《水利信息化技術(shù)》課件-7.滲流

水利信息化技術(shù)7.1滲流監(jiān)測(cè)滲流監(jiān)測(cè)是對(duì)水工建筑物及其地基內(nèi)有滲流形成的浸潤(rùn)線、滲透壓力、溫度、滲流量和滲水水質(zhì)等的監(jiān)測(cè)，主要為大壩在上、下游水位差作用下產(chǎn)生的滲流場(chǎng)的監(jiān)測(cè)（包括滲壓、揚(yáng)壓力、繞壩滲流及滲漏量）；地下洞室滲漏及外水壓力監(jiān)測(cè)；邊坡工程、滲流及其地下水位監(jiān)測(cè)。滲流監(jiān)測(cè)壩體、壩基滲流（壓）監(jiān)測(cè)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(yáng)壓力，通常采用滲壓計(jì)和測(cè)壓管監(jiān)測(cè)。繞壩滲流監(jiān)測(cè)，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(guān)鍵部位，以掌握地下水動(dòng)態(tài)，評(píng)價(jià)其防滲效果。地下水位的監(jiān)測(cè)，對(duì)評(píng)價(jià)近壩區(qū)滑坡體(岸坡)穩(wěn)定性十分重要，一般采用測(cè)壓管觀測(cè)。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(jì)觀測(cè)。滲流監(jiān)測(cè)對(duì)于用來?yè)跛耐潦瘔危趬误w和壩基部位產(chǎn)生滲流現(xiàn)象，當(dāng)滲流量、滲透坡降等要素超過允許值時(shí)，會(huì)為大壩安全運(yùn)行帶來隱患，可能造成壩坡滑動(dòng)，壩體、壩基出現(xiàn)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(huì)給下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全及國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來巨大的損失，且過量的滲漏會(huì)降低水資源的利用效率及水庫(kù)效益。又如對(duì)于地下水位的滲流監(jiān)測(cè)對(duì)壩區(qū)滑坡體的穩(wěn)定性具有重要意義，可以起到預(yù)知作用。因此，對(duì)各種水工建筑物進(jìn)行滲流監(jiān)測(cè)，充分發(fā)揮水庫(kù)工程效益、防災(zāi)減災(zāi)，有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。研究水工建筑物的滲流監(jiān)測(cè)的重要意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的大步發(fā)展，世界各國(guó)大力發(fā)展遙控儀器，并逐漸推廣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化。因此，滲流監(jiān)測(cè)的范圍和項(xiàng)目越來越多，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體上呈現(xiàn)出大規(guī)?；?、智能化等特點(diǎn)。國(guó)外滲流監(jiān)測(cè)普遍采用分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布置多臺(tái)小型化獨(dú)立測(cè)量裝置，分別對(duì)所監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。目前具有代表性的國(guó)外分布式系統(tǒng)產(chǎn)品有加拿大Roctest公司的SENSLOG1000X安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，美國(guó)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(guó)外成熟系統(tǒng)多采用有線通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，因?yàn)樗そㄖ锉O(jiān)測(cè)點(diǎn)比較分散，監(jiān)測(cè)點(diǎn)到監(jiān)控中心距離較遠(yuǎn)，采用有線通信不僅施工成本高，而且也不易于新監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擴(kuò)展。國(guó)外滲流監(jiān)測(cè)國(guó)內(nèi)水工建筑物滲流監(jiān)測(cè)起步較晚，從20世紀(jì)50年代開始經(jīng)歷了人工觀測(cè)、集中監(jiān)測(cè)、半自動(dòng)監(jiān)測(cè)、分布式自動(dòng)監(jiān)測(cè)等階段。目前運(yùn)用較成熟的有南京南瑞集團(tuán)的DAMS系統(tǒng)和南京水文自動(dòng)化研究所的DG系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)滲流監(jiān)測(cè)7.2滲流監(jiān)測(cè)的布置要求壩基滲流滲壓監(jiān)測(cè)一般根據(jù)建筑物的類型、規(guī)模、壩基地質(zhì)條件和滲流控制的工程措施等進(jìn)行設(shè)計(jì)布置，通?？v向監(jiān)測(cè)斷面1～2個(gè)，1級(jí)、2級(jí)壩橫向斷面至少3個(gè)。壩基滲流滲壓監(jiān)測(cè)對(duì)混凝土壩而言，縱向斷面宜布置在第一道防滲線上，每個(gè)壩段至少布設(shè)1個(gè)點(diǎn)。橫向斷面宜選擇在最高壩段、地形或地質(zhì)條件復(fù)雜地段，并盡量與變形、應(yīng)力應(yīng)變觀測(cè)斷面相結(jié)合。橫向監(jiān)測(cè)斷面宜不少于3個(gè)，可用測(cè)壓管或滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)壩基揚(yáng)壓力，橫斷面間距一般為50～100m,如壩體較長(zhǎng)、壩體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件大體相同，則可以加大橫斷面間距。橫斷面測(cè)點(diǎn)一般不少于3個(gè)。另外，在混凝土壩水平施工縫、土石壩防滲體內(nèi)及防滲墻幕后，通常根據(jù)需要設(shè)置滲流監(jiān)測(cè)?；炷翂螡B流滲壓監(jiān)測(cè)壩基深部滲透壓力監(jiān)測(cè)可根據(jù)壩基地質(zhì)條件及存在的主要地質(zhì)缺陷，有針對(duì)地布置測(cè)壓管或滲壓計(jì)。遇大斷層或強(qiáng)透水帶時(shí)，應(yīng)沿可能的滲流方向布置測(cè)點(diǎn)。壩體滲透壓力的監(jiān)測(cè)，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?biāo)鞣较蚺c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(jì)，監(jiān)測(cè)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(cè)繞壩滲流監(jiān)測(cè)主要設(shè)置在兩岸壩端及部分山體等部分，測(cè)點(diǎn)的布置主要根據(jù)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(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面的分布靠壩肩附近較密，每條測(cè)線布置不少于3～4個(gè)測(cè)點(diǎn)，帷幕前一般僅布置少量測(cè)點(diǎn)。繞壩滲流監(jiān)測(cè)邊坡工程一般在對(duì)大壩安全有較大影響的滑坡體或高邊坡進(jìn)行滲流監(jiān)測(cè)，應(yīng)盡量應(yīng)用地質(zhì)勘察孔做地下水位監(jiān)測(cè)孔。邊坡工程地下洞室主要進(jìn)行隧洞內(nèi)水外滲或是外水內(nèi)滲，以及隧洞外水壓力的監(jiān)測(cè)，它的布置主要根據(jù)水文及工程地質(zhì)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(shè)。對(duì)查明有滑動(dòng)面者，宜沿滑動(dòng)面的傾斜方向布置1～2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)孔應(yīng)深入到滑動(dòng)面以下2m,若滑坡體內(nèi)有隔水巖層，應(yīng)分層布置測(cè)壓管，同時(shí)做好層內(nèi)隔水。若地下水埋深較深，可利用勘察平洞或?qū)ＴO(shè)平洞設(shè)置測(cè)壓管進(jìn)行監(jiān)測(cè)。地下洞室滲流量監(jiān)測(cè)滲流量監(jiān)測(cè)包括滲透水的流量及水質(zhì)監(jiān)測(cè)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)中包括滲漏水的溫度、透明度和化學(xué)成分分析。滲流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置主要根據(jù)壩型和壩基地質(zhì)條件、滲漏水的出流和匯集條件，以及所采用的測(cè)量方法等確定。對(duì)于壩體、壩基、邊坡繞滲及導(dǎo)流(含減壓排水孔、井和排水溝)的滲流量，應(yīng)分區(qū)、分段進(jìn)行測(cè)量(有條件的工程宜建截水墻或監(jiān)測(cè)廊道),對(duì)排水減壓孔(井)應(yīng)進(jìn)行單孔(井)流量、孔(井)組流量和總匯流量的監(jiān)測(cè)。所有集水和量水設(shè)施均應(yīng)避免各水干擾。當(dāng)下游有滲漏水出溢時(shí)，一般應(yīng)在下游壩址附近設(shè)導(dǎo)滲溝(可分區(qū)、分段設(shè)置),在導(dǎo)滲溝出口或排水溝內(nèi)設(shè)置量水堰測(cè)其出溢(明流)流量。當(dāng)透水層較深，地下水低于地面時(shí)，可在壩下游河床中設(shè)置測(cè)壓管，通過監(jiān)測(cè)地下水坡降計(jì)算出滲流量。其測(cè)壓管布置，一般在順?biāo)鞣较蛟O(shè)兩根，間距10～20m;垂直水流方向應(yīng)根據(jù)控制過水?dāng)嗝婕捌錆B透系數(shù)的需要布設(shè)適當(dāng)排數(shù)。用于滲漏水溫度以及透明度監(jiān)測(cè)和化學(xué)分析水樣的采集，均應(yīng)在相對(duì)固定的出口或匯口進(jìn)行。水質(zhì)分析應(yīng)選擇有代表性的排水孔或繞壩滲流監(jiān)測(cè)孔，定期取水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，并與水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行比較，若發(fā)現(xiàn)有析出物或有侵蝕性的水流出時(shí)，應(yīng)取樣進(jìn)行全分析。水質(zhì)分析7.3滲流壓及其地下水水位監(jiān)測(cè)《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中4.2.3.1條規(guī)定：“滲流壓力觀測(cè)儀器，應(yīng)根據(jù)不同的觀測(cè)目的、土體透水性、滲流場(chǎng)特征以及埋設(shè)條件等，選用測(cè)壓管或振弦式孔隙水壓力計(jì)。滲流壓及其地下水水位監(jiān)測(cè)一般情況是：(1)作用水頭小于20m的壩、滲透系數(shù)大于或等于10-4cm/s的土中、滲壓力變幅小的部位、監(jiān)測(cè)防滲體裂縫等，宜采用測(cè)壓管。(2)作用水頭小于20m的壩、滲透系數(shù)小于10-4cm/s的土中、觀測(cè)不穩(wěn)定滲流過程以及不適宜埋設(shè)測(cè)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(jì)，其量程應(yīng)與測(cè)點(diǎn)實(shí)有壓力相適應(yīng)?！睗B流壓及其地下水水位監(jiān)測(cè)滲流壓通常稱為滲壓。滲壓計(jì)也稱為孔隙水壓力計(jì)，是用于測(cè)量構(gòu)筑物內(nèi)部孔隙水壓力或滲透壓力的傳感器，適用于長(zhǎng)期埋設(shè)在水工建筑物或其他建筑物內(nèi)部及其基礎(chǔ)。如用于檢測(cè)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(kù)水位或邊坡地下水水位的測(cè)量。按儀器類型可分為差動(dòng)電阻式、振弦式、壓阻式及電阻應(yīng)變片等。滲流壓振弦式和差動(dòng)電阻式儀器都是由感受壓力的彈性薄膜和密封腔內(nèi)的電氣感應(yīng)組件組成。差別主要在電氣感應(yīng)組件不同，前者是利用鋼弦的振動(dòng)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(jì)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(dāng)水壓力經(jīng)透水石傳遞至儀器內(nèi)腔作用到承壓膜時(shí)，承壓膜連帶傳感元件一同變形，即可把液體壓力轉(zhuǎn)化為等同的電信號(hào)測(cè)量出來。通過預(yù)先率定儀器參數(shù)即可計(jì)算出滲透壓力。振弦式滲壓計(jì)差動(dòng)電阻式滲壓計(jì)是滲透水壓力自進(jìn)水口經(jīng)透水石作用于感應(yīng)彈性膜片上，引起感應(yīng)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(yīng)電阻比發(fā)生變化。通過電阻比指示儀測(cè)量其電阻比變化而得到滲透壓力的變化量。滲壓計(jì)可同時(shí)測(cè)量電阻值的變化，經(jīng)換算即為測(cè)點(diǎn)處的溫度測(cè)值。差動(dòng)電阻式滲壓計(jì)地下水資源較地表水資源復(fù)雜，因此地下水本身質(zhì)和量的變化以及引起的地下水環(huán)境條件和地下水運(yùn)移規(guī)律不能直接觀察。同時(shí)，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(zhǔn)確開發(fā)保護(hù)地下水就必須依靠長(zhǎng)期的地下水監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握動(dòng)態(tài)變化情況。地下水監(jiān)測(cè)根據(jù)壓力與水深成正比關(guān)系的靜水壓力原理，運(yùn)用水壓敏感集成元器件做的壓力式水位計(jì)，當(dāng)傳感器固定在水下某一測(cè)點(diǎn)時(shí)，利用該測(cè)點(diǎn)以上水柱壓力高度加上該點(diǎn)高程，即可間接地測(cè)出水位高低；核心在于壓力式敏感集成元器件。另外內(nèi)置溫度傳感器，對(duì)外界溫度影響產(chǎn)生的變化進(jìn)行溫度修正；每個(gè)傳感器內(nèi)部有計(jì)算芯片，自動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)7.4滲流量監(jiān)測(cè)01當(dāng)流量小于1L/s時(shí)采用容積法。02當(dāng)流量在1～300L/s時(shí)采用量水堰法03當(dāng)流量大于300L/s或不能設(shè)量水堰時(shí)，將滲漏水引入排水溝中，采用流速法或超聲波流量計(jì)測(cè)量，這種方法在實(shí)際工程中應(yīng)用較少滲流量觀測(cè)根據(jù)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(cè)流量時(shí)，需將滲流水引入容器內(nèi)（如量筒等），測(cè)定滲流水容積和充水時(shí)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(cè)向收縮和有側(cè)向收縮兩種。量水堰法用于觀測(cè)堰上水頭的儀器設(shè)備有：水尺、水位測(cè)針或量水堰水位計(jì)。水尺精度不低于1mm,水位測(cè)針或量水堰水位計(jì)精度不低于0.1mm。測(cè)流速法觀測(cè)滲流量的測(cè)速溝槽應(yīng)是長(zhǎng)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(cè)滲流量的測(cè)速溝槽應(yīng)是長(zhǎng)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(shè)安裝埋設(shè):量水堰一般設(shè)在排水溝的直線段上，堰身采用矩形斷面，堰板應(yīng)為不銹鋼材料。堰槽段的尺寸及其與堰板的相對(duì)關(guān)系應(yīng)滿足如下要求：堰槽段全長(zhǎng)應(yīng)大于7倍堰口水頭，但不小于2m,其中堰板上游應(yīng)大于5倍堰口水頭，但不得小于1.5m,堰槽寬度應(yīng)不小于堰口最大寬度的3倍。堰板應(yīng)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(shè)安裝埋設(shè):堰板頂部應(yīng)水平，兩側(cè)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(cè)墻應(yīng)鉛直，誤差不得大于30”。兩側(cè)墻應(yīng)平行，局部的間距誤差不得大于10mm。水尺或水位計(jì)裝置應(yīng)該在堰板上游3～5倍堰口水頭處。量水堰安裝后，應(yīng)詳細(xì)填寫考證表。水利大數(shù)據(jù)的應(yīng)用當(dāng)測(cè)量量水堰堰頂水頭時(shí)，應(yīng)讀到最小估讀單位，量水堰的流量Q(m3/s)的計(jì)算公式如下：觀測(cè)與計(jì)算量水堰法容積法：直接測(cè)定滲漏水的容積和充水時(shí)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