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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。土坝的渗流问题分析-土坝的渗流问题分析及其控制措施和监测技术前言：渗透破坏是土石坝坝体的常见病害,设计一套可靠的渗流监测系统是保证土石坝坝体安全运行的必备措施。土石坝浸润线位置的高低是影响坝体渗透稳定和抗滑稳定的最重要的因素之一。对于土石坝渗透水溢出点的渗透坡降较陡时,坝坡就会发生流土、管涌,甚至滑坡、垮坝。科学地对土石坝进行渗透监测,为水库安全运行、坝体安全稳定提供科学依据。摘要:土坝破坏来源于水和其它外力的侵袭以及土体强度的不足,其中渗流产生的坝体破坏占有较大比例,且造成的后果极为严重。通过土石坝产
2、生渗流破坏的现象分析,掌握其发展规律,利用地质勘探合理确定的边界条件,有针对性地选择土石坝的渗流控制设计方案。关键词:土坝渗流破坏基本内容控制措施渗流问题的重要性防渗加固渗透破坏渗流监测渗流监测布设技术在水利工程中,地表水的冲刷破坏常会引人注意,也比较容易发现和挽救，而地下水的冲刷目不能见,常被忽视,有时问题一经发现,会立即导致工程的破坏,难以补救。因此，一般水利工程受地下水渗流冲刷破坏者常比地表水冲刷破坏者为多,而堤坝渗流的问题更为严重。据米德布鲁克斯调查统计美国206座破坏的土坝中,由于渗漏管涌破坏者占39%,由于漫顶破坏者占27%,由于滑动及沉陷裂缝者占18%,由于反滤料流失、块石护坡下
3、没有滤层、坝端处理不好、波浪和地震等原因破坏者占17%,由此可见渗流破坏作用的严重性。我国在20世纪90年代初的统计资料,全国存在渗漏问题比较严重的大型水库有132座,遍及各省,其中土石坝渗漏的就有106座,约占80%。1.土坝的渗流破坏土石坝破坏来源于水和其它外力的侵袭以及土体强度的不足。原因不同,发生的现象也有不同，除去坝端三向浇渗破坏和漫顶溢流垮坝者外,从土坝剖面上看，问题主要如图1：图1所示几种状况,并且分别说明如下:图a是砂层地基的承压水顶穿表层弱透水粉质壤土或淤泥的薄弱环节,发生局部集中渗流形成流土泉涌现象,并继而向地基的上游发展成连通的管道。此时如果大管涌道失去拱的作用,堤坝即裂
4、缝下沉而破坏,严重者还会在临水侧坝脚附近引起水流旋涡。对于土坝上游黏土铺盖的裂缝失效以及河堤临水侧的河水淘刷等不利因素,均能加速破坏。图b是背水坡脚大面积发生小泉涌的砂土沸现象,使坡脚软化或受浮力后失去支承力而引起大滑坡,如图1所示的大圆弧所示。发生砂沸软化的来水可能是砂基的承压水,也可能是沿弱透水覆盖层上面较透水薄层粉土渗过来的表层水。图c是由于堤坝本身或地基的渗流,外部出口处的管涌开始逐渐将细粒带走,直至坡面破坏。如图所示,浸润线出渗点处的土粒首先被冲蚀沿坡面向下移动堆积于坡脚,逐渐在坡面形成局部凹陷和小沟;或者沿坝底接触面、坝体内的较透水薄层以及沿输水管外壁接触面形成集中渗流通道造成冲蚀
5、破坏。图d是由于库水位骤降时孔隙水压力而发生滑坡,多在下降水位的附近坍滑。如果临水侧受河水淘刷,就更容易造成滑坡。图1土坝坝坡破坏示意图2.渗流分析方法土石坝的渗流是一个比较复杂的空间问题,但在工程设计中常将其简化为平面问题处理。土石坝渗流计算方法主要有解析法、手绘流网法、实验法和数值法等。解析法分流体力学法和水力学法,前者立论严谨,但只能用于某些边界条件较为简单的情况。水力学法计算简易,精度可满足工程要求,得到了广泛的应用。手绘法是一种简单易行的方法,能够求渗流场内任一点渗流要素,并具有一定的精度,但在渗流场内具有不同土质,且其渗透系数差别较大的情况下较难应用。遇到复杂地基或多种土质坝,可用
6、电模拟实验法,它能解决三向问题,但需一定设备,且费时较长。近年来数值法在土石坝渗流分析中得到了广泛应用。此种方法可以计算不稳定渗流和较复杂的渗流问题。3.渗流控制基本内容渗流问题的外观主要是建筑物及其地基与侧岸的破坏和漏水,重点是土的渗透破坏或渗透变形,而引起破坏的内在因素则是渗流水的作用。因此需要通过试验计算或探测来查明渗流场的分布,或者结合不同建筑物类型和发生渗流问题的部位,着重探明下列的水力因素:3.1渗流水头线对于坝基的有压渗流,需要知道建筑物地下轮廓线的水头分布或浮托力,以便核算土坝的稳定性;确定下游出口处截墙或板桩下端的水头,核算出口处该深度地基土是否有发生局部流土的危险。对于土坝
7、岸堤无压渗流,则应知道浸润线位置和坝体内的渗流压力分布,以便核算坝坡的稳定;利用土坝下游排水设备降低浸润线使其离开下游坝坡有足够的距离,防止冰冻;确定坝基防渗铺盖和斜墙或心墙的沿程水头损失,用以核算设计适宜的长度和厚度。为了防止水库下游和堤防背水坡土地的盐碱化,还应核算下游农田地下水位升高的位置。3.2渗流坡降由上述的水头分布,很容易得出渗流坡降或流速以及渗透力,首先应该考虑最大渗流坡降,检验是否会发生内部管涌影响地基的稳定;对于粗细粒两层土交界面以及和闸坝基底接触面上,为避免接触渗流冲刷或细粒的流失,还应知道接触面的渗流坡降或流速;自然,穿过黏土防渗铺盖或斜墙、心墙、截墙等构件的渗流坡降也应
8、求出,以便核算这些构件的抗渗强度是否满足。有时还得确定坝体内的渗透力,以便核算坝坡稳定性。3.3渗流量计算下游排水设备的渗流量,作为核算排水设施尺寸的参考。有时需要知道穿过透水地基和坝的渗流量以便估计水库的漏水损失或施工基坑排水设备容量。控制渗流量,使漏水量最小;但在最大经济效益的原则下,也允许增大渗流量。4.防渗加固措施渗流控制方案的选择,依赖于工程地质和水文地质条件,针对不同地质条件采用相对的控制措施。透水层不深小于1015m时,宜采用垂直防渗。透水层很深大于1015m时,当漏水量不重要可以用水平防渗。较深的强透水砂砾石地基,而且防止水库漏水要求较高时,可在坝基进行灌浆防渗或垂直防渗墙;如
9、果灌浆帷幕抗渗强度或防漏程度不够,也可采用与上游铺盖相结合的防渗措施。双层地基应尽量利用和整修上游的天然覆盖层,如果深河槽局部覆盖层已被冲刷,尚应以人工铺盖填补足够长度。下粗上细的冲积层,在透水性显著加大时,下游排水设备也宜设置竖井,竖井通至强透水的下层。土石坝防渗加固措施一般分为垂直防渗与水平防渗两大类措施。垂直防渗是加固工程中十分常见的防渗处理措施。对于透水地基,垂直防渗与水平防渗措施相比,截流效果更显著。下面重点介绍几种常用的垂直防渗措施。4.1混凝土防渗墙混凝土防渗墙是利用专门的造槽机械设备营造槽孔,用导管在槽孔中浇筑混凝土,形成一道连续的防渗墙体。混凝土防渗墙墙体材料有普通混凝土、粘
10、土混凝土和塑性混凝土等。成槽方法有多种,常用的有钻劈法、钻抓法及铣削法等。混凝土防渗墙施工工艺属置换式防渗墙,即先造槽,再浇筑混凝土,墙体性能好,质量可靠;地层适用性广,无论是砂土、砂壤土、砂砾石层和砂卵石层均可以造槽成墙。但施工速度较慢,造价较高,废浆液排放量大,易造成环境污染。4.2薄壁混凝土防渗墙4.2.1射水法薄壁防渗墙射水法是利用水泵及成型射流的冲击力破坏土层结构,水土混合回流溢出地面,同时利用卷扬机操纵特制的成型器具不断上下冲动,进一步破坏土层,切割修整孔壁,形成有规则的槽孔,随后浇筑混凝土或塑性混凝土,或灌注各种柔性砂浆、铺设防渗土工膜,形成一个完整的防渗墙。适用于砂性土、淤泥质
11、土、粘性土、粉土,并能穿过砂卵石层,成墙深度可达30m。成墙宽度2245cm。由于该工法简单,设备搬运灵活,地层适应性广,施工成本在射水、液压抓斗和拉槽3种工法中最低,一次性投资较小,因而,在防渗墙施工中得到广泛应用。4.2.2薄型液压抓斗薄壁防渗墙薄型液压抓斗防渗墙采用分序抓取法,抓取时采用泥浆固壁,浇筑采用泥浆下直升导管法。液压抓斗适用于软土、砂砾土和强风化岩地层,满斗率较高,效率高,其运行费用低,配有测斜纠偏装置,能够保证槽孔的垂直度符合规范要求,成墙质量有保证,但一次性投入较大,施工成本较高。4.2.3拉槽法防渗墙拉槽法是采用拉槽机进行连续拉槽造孔,分段隔离浇筑成墙的一种施工方法。拉槽
12、法适用于淤泥质土、砂性土、松散的粘性土以及直径10cm的砂卵石层中成墙,最大成墙深度达25m。拉槽法防渗材料水下浇筑可采用34管浇筑,一次浇筑槽段长度可达12m以上。成墙墙体连续性好,施工工效高。4.3深层搅拌连续墙深层搅拌连续墙是通过深层搅拌机将水泥浆喷入坝体并搅拌均匀,经过一系列水化离子交换与硬化等反应,形成多桩搭接且有一定强度和抗渗能力的防渗墙。深层搅拌桩机有单头和多头之分,多头小直径桩机工效较高,一次成墙长度较长,而且一次成墙的桩之间不会出现底部分叉现象,提高了墙体的连续性和完整性。深层搅拌法水泥土防渗墙主要适用于在砂类土、淤泥质土以及承载力,150kPa的粘性土和粉土,成墙深度20m
13、。成墙质量可靠,如墙厚、墙段连接、墙体均匀性及各项性能指标均能满足设计要求，工效高、工期短，利用原土注入水泥可就地搅拌,施工造价较低,对环境污染轻。4.4高压喷射灌浆防渗墙高压喷射灌浆就是利用钻机造孔,然后把带有喷头的灌浆管下至土层的预定位置,用高压设备把压力为2030MPa左右的高压射流从喷嘴中喷射出来,用该射流冲击和破坏地层土体,并与灌入浆液掺混,在土体中形成固结体。喷浆方法有为定喷、摆喷和旋喷。高压喷射灌浆防渗适用于软弱土层砂类土以及砂卵石地层。施工质量可靠,浆液的浓度、凝结体的强度及渗透性等可根据地层特点,加以控制和调整;可灌性好,其可灌性和影响范围超过了一般的注浆效果;施工简便,施工
14、时只需钻小孔(如孔径110mm),即可获得较大的凝结体和较厚的板墙。4.5垂直铺塑防渗垂直铺塑防渗是利用开槽铺塑机,在坝体或坝基内开出一定深度的连续沟槽,并同步在沟槽内铺设塑膜和填以设计要求的回填料。经过填料的析水固结后,形成以塑膜为主要幕体材料的复合防渗帷幕。具有无接缝、整体连续性好、防渗效果显著、适应变形能力强等优点。4.6冲抓套井防渗冲抓套井回填粘土防渗墙是利用冲抓式打井机具,主要在土坝或堤防渗漏范围造井,用粘性土料分层回填夯实,形成一连续的套接粘土防渗墙,截断渗流通道,同时在夯锤夯击回填粘土时,对井壁的土层产生挤压,使其周围土体密实,以提高坝体质量,从而起到防渗和加固的目的。主要机械设
15、备为冲抓机,配有抓瓣式钻头和马蹄式夯锤。冲抓套井防渗施工机械设备简单,对施工场地无特殊要求;防渗效果好,套孔回填的粘土经过夯实后,干密度增大,渗透系数减小;可就地取材,充分利用当地的粘性土料,工程成本低;当工期紧时,增加机械设备,多开工作面,可以大大缩短工期;对于坝体局部漏水和坝坡湿润处理迅速,可以收到立竿见影的效果。4.7振动沉模防渗振动防渗墙技术是利用强力振动原理将空腹模板沉入土中,向空腹内注满浆液,边振动边拔模,浆液留于槽孔中形成单块板墙,将单板连接起来,即形成连续的防渗墙帷幕。主要适用于松散的软基地层,从粘性土到层厚较薄的砂卵石层，处理深度20m。墙体质量好,搭接可靠,防渗性能良好;施
16、工效率较高,工效为400800m2/d;所需的材料属一般性材料,造价较低。4.8各类灌浆施工方法(1)水泥帷幕灌浆。水泥帷幕灌浆是用水泥浆液灌入岩体或土层的裂隙、孔隙,形成阻水幕,以减小渗流量或降低扬压力的灌浆。水泥帷幕灌浆通过对坝基钻孔、裂隙冲洗、压水和灌浆,可以了解基岩的透水性能,提高灌浆效果,进行有效的防渗处理;机械设备简便,施工技术成熟,容易取得理想的防渗效果。(2)劈裂式灌浆。劈裂式灌浆是运用坝体应力分布规律,用一定的灌浆压力,将坝体沿坝轴线方向劈裂,同时灌注合适的泥浆,形成铅直连续的防渗粘土墙,堵塞漏洞、裂缝或切断软弱层,以提高坝体的防渗能力,同时通过浆、坝互压和湿陷,使坝体应力重
17、新分布,提高坝体变形稳定性。劈裂式灌浆具有造价低、省工、效果显著和就地取材等优点。(3)化学灌浆。化学灌浆是将浆液灌入裂缝内部并在硬化后具有一定的粘结强度,能较好地恢复混凝土结构的整体性,起到固结、防渗、改善应力传递以提高承载和抗变形能力的方法。化学灌浆具有较好的可灌性,施工工艺要求严格,施工时要做好防护工作;浆液的胶凝时间可根据需要进行调整和控制。主要适用于地层裂隙与孔隙较小或防渗和加固要求较高,颗粒状材料不能灌入,渗漏水流速较大,其它灌浆材料不能封堵的情况。化学灌浆与水泥灌浆相比，其缺点包括：施工不便，需要较多的辅助材料及设备、需要较专业的施工人员、造价高、耐久性差、有一定毒性及对环境有一
18、定影响等。这些因素导致现在化学灌浆应用较少。5渗流监测布设技术5.1扬压力主要对土石坝中的浆砌块石坝进行扬压力观测。5.1.1坝基(1)观测横断面。横断面的位置和数量取决于坝的地质条件、结构型式、规模大小及工程等级等因素,应选择在最大坝高、不同结构型式、有无横向基础排水廊道及地质条件复杂坝段。每个横断面的测点数量一般是25个。(2)观测纵断面。一般在灌浆帷幕和第一排排水孔的下游侧或排水幕线上。纵断面每个坝段应布置一个观测点,坝基条件复杂可适当增加。5.1.2坝体(1)观测断面。主要选择在靠近坝基的施工分层工作缝上,断面位置一般与坝基扬压力观测横断面相结合,数量宜为13个。(2)观测点。一般将测
19、点布置在靠近坝基处的坝段中心部位且处在坝面排水孔之间。5.2渗流压力主要对土石坝中的土石坝进行渗流压力观测。其中坝基渗流压力包括坝基天然岩土层、人工防渗设施和排水系统等关键部位渗流压力分布情况。5.2.1坝基(1)观测断面。观测横断面一般布置在能控制主要渗流情况和预计可能发生问题的部位。观测横断面的数量取决于工程重要等级和场地工程地质条件。观测横断面宜顺流线方向布置,并尽量与坝体渗流压力观测断面相结合。(2)观测点。对均质透水坝坝基铺盖的防渗效果及坝基内部管涌和外部流土是监测重点;对于采用截水墙的防渗坝体,宜在截水墙内的上部和底部各增设一个监测点。5.2.2坝体(1)观测断面。土石坝坝体渗流压
20、力观测包括确定断面上的压力分布和浸润线位置。观测断面布置宜选在最大坝高处、合拢段、地形或地质条件复杂坝段。(2)观测垂线。根据坝型结构、断面大小和渗流特性,在观测横断面上,布设34条观测垂线。均质坝按其流网特点可分为上游坝肩以左的上游楔体区和以右的梯形区,一般在楔体区布设2条,其中一条在坝肩;梯形区最少布设2条,其中1条在排水棱体前缘。心墙坝一般在心墙内布设12条,另在心墙下游和排水棱体前缘各布设1条(见图2)。图2渗透监测点纵断面布设示意图1.观测垂线；2.测点；3.浸润线；4.排水棱体；5.等势线5.2.3观测点根据坝高和需要监测的范围以及渗流场特征,并考虑便于通过流网分析确定浸润线位置,
21、在观测垂线上分别布置13个测点。5.3渗透技术参数测量5.3.1孔隙压力对土石坝及其防渗体内进行孔隙水压力观测可方便掌握饱和土及饱和度大于95%的非饱和粘土在固结过程中产生的孔隙水压力的分布和消散情况。监测布置。宜布设于最大坝高、合拢段、坝基地形复杂处,一般设置12个观测断面。观测点布设以能测绘孔隙水压力等值线为原则(见图3)。图3测压管监测点布设示意图1.测点；2.均质坝；3.测压井；4.排渗棱体；5.坝基5.3.2绕坝渗流在土石坝两岸坝肩及部分山体,土石坝与岸坡接触面以及伸入两岸山体的防渗齿墙等关键部位需进行绕坝渗流监测。监测布置。在土石坝两端沿流线方向或渗流集中的透水层各设12个观测断面
22、,每个断面设置34条垂线,每个垂线布设12个观测点。(1)监测布置。一般在下游坝趾附近能汇集渗流的地方设导渗沟,并在导渗沟出口布置量水堰观测水量及水质。在渗流量分区时,可按不同地段进行设计分区进行渗流量观测。(2)观测方法。流量小于1L/s采用容积法;流量在1300L/s采用量水堰法;流量大于300L/s时应将渗流水引入排水沟,采用流速仪法。对人工采集的水样可采用物理、化学分析方法测定其指标,判明其污染程度。5.4观测设备与技术5.4.1变形监测变形观测主要是监测大坝本身及局部位置随时间的变化，即确定测点在某一时刻的空间位置或特定方向的位移，可分为水平位移监测和垂直位移监测。目前，水平位移监测
23、自动化主要采用垂线法、引张线法及真空激光准直法；垂直位移监测自动化有真空激光准直法和静力水准法，近年还出现了采用GPS或全站仪实现水平位移监测和垂直位移监测自动化的例子。目前，在国内工程中使用的新型步进式变形监测仪器STC-50型坐标仪、SWT50型引张线仪反映效果良好。5.4.1.1测垂线坐标仪随着传感技术进步，遥测垂线坐标发展到CCD式和感应式垂线坐标仪。如采用差动电容感应原理的电容感应式遥测仪，当测点相对于线体垂直方向发生位置变化时，则差动电容比值随之发生变化，通过测量电容比，测出垂直方向的位移。电容感应式坐标仪技术先进、结构简单、测量精度高、长期稳定性好、成本低、防水性能优越，适用于环
24、境较恶劣的大坝。目前世界上具有研制并生产电容感应式坐标仪能力的国家仅有三个：法国TELEMAC公司研制生产的变磁阻式坐标仪；意大利国家电力局与米兰大学研制、SELL公司生产的TCE/03型变磁阻式坐标仪；我国国家电力公司电力自动化研究所研究院研制生产的电容感应式垂线坐标仪和武汉地震所研制的电磁感应式垂线坐标仪。5.4.1.2引张线遥测技术在直线型坝中用引张线法测量坝体的水平位移，其原理与电容感应式垂线坐标仪相同，区别仅在于测量的方向。因其设备简单、测量方便、测量速度快、精度高、成本低而在我国大坝安全监测中起着很重要的作用。早期安装在坝上的引张线仪，由人工来测读标尺上的水平位移，随着自动化技术的
25、发展，国内已有步进电机光电跟踪式引张线仪、电容感应式引张线仪、CCD式引张线仪及电磁感应式引张线仪。仅南京电力自动化研究院一家在现场安装的遥测引张线仪就达1500套。但由于引张线装置受环境影响较大，尤其是在线体较长和温度变幅较大的情况下，在北方（如丰满、太平哨等工程中）己被真空激光准直所代替；再者就是在采用引张线实现水平位移监测时，要定期检查线体及补充浮液，从而使“自动化”受到一定程度的限制。5.4.1.3遥测静力水准仪基础沉降、倾斜监测是坝体的重要监测项目。所以要求测量仪器量程小、精度高、长期测量稳定可靠，国内外在该领域都投入了较大的力量，开发出了技术先进、性能价格比高的产品。（1）国内生产
26、的电容感应式静力水准仪是与连通管配合用于测量各测点的垂直位移的仪器。当仪器位置发生垂直位移时，通过采用屏蔽管接地改变电容的感应长度，以达测量的目的。（2）武汉地震所研制生产的浮子式静力水准仪是利用差动变压器式位移传感器对垂直位移进行测量的，它在国内使用较多，是一种测量精度和稳定性较好的仪器。该仪器通过浮子上的铁芯在传感器的线圈中上下相对移动而测出垂直位移。（3）步进马达式静力水准仪的工作原理是通过步进马达驱动丝杆垂直的上下运动，测出步进马达转动脉冲数以得知仪器垂直位移的大小。该型仪器由步进马达测针跟踪液面，精度较高；不足之处是存在长期高湿度环境下机械传动部件防潮的问题及探针探测液位精度及探针腐
27、蚀的问题。（4）意大利SIS公司高精度水管式静力水准仪是通过涡流传感器非接触测量浮子的上下移动来实现垂直位移测量的。但由于测量范围小、价格高而未在国内运用。国外还有水管式静力水准仪，是一种利用超声传感器自动测量液位高度变化的仪器。（5）钢弦式静力水准仪的原理是当发生垂直位移时，圆柱形浮体上下移动，通过圆柱体的弦式测力传感器测出浮体上下移动引起的浮力大小的变化而感知测点垂直位移的变化。该仪器测量范围大、测量精度较高、长期稳定性好。5.4.1.4激光准直测量技术真空激光准直系统，是将三点法激光准直和一套适于大坝变形观测特点的动态软连接真空管道结合起来的系统，又称波带板激光准直。它由发射端设备（用一
28、个激光源）、接受端设备、测点设备、真空管道和真空泵等组成。由于各测点设备均布设在真空管道内，因此不受外界温度、湿度等环境条件的影响，观测精度大为提高，还可同时测得大坝的水平位移和垂直位移。真空管道波带板激光准直可进行三维测量，能在恶劣环境下工作，它满足了大坝变形监测及时、迅速、准确的要求。国内已有东北勘测设计院科研所、朝阳监测技术研究所、西北勘测设计院、电力自动化研究所研制生产了该系统，并已在工程上运用。但该设备也有局限性，即激光设备要求用于直线型、可通视环境，一般安装在直线坝的坝面或水平廊道，对于拱坝、曲线坝则无能为力，所以有待于实现激光转角来拓展其应用范围。5.4.1.5GPS技术GPS卫
29、星定位技术已对测量界产生了深刻影响，在国内混凝土坝和土坝变形监测中已开始运用。GPS接收机体积小、测量精度高，适合野外工作，在潮湿、多粉尘、炎热或严寒的环境下也能长期正常工作。该系统具有全天候、实时、自动化监测等优点，可用于大坝的动态实时位移监测、振动频率测试和安全运营报警系统。GPS运用于隔河岩大坝的变形监测已多年，在1998年8月大坝蓄水至150年一遇的洪水水位期间，GPS监测系统一直安全可靠的工作，其抗干扰能力强、监测精度高、数据分析处理及时，能够快速反映大坝在超高蓄水下的3-D变形，不仅确保了大坝的安全，也成功地实现了洪水错峰，对防洪减灾起到重大作用。5.4.2渗流监测土石坝变形方面出
30、现的问题，如迎水面和下游面的滑坡、塌陷、坝基的滑动等，都是和孔隙水压力变化密切相关的，其发生的原因也多半是由于渗流破坏引起的。因此，渗流监测被认为是土石坝安全监测中的重点。混凝土坝的渗流监测主要是扬压力、渗流量监测。该类仪器对长期稳定性要求较高。5.4.2.1弦式仪器该仪器利用钢弦振动频率随钢丝引力变化的原理，通过电磁铁激振钢丝，由磁铁线圈感应钢弦振动频率得知钢丝应变。其一般采用进口的钢弦式渗压计，这种仪器直径较小，可以安装在测压管中，测值稳定、精度及灵敏度高、飘移量较小且温度影响可以修正。用测压管进行渗流监测，有两个突出优点：人工比测和自动化监测可以同时进行，并可以相互校验；万一放置在测压管
31、中的渗压计损坏或性能较差，可进行更换，不会影响继续监测。美国Geokon公司的振弦式仪器性能较为稳定，4500S系列用于测压管水位监测效果较好，而带通气孔的4500ALV及4580系列振弦式仪器由于自身能平衡大气压，加之精确度较高、稳定性好，可以满足采用量水堰法进行渗漏量监测的需要。5.4.2.2压阻传感器压阻传感器用在硅半导体材料上制成的压敏感电阻作为敏感元件，在水压力作用下使做成桥路的半导体电阻因压阻效应而输出电量，由此测出水压的变化。由于压阻传感器灵敏度高、分辨率高、体积小，所以在大坝工程上的运用步伐逐步加快。国家电力公司电力自动化研究院生产的NYZ型压阻传感器已在多个工程中运用。5.4
32、.2.3渗流量仪水位监测除可采用高精度压力传感器外，国内单位生产的浮子式水位计同样能满足工程需要。监测渗流的仪器有管口渗流量计和多种型式量水堰渗流量仪。量水堰渗流量仪的浮子直接感应堰上的水位变化，进而求出流量。目前，在工程上应用较多的是电容感应式和步进马达跟踪式量水堰仪。电容感应式量水堰渗流量仪测量范围大、测量精度高、结构简单，可靠性高。当然，渗流量测量还可采用其它多种方案，如用高精度微压计进行量水堰水位监测，或采用超声波流量计等。一些不适宜用量水堰测量的渗流量可以采用翻斗式的遥测渗流量计，对于集水井的平均渗流量可采用集水井专用测控装置及配套的水位传感器测量，它能按设定水位自动控制水泵抽水并给
33、出大坝的总渗流量。5.4.2.4计算机层析成像技术计算机层析成像技术指在不破坏物体结构的前提下，根据在物体周边所获取的某种物理量（如波速、X射线光强）的一维投影数据，运用某种数学方法，通过计算机处理，重建物体特定层面上的二维图像及三维图像的技术。由于其能够定量反映大坝内部材料性质的分布情况和缺陷部位，所以减少了仪器设备的复杂性并提高了大坝的安全度，同时对大坝内部性态检测、缺陷搜索和老化评判提供重要依据。所以意大利、日本先后将CT技术用于大坝性态诊断，有效地进行了大坝安全检查及工程处理效果验证。5.4.3应力应变及温度监测通过埋设在大坝内部特定部位的仪器，如应变计、测缝计、裂缝仪、渗压计、扬压力
34、计、温度计等，对大坝的应力应变、裂缝、渗流渗压及温度等进行持续自动化观测来计算拱坝的径向应力、拱向应力和梁向应力，这对于大坝的安全评判十分重要。目前差动电阻式仪器(卡尔逊仪器)和弦式仪器广泛地用于混凝土坝的温度、应力应变、渗压等监测中。5.4.3.1差动电阻式仪器利用电阻丝变形与电阻成正比的原理实现的该类仪器因其防潮、长期测量稳定可靠、测试方法简单、绝缘要求低、防雷能力强、经济、可兼测温度而在国内得到了较广泛的运用。针对该类仪器内阻低、仪器电阻变差会影响测值等难题，国内工程技术人员创造了5芯仪器测量原理，使得仪器测量与电阻变差及电缆芯线电阻大小无关，实现了差阻式仪器的自动化监测。5.4.3.2
35、光纤传感技术光纤传感是用光导纤维来感受各种物理量并传送所感受信息的技术。光纤传感器自身不产生幅射、不发热、不产生火花，且不受外界电磁幅射的干扰，可安装在物体的表面或内部，连续地对诸如应变、应力、位移、裂缝、孔隙压力、温度等状况进行监测。它以激光作载波，光导纤维作传输路径来感应、传输各种信息，可以替代高雷区、强磁场区或潮湿地带的电子仪器。国外利用分布式光纤网络温度测量来确定大坝中的渗漏位置和用分布式光纤传感网络测定坝体混凝土中裂缝大小及位置等方面已有报道，国内在应用理论研究上也有了较快发展，针对大坝监测研究的几种光纤传感系统已获得专利权。光纤传感器可布设成分布式网络，具有许多传统传感器无法替代的
36、优点：（1）传感和数据通道集为一体，便于组成遥测系统，实现在线分布式监测；（2）测量对象广泛，适于各种物理量的观测；（3）体积小、质量轻、非电连接、无机械活动件，不影响埋设点物性；（4）通信容量大、速度快、灵敏度高，可远距测量；（5）耐水性、电绝缘好、耐腐蚀，抗电磁干扰；（6）频带宽，有利于超高速测量。5.4.4渗流热监测技术根据低温和大量渗漏存在联系，及温度测值和抽水试验所得到的渗透系数间有很好的负线性相关系数等事实，可以认为温度分布图像可帮助发现渗漏较严重部位，有效实现渗流异常报警。目前坝体监测中大多安置了测温计，温度测头可放置在结构物或地下一定深度只受气温年变化影响而不受气温短期变化影响
37、处，发现温度异常即可判断存在渗漏。根据能量守恒方程、质量守恒方程、渗流运动方程及初始条件、边界条件、推导出有关计算公式、设计数据计算方法及程序后，就可以把温度测得数据代入，得出定量描述坝及地基中的热流和渗流场，这样通过分析温度变化就能较准确地估计其渗透性。此项技术在美、前苏、瑞典等国己成功应用。要在我国大坝监测中推广，重要的是根据具体坝的情况设计出合理的计算公式和数据处理程序软件。6工程实例6.1锁儿头水电站工程概况锁儿头水电站工程位于甘肃省舟曲县城约500m的白龙江上游右岸，工程枢纽由右岸混凝土挡水副坝、5孔泄洪冲沙闸（9.5m6.5m）、发电引水隧洞进水口组成。拦河闸坝顶总长111.5m，
38、共分7个坝段，最大坝高12.5m，坝顶高程1386.0m。闸坝上游引渠段河床设有混凝土水平铺盖，泄洪闸下游为消力池、海漫。坝址区处在河床及漫滩砂砾石覆盖层上，厚度在27m98m，覆盖层以冲积砂卵砾石为主，其间充填少量中粗砂，颗粒粗大，级配不均，强透水性。6.2观测仪器布设情况锁儿头水电站首部枢纽工程（闸坝）安全监测分为内部观测、外部观测两大部分，仪器主要布设在闸坝及左、右岸。闸坝监测仪器布设在主观测断面和辅助观测断面上，主要对大坝渗流位移、变形等进行监测，内部监测仪器均选用差动电阻式仪器。目前锁儿头电站首部枢纽仪器安装仅完成渗流监测仪器（渗压计）。根据设计，在桩号0+033坝基分别布置了4套渗
39、压计；在左岸布置1条测线，渗压计位置布设见表1。仪器编号位置桩号（m）轴距（m）高程（m）P01坝左0+033.75坝上0+020.001376.10P02坝左0+033.75坝上0+002.001374.50P03坝左0+033.75坝下0+013.001373.50P04坝左0+033.75坝上0+038.001373.50表1.渗压计分布6.3监测仪器的安装埋设安全监测项目和主体工程密不可分，仪器埋设既可单独施工，又必须与主体工程同步施工，在全过程中加强对监测仪器的保护特别重要。仪器设备安装和埋设中使用经过批准的编码系统，对各种仪器设备、电缆、监测断面、控制坐标等进行统一编号，每套仪器均
40、需建立档案卡，并将仪器资料按业主规定的格式录入仪器档案库中。所有仪器和设备在调试、率定后并经监理工程师批准后方可进行安装和埋设。监测仪器设备安装埋设以及有关的所有工作在监理工程师在场的情况下进行，要求监测仪器的电缆保护设置可靠，电缆的埋设位置有明显的标记，并及时向所有有关施工单位提供监测仪器和电缆走线图，严防意外误损监测仪器，引入集线箱前对电缆头进行防潮和防水临时密封处理保护。监测仪器设备安装埋设之后进行检查和校正，并提交现场校准报告，经监理工程师检查验收后立即测读初始值。每个监测断面的各测点埋设后14d内，将其埋设考证表提交监理工程师。在施工过程中，对所有监测仪器设备给予保护，如果监理工程师
41、要求增加保护的部位，则按要求实施。渗压计的安装与埋设:SZ型差阻式渗压计又称孔隙压力计，用于混凝土坝可测量坝体和坝基的扬压力，测值准确、性能稳定。SZ型差阻式渗压计有电阻比Z和电阻Rt两种测值，利用这两个测值及仪器特性参数可算出所测水压力，利用电阻Rt测值和仪器特性参数可算出测点位置的温度。按照设计施工要求准备仪器和电缆，用五芯电缆接长仪器电缆，作好编号和存档工作（见图4）。图4.电缆接线示意在锁儿头水电站首部枢纽坝基埋设的渗压计，采用了坑式埋入法，而不是钻孔式埋入法。在安装埋设时用饱和的细砂袋将渗压计测头包好，砂袋直径约为15cm20cm，保证进水口通畅，并继续浸于水中。按设计桩号和断面测点
42、分布，在点位上挖好深30cm40cm的浅坑，在钢筋绑扎前，将裹有干净砂袋并完全泡水排气的渗压计放入坑内，坑内回填小石，坑上部为坝体料，理顺并保护好电缆，等待砼施工（见图5）。图5渗压计安装埋设示意结语：土石坝发生渗流破坏的原因可能是多方面的,如勘测资料不足、未经试验、设计不周、施工质量控制不严或运行管理欠妥善等。土石坝的防渗加固措施的选择受多种因素的制约,特别是施工条件和工期的限制,所以,选择土石坝加固措施时,应根据工程病害的具体情况对各种加固措施进行技术、经济比较,以最少的投资、最短的工期、较小的环境污染,创造最佳的工程效益。目前，国内外大坝监测系统随着高科技的应用，自动化程度有了很大的提高
43、，在几何学、物理学、计算机仿真等多学科、多领域的融合下，大坝观测技术将向一体化、自动化、数字化、智能化的方向发展。参考文献1白永年中国堤坝防渗加固新技术M北京:中国水利水电出版社,20012牛运光土坝安全与加固M中国水利水电出版社,19983叶良茂,龚德新中小型病险水库坝防渗加固方案的选择J水利建设与管理,2008,(1):72-744马建华适用于长江中下游干流堤防堤基垂直防渗的新技术J水利水电技术,2001,(3):58-605胡均平,刘伟,朱桂华混凝土防渗墙施工技术及设备的现状与发展趋势J建设机械,2002,(10):216赵志仁，大坝渗流压力监测设计优化研究J.水利水电工程设计,1998(4).7赵志仁，大坝渗流安全监测技术研究J.水利水电工程设计,2001(3).8水利部、电力工业部，土石坝安全监测技术规范S.SL6094.北京:水利电力出版社,1994.9周忠谟，易杰军，周琪.GPS卫星测量原理与应用M.北京：测绘出版社，1992.101310冯林，李克绵，孟中，等.真空激光准直监测大坝变形系统J.大坝观测与土工测试，1999，23（5）：414211刘观标，王志远，罗昌大化大坝监测系统更新改造及自动化系统设计J大坝观测与土工测试，1998，22（5）：5-