（水工结构工程专业论文）大坝渗流监测系统设计及渗流计算机模拟.pdf

郑炳大学硕士学位论文摘要 摘要 本文系统地讨论了大坝渗流监测系统的设计方法 并基于大型有限元软件a n s y s 程序对大坝渗流进行计算机模拟 大坝渗流监测系统是水利枢纽安全运行的保证 本文首先讨论了大坝渗流监测的 主要内容和方法 在此理论的基础上 结合河南平顶山昭平台水库 对大坝渗流监测 系统的设计给出了详细的说明 同时也简要介绍了水库信息自动化系统的实现 昭平 台水库由主坝 副坝 泄洪闸 输水洞和电站组成 采用分布式的大坝渗流监测系统 通过传感器对水库大坝的扬压力和水位等信息进行实时采集 利用p l c 技术实现对 闸门的自动控制 图像监视系统对水库重要设施进行实时监视 各系统通过光缆将监 测的数据传至中心站 并对数据进行分析处理 实现了水库的水利自动化管理 该系 统的设计在水库信息自动化建设方面做了一些有益的尝试 其次本文对大坝渗流监测的软件部分做了一些必要的说明 对弦式仪器率定软件 以及大坝渗流监测管理软件和控制监测装置的软件给出了编制的原则及流程 最后 本文根据渗流基本方程及定解条件的比较 将a n s y s 软件的温度场分析功 能应用于渗流场的分析 并采用死活单元技术 通过迭代算法计算浸润线 解决了土 坝渗流稳定问题的求解 该方法可以解决复杂边界 多种介质的渗流问题 为工程应 用提供了极大的便利 关键词 渗流有限元大坝监测水利自动化a n s y s 死活单元 郑蚋大学硕士学位论文a 8 s t r a c t a b s t r a c t t h i s p a p e rd i s c u s s e st h ew a y t od e s i g nt h es e e p a g e m o n i t o r i n gs y s t e mo f t h ed a m a n d s i m u l a t e st h e s e e p a g eo f d a m o l lt h e p l a t f o r mo f t h ea n s y sp r o g r a m t h e s e e p a g em o n i t o r i n gs y s t e m c a l le n s u r et h ed a mw o r k p r o p e r l y a tf i r s t t h i sp a p e r d i s c u s s e st h em a i nc o n t e n ta n d w a y so f t h es e e p a g em o n i t o r i n gs y s t e m o nt h eb a s i so f t h e t h e o r ya n dc o m b i n e dw i m t h ez h a o p i n g t a ir e s e r v o i r i nt h i sp a p e rt h es e e p a g em o n i t o r i n g s y s t e mi se x p l i c a t e d a tt h es a m et i m et h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh y d r a u l i ca u t o m a t i o no f z h a o p i n g t a ir e s e r v o i ri nb r i e f z h a o p i n g t a ir e s e r v o i ri sc o m p o s e do fam a i nd a m a l l a u x i l i a r yd a m f l o o dd i s c h a r g eg a t e s aw a t e rt r a n s p o r th o l ea n dap o w e rs t a t i o n u s i n gt h e d i s t r i b u t e dd a m s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m t h ed a ms e e p a g ep r e s sa n dw a t e rl e v e la r er e a l t i m ec o l l e c t e db ys e n s o r s p l ct e c h n o l o g yi se m p l o y e dt oc o n t r o lt h eg a t e sa u t o m a t i c a l l y t h er e s e r v o i ri m p o r t a n tf a c i l i t i e sa r em o n i t o r e dt h r o u g ht h ei m a g e sm o n i t o r i n gs y s t e m t h em o n i t o r i n gd a t af r o ma l ls u b s y s t e m sa r es e n tt ot h ec e n t e rs t a t i o nb yc a b l e sa n dt h e n a n a l y z e di nc o m p u t e r s w h i c hr e a l i z e st h ea u t o m a t i cm a n a g e m e n to ft h i sr e s e r v o i r t h e a p p l i c a t i o no ft h i sa u t o m a t i o ns y s t e mw i l le n h a n c et h er e s e r v o i ri n f o r m a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m s e c o n d l y t h ep a p e re x p l a i n st h es o f tp r o g r a m so f t h es e e p a g em o n i t o r i n gs y s t e m w e g i v et h ep r i n c i p l e sa n df l o wc h a r t so ft h es o f tp r o g r a m s t h ef u n c t i o n so ft h ep r o g r a m sa r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a t l a s t a c c o r d i n g t o c o m p a r i s o n o ft h ef u n d a m e n t a l e q u a t i o n s a n d b o u n d a r y c o n d i t i o n s t h ea n s y sf u n c t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i si sa p p l i e dt ot h a to fs e e p a g e f l o wf i e l d t h ee l e m e n tb i r t ho rd e a t h t e c h n i q u e w i t h o v e r l a p m e t h o di sa d o p t e dt oc a l c u l a t e t h ef r e ew a t e rs u r f a c es i t e s a t u r a t i o nl i n e i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo fe a r t hd a m s e e p a g ef l o ws t a b i l i t y t h i sm e t h o dc a ns o l v et h es e e p a g ef l o wp r o b l e mo fc o m p l e x b o u n d a r i e sa n dm e d i u m s k e yw o r d s s e e p a g e t h ef i n i t ee l e m e n t d a mm o n i t o r i n g h y d r a u l i ca u t o m a t i o n a n s y s b i r t ho rd e a t he l e m e n t i l 郑蚋大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 大坝渗流监测技术综述 第一章绪论 我国主要的经济发达地区属沿海季风区 旱涝灾害频繁 为除害兴利 我国兴建 了大量的水利枢纽工程 据1 9 9 8 年统计 我国已建成各类水库8 5 万座 总库容4 9 2 4 亿n 1 3 其中大型水库4 0 3 座 中型水库2 6 5 3 座 小型水库8 1 万余座 这些水利 水电工程和相应建筑物在防洪 发电 水产养殖和旅游资源的开发利用等方面发挥了 重要作用 取得了重大的社会效益和经济效益 是国民经济的基础产业和基础设施 我国的水库大坝 江河大堤绝大部分为土坝 土堤 这些工程多数是中华人民共 和国成立后各个历史时期兴建的 有些工程除了防洪标准低以外 出现的主要问题是 土坝的变形稳定和渗透稳定得不到保证 这是影响水利枢纽工程安全运行的主要因 素 大坝建成蓄水后 在水头作用下导致坝体 坝基和坝肩出现渗流现象 这对大坝 运行是不利的 但又是不可避免的 渗流过大有可能引起大坝的失事和损坏 例如法 国马尔巴塞 m a l p a s s e t 拱坝和美国提堂 t e t o n 土坝的失事 就是由于渗流造成的 根 据国内外统计 因渗流问题引起的大坝失事占工程总数的4 0 因此 渗流问题是大 坝设计 施工和运行管理的关键问题 受到国内外坝工界的高度重视旺1 由于大坝渗流是一个三维问题 影响因素比较复杂 边界条件难以确定 致使根 据设计计算或实验采用的防渗 导渗措施不可能很完善 实践证明 原型观测是监控 大坝状态最真实的行之有效的方法 因而被大多数工程所采用 国际大坝委员会第 2 3 号会刊的报告中指出 坝基扬压力和渗流量的观测是最直接的也是最有意义的安 全措施 如果是重力坝 这些观测是头等重要的 渗流监测是大坝安全监测的重要组成部分 为了大坝的安全 必须对大坝实施安 全监测 以往通常采用分析观测资料 建立数学监控模型的方法对大坝的工作性态进 行分析和监控 由于大坝的观测项目较多 并且随着观测年限的增加 将积累大量的 观测资料 对这些资料进行处理和分析的工作量巨大 一般要委托有关单位用1 2 年的时间来完成 从而不能将分析成果及时用于监控大坝的安全运行 也就不能及时 发现隐患 以致延误时机 造成不必要的损失 因此 应依靠现代的计算机软硬件技 术 对大坝的观测资料进行科学管理 并加以定性 定量分析 以实现对大坝性态的 实时监测 这就是大坝安全监测系统产生的原因 1 2 国际上大坝安全监测的发展 大坝安全监测是一门近代新兴的边缘技术学科 2 0 世纪7 0 年代以前称为大坝原 郑蚋大学硕士学位论文第一章绪论 型观测 上世纪2 0 年代最早开始的原型观测是采用大地测量方法观测大坝的变形 3 0 年代初美国利用卡尔逊式仪器开展了大坝的内部观测 自此以后 欧洲 日本和 前苏联等国家也相继发展了原型观测工作 并于1 9 5 8 年第六次国际大坝会议上以 大 坝与基础的应力 变形观测及其与计算和模型的试验的比较 为专题 问题2 1 首次 较系统地发表了一批基于原型观测的研究成果 如葡萄牙的鲍卡坝 b o u c a 卡别列 尔坝 c a b i l 意大利的派夫狄卡杜尔坝 p i e v ed ec a d o r e 圣太杰斯汀纳坝 s a n t a g i u s t i n a 日本的上椎叶坝 k a m i s h i i b a 等 可以看出 当时原型观测的主要目的是研 究大坝的实际变形 温度和应力状态 其重点在于验证设计 改进坝工理论 伴随着上世纪3 0 到7 0 年代世界各国的筑坝高潮 大坝失事的事件也时有发生 其中著名的法国马尔巴塞双曲拱坝 m a l p a s s e t 6 6 5 m 于1 9 5 9 年1 2 月2 日在蓄水期 因左岸基础滑动而溃坝 意大利瓦依昂双曲高拱坝 v a j o n t 2 6 1 5 m 于1 9 6 3 年1 0 月9 日因库岸滑坡造成漫顶 水库废弃 美国提堂坝 t e t o n 9 1 5 m 于1 9 7 6 年6 月5 日因 坝基管涌而溃决等 溃坝造成的巨大灾害引起了国际社会的高度重视 各国政府相继 建立和加强了大坝安全管理机构 颁布了有关法规 大坝观测由原先主要为设计 施 工 科研等技术项目的服务 进而发展成为监视大坝的安全运行这个关系到社会公共 安全的一个不容忽视的重要事业 7 0 年代以来 各国均致力于大坝监测技术的发展 各类新型的监测仪器大量涌现 大坝安全监测的理论和方法不断完善 随着现代科学 技术的进步 大坝安全监测和管理的自动化 现代化也获得了空前的进展 大坝安全 监测事业进入了一个前所未有的发展时期o 1 3 我国大坝安全监测的发展 同国际上大坝监测领域的发展进程相类似 我国从2 0 世纪5 0 年代起开始了大坝 原型观测的研究和应用 也经历了一个从注重大坝的微观观测到关注宏观监测的发展 过程 国内刚开始的大坝观测工作 正处于国际社会加强大坝性态研究的高潮时期 我国首先实施的是内部观测的自动化 先后于1 9 8 0 年和1 9 8 3 年在龚嘴和葛洲坝安装 了大坝内部参数自动采集装置 其数据处理和安全管理功能则很弱 到1 9 9 0 年国电 自动化研究院根据国家 七五 科技攻关的要求 研制成功第一套软硬件齐全的自动 化大坝安全监测系统 并通过工程的大量应用不断改进和完善 9 0 年代中后期 大 坝安全监测自动化技术在我国得到了快速的发展 并拓展到堤坝 供水 地铁 桥梁 等工程领域 它标志着大坝安全监测自动化技术已成熟 并具有广阔的应用前景 目前采用的大坝安全自动监测系统按采集方式粗略地分为三类h 3 即集中式 分 布式和混合式 所谓集中式采集方式 典型的布置是在坝内设一专门的监测室 内置 采集装置 布设于大坝各处的仪器通过电缆直接与采集装置相连 仪器信号通过采集 装置转换为数字信号传到坝外的微机监控室进行存储管理 如图1 1 所示 法国和日 2 郯辨i 大学碗士学位论文 第一章绪论 本多采用此种结构博3 它们的大坝规模一般较小 仪器测点数量较少 且仪器布置相 对集中 采集装置集中设置在坝内廊道 信号传输距离不远 且监测室设有专门的防 潮通风设备 因此对中小型工程 它不失为一种经济实用的采集方式 图1 l 集中式采集系统示意图 分布式采集方式是将采集装置分散布置在靠近仪器的地方 一般称为测量控制单 元 m c u 如图1 2 所示 m c u 可完成所辖测点的控制测量 a d 转换 数据暂存 和数据传输等功能 由于数字量的远距离传输较之模拟量传输相对简单 因此它可根 据仪器的布置情况 灵活地分散设置在靠近仪器的地方 缩短了模拟量传输的距离 降低了系统防外界干扰的技术难度 每个m c u 均可根据设定的命令执行测量和暂存 数据 因此系统故障所造成的数据丢失可相对减少 分布式采集系统便于用户对传感 器 数据采集单元和测量控制 数据处理软件的择优选择 方便地进行维护 维修 更换和升级 由上述特点可知 分布式采集方式较适合于工程规模大 测点数量多且 分散的监测系统 图1 2 分布式采集系统示意图 混合式是介于集中式和分布式之间的一种采集方式 它具有分布式布置的外型 而采用集中方式进行采集 设置在仪器附近的遥控转换箱类似于m c u 汇集其周围 的仪器信号 但它不具备m c u 的a d 转换和数据暂存功能 故其结构较之m c u 简 单 遥控转换箱传输的信号是模拟量 频率量等 混合式系统利用散布于仪器附近的 遥控转换箱将仪器的模拟信号集中于一条总线之中 传输到监控站进行集中测量和 a d 转换 然后将数字量送入计算机进行存储处理 它既具有分散布置汇集大量仪器 的灵活性和可扩展性 又仅需一套测量与控制装置 因此 这种8 0 年代研发的采集 3 郑蚋大学硕士学位论文第一章绪论 方式 是一种符合当时我国国情 性价比较高的自动监测系统 混合式监测系统如图 1 3 所示 图1 3 混合式采集系统示意图 1 4 本文研究的主要内容 本课题研究的主要内容为以下几个方面 1 结合国内外大坝渗流监测的应用 讨论了大坝渗流监测的内容与方法 大坝渗流 监测常见的监测项目有绕坝渗流 浸润线 孔隙水压力 扬压力及渗水压力监测 等 讨论了各种仪器设备在各种大坝中的使用方法与监测原理 设计中应注意的 事项 及监测数据的整理 须绘制曲线的说明 2 以河南省平顶山昭平台水库为背景 借签国内外其它水库水利自动化系统的实现 介绍昭平台水库大坝渗流自动监测系统 闸门自动监控系统 图像视频监视系统 和中心站的建设的设计方法 为昭平台水库水利信息自动化的实现做了初步设计 本文主要介绍大坝渗流监测自动化的设计 包括设计的原则 实现的功能 设备 的选型和网络的搭建 3 针对大坝渗流监测系统的设计 介绍了渗流监测系统中所需要使用的软件 给出 了振弦式仪器率定程序的功能和开发流程 对系统中所选用的测控单元所配套的 软件也给了介绍 最后结合水库的实际情况 说明开发一套水库的渗流监测管理 系统软件的功能 4 根据渗流基本方程及温度场的分析控制方程及定解条件的分析 利用大型通用有 限元计算软件a n s y s 开发平台 将a n s y s 软件的温度场分析功能应用于渗流场的 分析 并采用死活单元技术 通过迭代算法计算自由水面位置 浸润线 解决了 土坝渗流稳定问题的求解 该方法可以解决复杂边界 多种介质的渗流问题 为 工程应用提供极大的便利 4 郑她大学硕士学位论文第二章渗漉监撼的内容s 方法 第二章渗流监测的内容与方法 渗流安全在水利水电工程的整体安全中有着十分重要的地位 据国内外大量统计 资料表明 由于渗流问题直接造成土石坝失事的 e 例约占3 0 4 0 土石坝是挡水 建筑物 它和渗流同时并存 有土石坝就有渗流 土石坝的发展史也就是渗流理论和 渗流控制理论的发展史e 6 3o 现代土工结构及渗流分析较为合理的研究途径应是 有限 元模型数值计算一土7 含模型 试验一原型观测检验分析三位一体的综合研究方法 因为有限元分析固然可以考虑许多实际条件 对各种影响因素进行研究 但土是一种 非常复杂的介质 其力学性能 渗流特性受各种因素的影响 不易掌握 而且其本身 也随时问和空间而变 所以它的计算模型 材料参数只能在一定程度上反映出土的实 际性状 再之 点式测压管测头的进 出水过程有其特殊性 计算模型是建立在一假 定的基础上e 7 3 因此 数值计算的成果有待于实践的检验 模型试验能在一定的程度 上揭示事物的本质 但它毕竟是原型的模拟 具有一定的局限性 土工试验由于受勘 探取样范围及密度的限制 只能反映局部填土的性质以及填土的大致空间分布情况 原型观测则是对客观事物的直接反映 本文将对原型观测中需要考虑的问题给予如下 说明 2 1 监测项目 在水库水头作用下 渗流绕过两岸坝肩从下游岸坡流出 称为绕坝渗流 如果坝 与岸坡连接不好 岸坡过陡 产生裂缝 或岸坡中有强透水层 就可能发生集中渗流 造成变形或漏水 威胁大坝的安全和水库的蓄水效益 引 在渗流处于稳定状态时 其流量与水头保持稳定的相应变化 若渗流量显著增加 有可能发生管涌或集中渗流通道 反之可能是排水体堵塞的反映 在正常情况下 随 着坝前漏水淤积 渗流量会逐年减小 渗流水浑浊不清 可能在水中带有泥沙颗粒或可溶盐成分 反应出坝基或两岸接 头岩土受到溶滤或被渗流水带出 这些现象往往是管涌 内部冲刷或化学侵蚀的先兆 当地下水含有高浓度硫酸盐成分时 可能会对混凝土产生侵蚀作用 甚至使之成为酥 松状态 在土坝坝体内 渗流水将形成一个逐渐降落的渗流水面即浸润面 在土坝横断面 上显示为一条曲线 称为浸润线 如果实测的浸润线高于设计线 就降低了坝坡稳定 性 甚至可能造成滑坡事故 此外 地下水也可能影响库边稳定 库水在混凝土坝体内的渗流将形成孔隙水压力 也即是坝体内的一种扬压力 对 坝体应力 变形及稳定都有一定影响 5 郑弛大学硬士学位论文第二章渗漉隘溉的内容s 杰法 混凝土坝和砌石坝基础与地基结合面上的扬压力是大坝重要的外荷载 目前设计 都是假定为二维问题并按直线分布的图形计算 有必要通过观测作进一步校核 观测土坝坝基中渗流沿程压力分布 可以了解土坝防渗和排水设施的作用 估算 实际水力坡降 推算潜水是否可能形成管涌 流土和接触冲刷等破坏 综上所述 可将渗流监测项目概括为 绕坝渗流及地下水位监测 浸润线及孔隙压力监测 扬压力及渗水压力监测 渗流量及渗流水质监测 2 2 监测设计 2 2 1 绕坝渗流监测 主要在大坝与两岸连接部分进行 一般根据交界面的轮廓线 地质情况 防渗措 旌 排水型式而定 以争取给出等水位线为原则 1 沿绕流线布置测点 一般每一岸布置1 3 个基面 每个基面布置2 4 个测点 2 在河槽两侧地中的绕流区 每侧在垂直坝轴方向布置1 q 个基面 每个基面 布置1 3 个测点 测点的进水位置应设在强透水层中或深入到筑坝前地下水位以下 3 沿可能绕流集中的渗水层布置测点 对于观测不同透水层渗水的测点应深入 到各层的中间 此时可设双管式测点或孔隙水压计观测 2 2 2 地下水位监测 主要在近坝区的滑坡体和高边坡进行 以了解地下水位变化对岩土力学性质和边 坡稳定的影响 1 已查明的滑坡体可沿滑动面的倾向或地下水的流向布置观测基面 测点应贯 穿滑动面钻孔 2 未查明滑动面的高边坡或岸坡 观测基面可垂直临空面布置 钻孔深度应深 入到可能的滑动面以下 3 对高边坡附近的地表水 宜布置适量观测孔 量测入渗和排泄途径及岩土稳 定性的影响 当可能的滑动面距地表很深时 可利用已有的勘探平面或专设平面布置 观测基面 4 对坝肩或坝基稳定有重大影响的地质构造带 应设地下水位测点 量测渗流 坡降 机械及化学管涌等的可能性 2 2 3 浸润线监测 1 横基面的布置主要对土坝进行观测 选择最大坝高 原河床段 合笼段及 6 郑确大学硬士学位论文第二章渗流监潞的内容s 方法 地质条件复杂处作观测基面 对大中型土坝不少于3 个 2 观测点的布置测点位置和数量应根据断面大小 坝型结构 坝体与地基接 触轮廓线 地质条件 设计浸润线位置等决定 使观测成果能反映出铺盖 斜墙 心 墙 截水墙 反滤层和各部位的工作情况 并能掌握实际浸润线的形状及变化为原则 每个基面的测点数不少于5 个 对于均质土坝 在正常库水位与死水位之间的上游 楔体区宜适当增加测点 2 2 4 孔隙水压力监测 1 主要对混凝土坝进行 施工时浇注分层缝被认为是可能渗水的薄弱环节 因 此在工作缝上应布置测点 同时也要观测完整的未分缝混凝土块体内孔隙压力情况 以资比较 2 一般布置l 2 个观测基面及观测截面 考虑到由于坝体构造的影响 设置有横 缝及排水管等 为了观测最大值 通常将测点布置在观测截面中心部位 且处在两 排水管之间 3 测点距表面的深度可取此截面最大静水压力的1 1 0 或到达上游廊道的中心 线附近 靠上游面水力坡度较陡 应布置密些 最上游的测点与坝面距离应大于2 0 c m 为了观测排水效果 可在排水管的上下游部位布置测点 4 对于土石坝 每个观测基面上应布置3 5 个截面 在靠近坝基和坝轴线附近 应布设测点 2 2 5 扬压力监测 主要对混凝土坝或砌石坝进行 1 横基面布置 横基面的位置和数量取决于坝的地质条件 重要性和规模大 小及结构型式等 一般布置加7 个 要选择最高断面 有断层 夹层及破碎带的部位 进行观测 2 纵基面布置 沿坝轴线的纵向观测基面 一般可布置1 2 个 每个坝段1 2 个测点 测点轴线位于灌浆帷幕和排水孔轴线之间 横基面靠上游的测点最好包括在 纵基面中 3 观测点布置 测点扬压力与地质特性 灌浆及排水等因素有关 扬压力强 度的变化并不是一条直线 应考虑这些因素布置测点 每个横基面上的测点数量一般是3 8 个 从上游起 第一个测点布置在帷幕 与排水孔之间 如果为了观测泥沙淤积及人工铺盖的影响 也可布置在帷幕之前 但 以采用孔隙水压力计量测为宜 第2 个测点常布置在第一排排水孔下游 在坝基开挖后应对设计的测点位置作适当调整 使其处在有可能产生最大扬 压力的岩石裂隙上 此外 在透水性较大的岩层或断层 夹层中可适当增设测点 对重力拱坝的观测基面按径向辐射线方式布置 即观测点轴线垂直于拱坝坝 7 郑舶大学硕士学位论文第二章渗流监酒的内容s 秀法 轴线 测点之间距离可适当减小 薄拱坝一般不进行扬压力观测 支墩坝测点主要布 置在靠上游的部位 2 2 6 渗水压力监测 主要对土坝的坝基进行 观测点的位置和深度可根据坝基地质情况 防渗设施结 构 排水设备的型式及可能产生的渗透变形情况而定 1 对于比较均匀的砂砾石层 一般布置2 3 个基面 每个基面3 5 个测点 2 对于双透水层坝基 般布置2 3 个观测基面 每个基面2 4 个测点 各测 点均应设在强透水层中 但在下游坝脚处和出水口附近的不同 层中可各布设一个测 点 以观测各层中渗水压力的变化 3 对于多透水层坝基 为观测各层中的渗水压力 可布置l 3 个观测基面 每 个基面每层中布置l 3 个测点 最好采用孔隙水压力计观测 并在施工期进行埋设 2 2 7 渗流量监测 此项观测包括坝肩 坝体及坝基各部位 应根据渗水部位 汇集条件 渗流量大 小并结合所采用的观测方法进行布置 现按土坝和混凝土坝分别叙述 1 土坝 一般在坝趾下游能汇集渗水的地点设置集水沟 在沟的出口处布设量水设备 进行观测 如集水沟后接有排水沟 则量测设备应布设在排水沟内 当渗水可以分区拦截时 可在坝趾下游分区设集水沟 末端归入总排水沟 在集 水沟和总排水沟上同时进行量测 对设有减压井的土石坝 尚应量测单井的渗流量 集水沟 排水沟和量测设备应布置在不受泄水建筑物泄水影响 不受坝面及 两岸排泄雨水影响的地方 并应结合地形尽量使其平直整齐 便于观测 2 混凝土坝 坝基和两岸的渗水必须分开观测 并力求按不同部位进行分区量测 有条件 时可选择部分排水孔进行单独观测 坝体靠上游面排水管的渗水流入排水沟后可分段集中观测 混凝土裂缝 伸 缩缝或岩石裂隙的渗水 应选择有代表性的固定缝口进行观测 一般可采用容积法 2 2 8 渗流水质监测 1 在渗流量观测及现场检查时 同时在各部位目视观测渗水是否透明清澈 发 现渗水浑浊或可疑时 应立即进行透明度检定 并及时掌握透明度的变化 2 渗水透明度一般l 3 个月检定一次 可在河床 两岸 廊道 重要构造带等 有代表性的部位取渗流水样 3 对有析出物或有侵蚀性的重要部位 应定期取水样进行水质分析 可根据要 求及变化情况 分别选用简易分析或全面分析 必要时应与水库水质进行比较 8 郑弛大学硕士学位论文第二章渗流监瓿的内容s 方法 2 3 仪器设备 由于渗流监测的项目较多 所以仪器设备的种类也较多 下面介绍几种比较常用 并且在工程应用中效果较好的观测仪器 8 2 3 1 测压管 可用来观测扬压力 浸润线 渗水压力 地下水位及绕坝渗流等 按其用途不同 构造也不完全相同 但基本上可分为土埂和混凝土坝两类 2 3 1 1 土坝测压管 可分金属管和塑料管两种 根据工程等级 水头大小及材料条件加以选择 但必 须保证安装后不易变形 漏水或损坏 以往管径多采用3 8 5 0 m m 近年来为了减少 滞后的影响 有向细管径发展的趋向 例如浙江和湖南的一些土坝采用了 p 1 5 m m 的 镀锌钢管 其进水段为透水砂轮 k 1 0 4 c m s 管外滤砂为中砂 高约1 s i n 测压管 的构造可分为进水段 导管段和管口段三部分 1 进水段一般在进水段管壁上钻有足够数量的进水孔 其外壁应包扎土工织 物过滤层或铜丝网 并填反滤料 该层材料必须能顺利渗水 经久耐用 不使土壤颗 粒透过网眼 2 导管段其材料和直径与进水段相同 要求管壁不透水 内壁光滑 接头一 般采用螺丝扣 塑料导管也可采用加箍焊接的办法 在土坝中导管一般是铅直的 只 有在观测斜墙坝的浸润线时 才采用水平管段的l 型导管 建议导管直径2 0 3 0 m m 3 管口段为了防止雨水 地表水流入管内或沿管外壁渗入坝体 避免石块或 杂物落入管内 必须安装专门的保护设备 其构造应力求简单牢固 防止人为破坏 2 3 1 2 混凝土坝测压管 此种测压管多设置在岩基上 且可能为有压渗流 与土坝不尽相同 但仍可分为 进水段 导管段和管口段三部分 典型的有以下几种 1 单管式管径一般为5 0 m m 进水段长l m 交错的排列着0 5 m m 钻孔 俗 称花管 当基岩灌浆后 在已浇混凝土上钻孔 然后将测压管插入经冲洗后的钻孔中 深入基岩0 7 5 m 管子末端离开孔底0 2 5 m 在花管周围填充经过筛分冲洗干净的粒径6 g m m 的卵石 填充高度为1 2 5 m 捣实后再将小块软粘土填入深约o 5 m 捣实压紧形成止水塞 上面再用水泥浆填充 使之与混凝土紧密结合 2 多管式在地质条件较复杂的部位 如需分层观测不同高程的渗流状态时 可在一个钻孔中安装两个以上测压管 进水段分别安装在不同的岩层内 再用导管引 到管口 中间用粘土及水泥浆隔开 3 u 型管式适用于岩石破碎渗出物较多的部位 因为有两个引出管 在灌浆 9 郑蛾大学硕士学位论文第二章渗流蕴铡的内容s 方法 的同时可用低压水冲洗 故不易被堵塞 用于需在灌浆前埋管的情况 用管材料较多 4 支撑式此种构造比较简单 进水段没有花管 仅将直径5 0 7 5 m m 的镀锌 管先固定在离基岩面o 1 5 m 的测点上 待浇注混凝土并灌浆后再从钢管口钻孔至基岩 内l m 这种方法被广泛采用 效果较好 2 3 2 孔隙压力计 可用来观测扬压力 浸润线 渗水压力 地下水位 绕坝渗流及孔隙水压力等 根据其原理不同有多种型式 现介绍以下几种 1 差动电阻式 水压力自进水口经透水石作用在感应板上 引起仪器内部两电阻r l 和r 2 的比值 差动变化 但当温度变化 例如升高 t 时 电气转换部件内的油和空气因温升而膨 胀 给感应板施加一个渗压力相反方向的压力 因此 在仪器受水压和温度双重作用 下 其计算公式应为 p 厂 z b a t 2 1 式中 p 一渗水压力 7 仪器修正压力最小读数 对于采用5 芯电缆的仪器可不做修i e b 一仪器温度补偿系数 z 一仪器电阻比变化量 丁一仪器温度变化量 2 钢弦式 此种仪器感应板上安装有钢弦 当渗水压力使感应板受压挠曲后 利用钢弦长度 的改变而产生不同的自振频率来测定挠曲的大小 进而换算成渗水压力 计算公式如 下 p 弘f2 bat 2 2 式中 f 2 一仪器频率平方的变化量 其余符号同式 2 1 3 电阻片式 此种仪器是将电阻丝应变片粘贴在感应板上 渗水压力引起电阻丝片变形 从而 使其电阻发生变化并按线性关系转换成电压 由于仪器温度能够自动补偿 所以不需 作温度修正 计算公式为 p f a s 2 3 1 0 郑弛大学碗士学位论文第二章渗流监翻的内容s 杰法 式中 a s 一仪器输出与输入电压比变化量 u v n 2 3 3 量水堰 量水堰是用来观测渗流量的设备 适用于1 3 0 0 l s 的范围内 一般设在集水沟 的直线段上 沟底及边坡需加护砌 要求堰下水深低于堰口 形成堰口自由溢流 且 不受泄水及雨水的影响 有以下几种型式 1 三角堰适用于流量1 7 0 l s 三角堰的堰口为底角成直角的等腰三角形 美 国垦务局采用装卸式的堰板 可根据流量大小改换型号 流量q 的计算公式如下 q 1 4 h 2 2 4 式中 h 一堰上水头 2 梯形堰适用于流量为1 0 3 0 0 l s 过水断面为梯形 严格保持水平 底宽不宜大于3 倍堰上水头 算式如下 q 1 8 6 h 2 b 边坡为1 o 2 5 堰口应 2 5 式中 b 一堰坎宽 3 矩形堰适用于流量大于5 0 l s 的情况 分为有侧向收缩和无侧向收缩两种 算式如下 有侧向收缩 q o 4 0 5 丁0 0 0 2 7 0 0 3 f f 1 o 5 5 b 2 熹 2 6 厨 a 1 a 6 压i 膏 2 2 6 式中 b 一堰墙宽 b 一堰口宽 h 一堰高 a i a 2 一系数 均可查表 无侧向收缩 q o 4 0 2 0 0 5 4 h b2 厄 h 3 2 m 6 万h 2 7 上述式 2 4 2 7 均可查表计算 9 1 2 3 4 容积法 适用于渗流量小于1 l s 的量测 分为两种 1 棉絮吸水法流量小于0 2 m l s 时用 2 容器截水法流量大于0 2 m l s 时用 根据渗水条件又可分为固定引槽集水 1 1 郑婀大学硕士学位论文s j 章渗流益瀚的内容s 方法 临时引槽集水和导管集水三种 2 3 5 透明度管 观测渗水透明度用 该管为高3 5 c m 直径3 c m 的平底玻璃管 管壁刻有厘米刻 度 零点在管底处并设有一个控制阀门 2 4 观测方法 2 4 1 测压管 虽然测压管是观测渗流的传统方法 但实践证明 由于滞后时间较长 只有在渗 透系数1 4 1 0 t 3 c m s 的岩石或土壤中才能获得较好的效果 在k i 矿 1 0 5 c m s 的粘性 土中 若库水位的持续稳定时间超过测压管滞后时间并形成稳定渗流 可选用0 1 5 m m 的测压管 但在下列情况下 不宜采用测压管 而采用孔隙压力计 不稳定渗流条件下的浸润线和渗压变化过程的观测 在岩石或土壤的渗透系数k 应采用低故障率 高可靠性并经过长期现场考验的监测系统和仪器设备 采用分布式数据采集系统 降低故障率 提高准确性和采集速度 扩展性强 所有监测参量均能实现人工比测 充分考虑防潮 防雷 抗干扰等因素 把由于自然 人为因素造成的系统损 坏降至最低 郑抽大学硬士学位论文 第三章渗流监溉系统韵设计 采集软件要简单实用 功能强 容易操作 数据库为开放的数据库 能与第 三方数据处理软件兼容 在高可靠性的基础上选用先进的系统和仪器 使建成后的系统达到国内或国 际先进水平 系统要优化 能扩展 可分期实施 力求工程费用和维修费用最低 在系统选型 设计时不仅要考虑系统的优化 降低工程费用 而且要保证系统可 扩展 在资金不足的情况下可分期实施 另外降低系统的后期维修费用也是设计应考 虑的因素 3 3 4 仪器的选型 3 3 4 1 测压管水位监测仪器的选型 昭平台水库大坝渗流监测均采用测压管 因此需要对监测测压管水位的渗压计仪 器进行选型 市场上监测仪器的类型较多 主要有差动电阻式 卡尔逊式 振弦式 光纤式 压阻式等传感器 几种类型的监测仪器各有优缺点 例如用硅应变片制成的 压阻式水位传感器不稳定 其时飘和温飘都较大 仅能用于短期水位测量 对大坝安 全监测而言 需要长期稳定的监测仪器 并且要求监测仪器安装简单 维护方便 不 需要经常率定 因此不能选用压阻式渗压计 差动电感式高精度扬压力计损坏率很高 国内外尚未有令人满意的监测成果发表 因此也不能选用 卡尔逊式仪器由于是 通过测量仪器的电阻和电压比来计算建筑物的变化情况的 而电缆本身 又有电阻 所以对电缆要求较为苛刻 一般不能远距离引设 最长引设 距离不能超过5 0 0 m 有的不能超过2 0 0 m 并且如果电缆经水浸泡或 绝缘度降低 仪器的测值精度就达不到要求 目前国内外观测设计时均 尽量避免选用该类仪器 因此卡尔逊式仪器也不适用于该工程的应用 目 前在国内各大工程中应用比较多 技术比较成熟的是振弦式传感器 振弦式仪器由 于是通过测量仪器钢弦的振动频率来计算建筑物的变化情况的 所以对 仪器电缆的要求较低 甚至能在裸露电缆情况下能准确地测量 并且电 缆引设距离一般能达到2 3 k m 因此此类仪器为国内外所首选 光纤传 感器技术先进 精度也非常高 但造价太高 结合当今趋势及昭平台水库的实际的情 况 渗流监测系统拟采选用振弦式传感器 常见的几种传感器优缺点对比如表3 1 表3 1 常见的几种传感器优缺点对比 传感器种类优点缺点 压阻式适于短期测量安装维护不便 需经常率定 不适于长期测量 差动电感式精度高易损坏 卡尔逊式适于短距离测量 误差大 对电缆要求高 郑弛大学硕士学位论文第三章渗流监溺系统鳃设计 振弦式成熟产品 使用广泛 各公司产品质量有差别 光纤式先进 新趋势发展价格昂贵 由于振弦式仪器的关键部件钢弦以及钢弦的焊接技术不过关 国内 厂家生产出的弦式仪器稳定性差 零飘较大 相比之下 国外厂商生产 的弦式仪器质量稳定 零飘很小 如美国的g e o k o n 公司 s i n c o 公司 以及加拿大的r o c t e s t 公司 从国内外工程运用实践情况来看 美国 g e o k o n 公司的产品又明显优于其它两家的产品 25 1 并且长期稳定性非 常好 全世界数以千记的大坝广泛使用了基康仪器 这些国家包括 美国 中国 西班牙 南非 巴西 瑞典 哥伦比亚 新西兰 肯尼亚 巴基斯坦 阿尔及利亚 印度尼西亚 泰国 澳大利亚等 涉及的大坝工程包括堆石坝 土坝 混凝土重力坝 拱坝 碾压混凝土坝等各种坝型 在中国 几乎所有的最重要的大型坝均选用了基康仪器 包括三峡 葛洲坝 小 浪底 二滩 十三陵 天荒坪等数十座大坝 基康公司产品在国内运行已超过 十五年 同时该公司是唯一在国内设立独资子公司 北京基康公司 的国 外厂家 其技术支持和售后服务能力较强 鉴于上述原因 观测仪器拟 采用美国g e o k o n 公司的产品 3 3 4 2 测压管仪器的性能指标 测压管内渗压计的选型 渗压计主要用于监测大坝 基础 暗渠 地下厂房和边坡等处的渗压及孔隙水压 力 振弦式渗压计不仅具有安装方便简单 长期可靠性好 测量精度高等优点 还具 有优秀的耐恶劣环境性 耐水压力可达1 0 0 0 m 水头 此外 即便在电缆破损芯情况 下 也不会影响数值测读 本系统渗压计拟采用基康公司的4 5 0 0 s 型标准压 力计 渗压计 量程选1 0 0 p s i 1 p s i o 0 7 k g c m 2 4 5 0 0 s 型压力计不仅用以测量流体压力 例如地下水位 坝体 土体的孔隙水压 力等 也可以用来装在孔内 监测井和测压管的压力或水位 压力计自带热敏电阻测 温以及雷击保护器 参见图3 3 图3 34 5 0 0 s 型渗压计 2 4 郑媳大学硕士学位论文 第三章渗流盟翱系统昀设计 4 5 0 0 s 型渗压计技术指标如表3 2 如示 表3 24 5 0 0 s 型渗压计技术指标 项目仪器性能 备注 标准量程 o 3 5 m p a 0 1 7 5 m p a 根据不同的测压管水位选用不同量 0 0 3 5 m p a 程的渗压计 过载能力2 倍额定压力 精度 o 1 f s 分辨率 0 0 2 5 e s 温度零漂 0 0 2 e s 温度范围 2 9 6 5 电缆 双绞 2 2 g a 6 4 r a m 直径 长度 直径 1 3 3 1 9m m 重量 0 1 2 k 8 水位计的选型 基康公司生产的传感器中用于测量水位的有4 5 0 0 a l 和4 5 0 0 a l v 两种 对 测量范围在低压区的情况 可采用通气 a l v 和不通气 a l 传感器 在长期 超过 十二个月 室外监测的情况 建议采用不通气型 并用第二个不通气的传感器作 为补偿大气压力变化的大气压力计 低压型的适合于测量小的水位变化 可测出 o 5 m m 的水位波动 压力计自带热敏电阻测温以及雷击保护器 水位计拟采用基康公司的4 5 0 0 a l v 型标准压力计 渗压计 用于 测量大坝下游水位 电站的尾水位及库水位 表3 3 水位计主要技术指标 项目仪器性能备注 量程3 5 7 0 1 7 5 l p a 超范围 2 x 额定压力 分辨率0 0 2 5 f s 温度零漂 w e b 服务器 客户端的模 式进行开发 具有以下主要特点 资料共享 新的系统基于w e b 开发 s q ls e r v e r 支持数据库信息自动发布到h t m l 文档 同时结合i i s 和s q l s e r v e r i n t e m e t c o n n e c t o r 两项技术 有利于资料的网上发 布和远程管理 安全性高 对于任何数据库系统来说 安全性至关重要 这一系统对于不同的用户 授予不同的安全级别 设置不同权限和访问页面 保证了资料不会被删除 修改 添 加 稳定性好 采用m i c r o s o f t 的s q ls e r v e r 作为数据库后台 对用户对资料的访问控 制性更强 自动处理错误信息 有利于系统的稳定 郑批大学硕士学位论文第四章软件部分介绍 扩展性强 a s p 具有无限可扩展性 可以使用v i s u a lc d e l p h i 等多种语言来编 写所需要的a c t i v e x 服务器组件 使用a c t i v e x 控件使得开发更简单 更具有可扩充 性 郑确大学硕士学位论文第五章渗流的计算机模拟 第五章渗流的计算机模拟 5 1 土坝渗流计算的任务与方法 坝身浸润线位置是校核坝体稳定的必须资料 如果坝身浸润线过高 以及在下游 坝坡出渗或与坝坡问的距离小于冰冻层厚度 都会危害下游坝坡的稳定安全 承压地 基坝下游剩余压力水头的大小 可用来校核覆盖层有无被顶托破坏的危险 分析坝下 游浸没破坏的程度以及对工农业生产可能带来的影响 对正在运行的坝 浸润线的计 算值常常可以用来与观测数据比较 分析渗流条件的变化和防渗体的运用情况 坝体和地基各个部位的渗流坡降 应小于相应部位土体的允许值 否则将发生渗 透变形破坏 需要特别注意渗流进入下游排水设施的出口部位 以及在坝体和地基内 部渗流绕过或穿过弱透水体进入强透水体的所谓内部出口部位 渗流破坏常常是在出 口处率先发生而向土体的深层发展 此外还需注意不同土层的接触面 天然地基中强 弱透水层的接触面等 在不同土体接触面上的允许坡降值往往比土体本身更小而起控 制作用 土坝渗流计算方法可分为流体力学解法和水力学解法两类 但广义的概念还包括 图解法 数值计算法以及各种试验的方法等 均质坝的稳定渗流问题 在已知边界条 件的情况下 可以通过解拉普拉斯方程式求解 在非稳定渗流情况下 可近似解扩散 方程式 但理论的流体力学解法仅对少数简单的情况有效 在实际工程中存在的大量 具有复杂边界条件的土坝渗流问题 要用水力学解法 图解法 数值计算或试验的方 法来求解 5 2 有限单元法的渗流计算 渗流计算是在已知定解条件下解渗流基本方程 以求得渗流场水头分布和渗流量 等渗流量要素 所以它是