看出水库在蓄水后对监测仪器开始产生影响，随着库水位不断抬升，监测仪器部位的渗透压力和立管式渗压计观测到的水头开始增大，当库水位蓄水停止趋于稳定后，仪器的变化量逐渐减小并趋于稳定，第二阶段蓄水开始后，渗压计在更短的时间内反应出库区水位抬升。
库区水位首次蓄水至第一阶段蓄水结束，坝区内的安全监测仪器从图3-1可以明显看出渗透水压力水位过程线图变化趋势基本一致，我们对这段区间内监测数据进行统计如表3-1所示：
表3-1 电站水库蓄水期间渗透压力值
从表3-1该电站蓄水期间渗透压力值我们可以发现在水库蓄水初期，振弦式渗压计从2017年10月19日～2017年10月22日期间监测仪器数据有变化，但幅度较小，在2017年10月22日～2017年10月24日期间渗透压力值变化速度加快，在2017年10月26日变化趋势基本稳定；立管式渗压计安装在坝后，在蓄水初期对其影响较小，但是在蓄水期间未出现大幅增大水头的过程，且压力平衡时间较渗压计较短。
通过对监测仪器数据变化幅度看，水库蓄水开始，监测仪器并没有及时、直接地反应出库区水位抬升引起的渗透压力增大，而是在蓄水两天后才开始逐渐的激发仪器产生压力值变化，并且在水库蓄水位结束后的三天后这种压力才逐渐平衡，说明库水位对大坝坝基及坝后承受的静水压力观测是存在滞后性的。库水位和渗透水压力时间滞后测量时间典型曲线见图3-2：
图3-2 库水位和渗透水压力时间滞后测量时间典型曲线
我们结合渗透压力水位过程线图和水库蓄水期间各时间段渗透压力值表，又通过绘制出库水位和渗透压力的线性关系，更加清晰的验证了监测仪器测量渗透压力存在时间滞后性。
5主要结论
（1）通过对水库蓄水期间监测资料分析，利用渗压计和测压管监测地下水位存在时间滞后性；
（2）渗透压力时间滞后主要取决于土壤或岩石的渗透性和渗压计的类型、尺寸及孔隙水压力的变化。首次蓄水时间滞后于第二阶段蓄水，跟部分山体、坝基岩石并不完全饱和有关，阻滞了部分压力传导。
（3）压力的均衡所需的体积流对渗压计钢膜作用是极其小的，静水压力滞后性时间是很短的。
（4）开放式的立管式渗压计，可以减少时间滞后，通过提供较大面积的进水区域和减少立管的直径，从而可以减少压力平衡所需要的流量。
（5）在大坝上布置埋设安全监测仪器是可以在水库运行期间观测到坝体渗透水压力数据变化的，对大坝坝身稳定性提供有价值的数据参考。
（6）技术创新安全监测仪器及提高监测施工工艺，可以降低仪器产生时间滞后性的影响，为大坝地下水位渗流监测提供更加科学、精准的数据。
参考文献：
[1]SL 169-96 土石坝安全监测资料整编规程，1996
[2]SL 60-94 土石坝安全监测技术规范，1994
[3]DL/T 5209-2005混凝土坝安全监测资料整编规程，2005
[4]EM 1110-2-1908 U.S.Army Corps of Engineers，30 June 1995
[5]BGK-4500S振弦式渗压计 安装使用手册（REV.C）
论文作者:张成阔,张新源,侯杰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/9/17
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