《水利信息化技術》課件-7.滲流

水利信息化技術7.1滲流監(jiān)測滲流監(jiān)測是對水工建筑物及其地基內有滲流形成的浸潤線、滲透壓力、溫度、滲流量和滲水水質等的監(jiān)測，主要為大壩在上、下游水位差作用下產生的滲流場的監(jiān)測（包括滲壓、揚壓力、繞壩滲流及滲漏量）；地下洞室滲漏及外水壓力監(jiān)測；邊坡工程、滲流及其地下水位監(jiān)測。滲流監(jiān)測壩體、壩基滲流（壓）監(jiān)測主要是了解土石壩體和壩基滲透壓力?；炷翂蔚慕涌p滲漏和壩基揚壓力，通常采用滲壓計和測壓管監(jiān)測。繞壩滲流監(jiān)測，通常布置在大壩的兩岸壩肩及部分山體，以及深入到兩岸山體的防滲齒墻或灌漿帷幕前、后等關鍵部位，以掌握地下水動態(tài)，評價其防滲效果。地下水位的監(jiān)測，對評價近壩區(qū)滑坡體(岸坡)穩(wěn)定性十分重要，一般采用測壓管觀測。地下洞室圍巖的滲流狀況及其外水壓力是隧洞穩(wěn)定的重要因素，一般采用滲壓計觀測。滲流監(jiān)測對于用來擋水的土石壩，在壩體和壩基部位產生滲流現象，當滲流量、滲透坡降等要素超過允許值時，會為大壩安全運行帶來隱患，可能造成壩坡滑動，壩體、壩基出現滲漏、管涌、流土、踏坑等重大事故。而擋水的水工建筑物的失事將會給下游人民的生命財產安全及國家經濟發(fā)展帶來巨大的損失，且過量的滲漏會降低水資源的利用效率及水庫效益。又如對于地下水位的滲流監(jiān)測對壩區(qū)滑坡體的穩(wěn)定性具有重要意義，可以起到預知作用。因此，對各種水工建筑物進行滲流監(jiān)測，充分發(fā)揮水庫工程效益、防災減災，有重大的社會經濟效益。研究水工建筑物的滲流監(jiān)測的重要意義隨著科學技術的發(fā)展，特別是計算機和微電子技術的大步發(fā)展，世界各國大力發(fā)展遙控儀器，并逐漸推廣監(jiān)測系統(tǒng)自動化。因此，滲流監(jiān)測的范圍和項目越來越多，監(jiān)測系統(tǒng)總體上呈現出大規(guī)?；?、智能化等特點。國外滲流監(jiān)測普遍采用分布式監(jiān)測系統(tǒng)，即在監(jiān)測現場布置多臺小型化獨立測量裝置，分別對所監(jiān)控中心計算機進行處理。目前具有代表性的國外分布式系統(tǒng)產品有加拿大Roctest公司的SENSLOG1000X安全監(jiān)測自動化數據采集系統(tǒng)，美國GEOMATION公司的2300系統(tǒng)和SINCO公司的IDA系統(tǒng)。SENSLOG1000X、2300、IDA系統(tǒng)等國外成熟系統(tǒng)多采用有線通信的方式將數據傳輸到監(jiān)控中心，因為水工建筑物監(jiān)測點比較分散，監(jiān)測點到監(jiān)控中心距離較遠，采用有線通信不僅施工成本高，而且也不易于新監(jiān)測點的擴展。國外滲流監(jiān)測國內水工建筑物滲流監(jiān)測起步較晚，從20世紀50年代開始經歷了人工觀測、集中監(jiān)測、半自動監(jiān)測、分布式自動監(jiān)測等階段。目前運用較成熟的有南京南瑞集團的DAMS系統(tǒng)和南京水文自動化研究所的DG系統(tǒng)。國內滲流監(jiān)測7.2滲流監(jiān)測的布置要求壩基滲流滲壓監(jiān)測一般根據建筑物的類型、規(guī)模、壩基地質條件和滲流控制的工程措施等進行設計布置，通?？v向監(jiān)測斷面1～2個，1級、2級壩橫向斷面至少3個。壩基滲流滲壓監(jiān)測對混凝土壩而言，縱向斷面宜布置在第一道防滲線上，每個壩段至少布設1個點。橫向斷面宜選擇在最高壩段、地形或地質條件復雜地段，并盡量與變形、應力應變觀測斷面相結合。橫向監(jiān)測斷面宜不少于3個，可用測壓管或滲壓計監(jiān)測壩基揚壓力，橫斷面間距一般為50～100m,如壩體較長、壩體結構和地質條件大體相同，則可以加大橫斷面間距。橫斷面測點一般不少于3個。另外，在混凝土壩水平施工縫、土石壩防滲體內及防滲墻幕后，通常根據需要設置滲流監(jiān)測。混凝土壩滲流滲壓監(jiān)測壩基深部滲透壓力監(jiān)測可根據壩基地質條件及存在的主要地質缺陷，有針對地布置測壓管或滲壓計。遇大斷層或強透水帶時，應沿可能的滲流方向布置測點。壩體滲透壓力的監(jiān)測，宜在上游壩面至壩體排水管之間，沿壩體兩相鄰排水管中間，順水流方向與水平施工縫和上、下兩層水平施工縫中間的壩體混凝土中，各布置一排滲壓計，監(jiān)測水平施工縫和壩體混凝土的滲透壓力。壩基深部滲透壓力監(jiān)測繞壩滲流監(jiān)測主要設置在兩岸壩端及部分山體等部分，測點的布置主要根據地形、樞紐布置、滲流控制及繞壩滲流區(qū)特性而定。一般在兩岸的帷幕后沿流線方向分別布置2～3個監(jiān)測斷面，斷面的分布靠壩肩附近較密，每條測線布置不少于3～4個測點，帷幕前一般僅布置少量測點。繞壩滲流監(jiān)測邊坡工程一般在對大壩安全有較大影響的滑坡體或高邊坡進行滲流監(jiān)測，應盡量應用地質勘察孔做地下水位監(jiān)測孔。邊坡工程地下洞室主要進行隧洞內水外滲或是外水內滲，以及隧洞外水壓力的監(jiān)測，它的布置主要根據水文及工程地質情況而定，通常在隧洞圍巖的頂部、腰部及底部緊貼混凝土襯砌的圍巖中布設。對查明有滑動面者，宜沿滑動面的傾斜方向布置1～2個監(jiān)測斷面。監(jiān)測孔應深入到滑動面以下2m,若滑坡體內有隔水巖層，應分層布置測壓管，同時做好層內隔水。若地下水埋深較深，可利用勘察平洞或專設平洞設置測壓管進行監(jiān)測。地下洞室滲流量監(jiān)測滲流量監(jiān)測包括滲透水的流量及水質監(jiān)測。水質監(jiān)測中包括滲漏水的溫度、透明度和化學成分分析。滲流量監(jiān)測系統(tǒng)的布置主要根據壩型和壩基地質條件、滲漏水的出流和匯集條件，以及所采用的測量方法等確定。對于壩體、壩基、邊坡繞滲及導流(含減壓排水孔、井和排水溝)的滲流量，應分區(qū)、分段進行測量(有條件的工程宜建截水墻或監(jiān)測廊道),對排水減壓孔(井)應進行單孔(井)流量、孔(井)組流量和總匯流量的監(jiān)測。所有集水和量水設施均應避免各水干擾。當下游有滲漏水出溢時，一般應在下游壩址附近設導滲溝(可分區(qū)、分段設置),在導滲溝出口或排水溝內設置量水堰測其出溢(明流)流量。當透水層較深，地下水低于地面時，可在壩下游河床中設置測壓管，通過監(jiān)測地下水坡降計算出滲流量。其測壓管布置，一般在順水流方向設兩根，間距10～20m;垂直水流方向應根據控制過水斷面及其滲透系數的需要布設適當排數。用于滲漏水溫度以及透明度監(jiān)測和化學分析水樣的采集，均應在相對固定的出口或匯口進行。水質分析應選擇有代表性的排水孔或繞壩滲流監(jiān)測孔，定期取水樣進行水質分析，并與水庫水質進行比較，若發(fā)現有析出物或有侵蝕性的水流出時，應取樣進行全分析。水質分析7.3滲流壓及其地下水水位監(jiān)測《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》中4.2.3.1條規(guī)定：“滲流壓力觀測儀器，應根據不同的觀測目的、土體透水性、滲流場特征以及埋設條件等，選用測壓管或振弦式孔隙水壓力計。滲流壓及其地下水水位監(jiān)測一般情況是：(1)作用水頭小于20m的壩、滲透系數大于或等于10-4cm/s的土中、滲壓力變幅小的部位、監(jiān)測防滲體裂縫等，宜采用測壓管。(2)作用水頭小于20m的壩、滲透系數小于10-4cm/s的土中、觀測不穩(wěn)定滲流過程以及不適宜埋設測壓管的部位(如鋪蓋或斜墻底部、接觸面等)，宜采用振弦式孔隙水壓力計，其量程應與測點實有壓力相適應?！睗B流壓及其地下水水位監(jiān)測滲流壓通常稱為滲壓。滲壓計也稱為孔隙水壓力計，是用于測量構筑物內部孔隙水壓力或滲透壓力的傳感器，適用于長期埋設在水工建筑物或其他建筑物內部及其基礎。如用于檢測巖石工程和其他混凝土建筑物的滲透水壓力，也可用于水庫水位或邊坡地下水水位的測量。按儀器類型可分為差動電阻式、振弦式、壓阻式及電阻應變片等。滲流壓振弦式和差動電阻式儀器都是由感受壓力的彈性薄膜和密封腔內的電氣感應組件組成。差別主要在電氣感應組件不同，前者是利用鋼弦的振動頻率來感知壓力，后者是利用電阻比的變化來感知壓力。滲流壓儀器振弦式滲壓計由透水石、承壓膜、壓力傳感器、線圈、殼體和傳輸電纜等部分組成。當水壓力經透水石傳遞至儀器內腔作用到承壓膜時，承壓膜連帶傳感元件一同變形，即可把液體壓力轉化為等同的電信號測量出來。通過預先率定儀器參數即可計算出滲透壓力。振弦式滲壓計差動電阻式滲壓計是滲透水壓力自進水口經透水石作用于感應彈性膜片上，引起感應膜片位移，從而使其敏感組件上的兩根電阻絲電阻值發(fā)生變化，其中一根R?減小(增大),另一根R?增大(減小),相應電阻比發(fā)生變化。通過電阻比指示儀測量其電阻比變化而得到滲透壓力的變化量。滲壓計可同時測量電阻值的變化，經換算即為測點處的溫度測值。差動電阻式滲壓計地下水資源較地表水資源復雜，因此地下水本身質和量的變化以及引起的地下水環(huán)境條件和地下水運移規(guī)律不能直接觀察。同時，地下水的污染以及地下水超采引起的地面沉降是緩變型的，一旦積累到一定程度，就成為不可逆的破壞。因此準確開發(fā)保護地下水就必須依靠長期的地下水監(jiān)測，及時掌握動態(tài)變化情況。地下水監(jiān)測根據壓力與水深成正比關系的靜水壓力原理，運用水壓敏感集成元器件做的壓力式水位計，當傳感器固定在水下某一測點時，利用該測點以上水柱壓力高度加上該點高程，即可間接地測出水位高低；核心在于壓力式敏感集成元器件。另外內置溫度傳感器，對外界溫度影響產生的變化進行溫度修正；每個傳感器內部有計算芯片，自動對測量數據進行換算而直接輸出物理量，減少人工換算的失誤和誤差。壓力式水位計7.4滲流量監(jiān)測01當流量小于1L/s時采用容積法。02當流量在1～300L/s時采用量水堰法03當流量大于300L/s或不能設量水堰時，將滲漏水引入排水溝中，采用流速法或超聲波流量計測量，這種方法在實際工程中應用較少滲流量觀測根據滲流量的大小和匯集條件選用如下幾種方法容積法是觀測流量時，需將滲流水引入容器內（如量筒等），測定滲流水容積和充水時間（一般為1min,且不得少于10s），

即可求得滲流量。容積法量水堰法常用的有三角堰、梯形堰和矩形堰。一般為三角堰，各種量水堰的堰板一般采用不銹鋼板制作，各量水堰與堰板結構如圖所示。(1)三角堰。適用于流量在1～70L/s之間，三角形堰缺口為一等腰直角三角形，堰上水頭約為50～300mm。量水堰法(2)梯形堰。適用于流量在10～300L/s之間，常用1:0.25的邊坡，底(短)邊寬度b應小于3倍堰口水頭H,一般在0.25～1.5m之間。(3)矩形堰。適用于流量>50L/s,堰口b應為2～5倍堰上水頭H,一般在0.25～2.0m之間。矩形堰分為無側向收縮和有側向收縮兩種。量水堰法用于觀測堰上水頭的儀器設備有：水尺、水位測針或量水堰水位計。水尺精度不低于1mm,水位測針或量水堰水位計精度不低于0.1mm。測流速法觀測滲流量的測速溝槽應是長度不小于15m的直線段，且斷面一致，保持一定縱坡，不受其他水干擾。量水堰法流速法是觀測滲流量的測速溝槽應是長度不小于15m的直線段，且斷面一致，保持一定縱坡，不受其他水干擾。流速法安裝埋設安裝埋設:量水堰一般設在排水溝的直線段上，堰身采用矩形斷面，堰板應為不銹鋼材料。堰槽段的尺寸及其與堰板的相對關系應滿足如下要求：堰槽段全長應大于7倍堰口水頭，但不小于2m,其中堰板上游應大于5倍堰口水頭，但不得小于1.5m,堰槽寬度應不小于堰口最大寬度的3倍。堰板應為平面，局部不平處不得大于±3mm,堰口的局部不平處不得大于±1mm。安裝埋設安裝埋設:堰板頂部應水平，兩側高差不得大于堰寬的1/500,直角三角堰的直角誤差不得大于30”。堰板和側墻應鉛直，誤差不得大于30”。兩側墻應平行，局部的間距誤差不得大于10mm。水尺或水位計裝置應該在堰板上游3～5倍堰口水頭處。量水堰安裝后，應詳細填寫考證表。水利大數據的應用當測量量水堰堰頂水頭時，應讀到最小估讀單位，量水堰的流量Q(m3/s)的計算公式如下：觀測與計算量水堰法容積法：直接測定滲漏水的容積和充水時間(一般為1min,且不得小于10s)。直角三角形量水堰。Q=1.4H5/2式中：H為堰上水頭(m)。梯形量水堰