大坝安全监测：振弦式渗压计

一、简介

振弦式渗压计适用于长期埋设在水工结构物或其它混凝土结构物及土体内，测量结构物或土体内部的渗透(孔隙)水压力，并可同步测量埋设点的温度。

二、特点

振弦式渗压计加装配套附件可在测压管道、地基钻孔中使用，渗压计为全不锈钢结构，24×120mm的灵巧体积，可方便放置在需要测量的狭小部位。振弦式渗压计具有参数识别功能。

注：频率模数F=Hz2×10-3

三、结构及工作原理

3.1结构

振弦式渗压计由透水部件、感应膜板、观测电缆、振弦及激振电磁线圈等组成。

3.2工作原理

当被测水荷载作用在渗压计上，将引起感应膜板的变形，其变形带动振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出水荷载的压力值。同步测量埋设点的温度值。

四、计算方法

a) 当外界温度恒定，渗压计仅受到渗透(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：

P = k×△F

△F = F0 - F

式中：P—渗压计的测量值，单位为KPa；

k—渗压计的测量灵敏度，单位为KPa/F ；

△F—渗压计基准值相对于实时测量值的变化量，单位为F；

F—渗压计的实时测量值，单位为F；

F0—渗压计的基准值，单位为F。

b)当作用在渗压计上的渗透(孔隙)水压力恒定，而温度增加△T，此时渗压计有输出量△F´，这个输出量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：

P´= k×△F´+b×△T = 0

K×△F´= -b×△T

△T = T - T0

式中：b—渗压计的温度修正系数，单位为KPa /℃；

△T—温度实时测量值相对于基准值的变化量，单位为℃；

T—温度的实时测量值，单位为℃；

T0—温度的基准值，单位为℃。

c) 当渗压计受到渗透(孔隙)水压力和温度的双重作用时，若大气压力有较大变化时，应予以修正,渗压计的一般计算公式为：

Pm = k×△F + b×△T + △Q = k×(F0 - F) + b×(T - T0) + (Q0-Q)

式中：Pm—被测渗透(孔隙)水压力值，单位为KPa；

Q0—大气压力测量基准值，单位为KPa；

Q—大气压力实时测量值，单位为KPa。

d) 渗压计水位高程计算公式为:

Hm = ((k×(F₀-F) + b×(T-T₀))/9.81)+ H

H—渗压计安装高程m。

五、埋设与安装

渗压计是用于测量土体中的孔隙水压力，岩体和混凝土内的渗透水压力，埋设应按设计要求进行测点的布设，根据被测结构物的结构特点采取相应的埋设方法。

5.1安装前的准备

渗压计在安装之前，应先进行检测，合格后方可安装。

渗压计透水板的浸饱和：渗压计的透水板有一定的密度，压力水要透过透水板作用在感应膜上，如果透水板与感应膜之间的储水腔没有充满水(含有气泡)，将会造成渗压计测值的严重滞后。

在埋设前渗压计的透水板与储水腔必须驱除空气，具体操作方法：先将透水板部件从渗压计本体上拔下，然后将透水板部件放入水中浸泡2小时以上，排除透水石中的气泡，使其充分饱和，然后将渗压计与透水板部件浸没在水中重新装配起来。

5.2混凝土中的埋设(图1)

当混凝土浇筑层达到渗压计设计要求埋设高程，在埋设位置的基面挖一个深30cm、直径20cm的坑。在坑内铺填中细砂，将预备好的渗压计放在孔内中细砂中，再用中细砂填满，观测电缆按设计走向引出，浇筑混凝土。

5.3基岩中的埋设(图2)

在要埋设的基岩位置钻一个孔深100cm、孔径5cm的集水孔。钻孔经过渗透水试验合格后，在孔内铺填中细砂，将预备好的渗压计放在孔内中细砂中，再用中细砂填满，观测电缆按设计走向引出，浇筑混凝土。

5.4隧道和边坡上埋设(图3)

在将埋设渗压计的部位钻孔，钻孔深度20cm～30cm，如孔中无透水裂隙，可在孔底套钻一个小孔以便集水。经渗水试验合格后，在小孔内填入细石，在孔内填入中细砂，将渗压计放在中细砂中，用中细砂将孔填满。将渗压计接长的观测电缆按设计走向蛇形引出，即可用水泥沙浆封堵。

5.5混凝土坝基下的埋设

在坝基的混凝土底板下埋设渗压计时，应先钻孔，测量孔深，清理钻孔。安装埋设前，先将渗压计装入透水沙包中，包中装中细砂，或用透水土工布包裹。

在渗压计安装的下部倒入中细砂，将装有渗压计的砂包吊入孔中。如孔太深，砂包及电缆自重超过电缆强度时，应用钢丝吊住渗压计的尾部横孔，并把电缆绑在钢丝上进行吊装，这样可以避免电缆损坏。

渗压计安装就位后应及时测量，确认渗压计是否完好，向孔中填入中粗砂，同时向孔内灌水，使孔浸水饱和，测孔上部浇筑混凝土。

如果需要分层观测渗透水压力时，可在一个孔内埋设多支渗压计，埋设方法则是逐级重复上述过程，注意做好相邻渗压计之间的封闭隔断。

5.6土石坝施工期的埋设(附图5)

土石坝中埋设渗压力计可采用坑式埋设法，当坝面填筑高程超出测点埋设高程约0.3米时，在测点位置挖坑深约0.4米，用透水布和砂包裹住渗压力计放入坑中。回填原位土，细心压实，埋设有渗压计的地方其上的碾压安全覆盖厚度应大于1米。

渗压计的观测电缆沿坝面开挖沟槽敷设，当横穿防渗体时，应加止水环。当在堆石坝内敷设时，应加保护钢管。观测电缆在敷设时必须留有裕度，蛇形走向，禁止相互交绕。

5.7土石坝的埋设

已建工程埋设渗压计，应采用钻孔埋设法，钻孔孔径，依该孔中埋设的渗压计数量而定，渗压计越多孔径越大，单孔可采用￠80～100mm的孔径。钻孔孔深要比渗压计设计埋设高程深40cm以上，成孔后应在孔底灌入粗砂，用透水布和砂包裹住渗压力计放入孔中其上铺设中细砂，如下图。

渗压计埋设后在封孔前，应及时进行测试，一旦发现异常现象，及时处理重新埋设。

5.8选取基准值

渗压计的测量值为实时测量值相对于基准值的变化量，所以基准值选取的准确与否，将直接影响到测值的准确性。

在外荷载变动不大选取相同时间、稳定气温的3次相近的读数，经平均后做为基准值，渗压计安装在混凝土中应选取水化热过后的测值。基准值选定后应做好记录，作为计算的基准值。

为使基准值取的更准确，可将以上操作重复进行两次，如果两次测值基本相同(误差≤0.5％F.S)，则证明基准值取值正确。

渗压计的测量值出现偏差时，可用以上方法重新校准基准值。