06第六章 渗流监测

目录

第六章渗流监测 (133)

第一节监测内容与布置 (133)

一、内容 (133)

二、监测布置 (133)

第二节渗流（压）及其地下水位监测 (134)

一、测压管及电测水位计 (134)

二、渗压计 (136)

第三节渗流量监测 (139)

一、观测方法及设施 (139)

二、安装埋设 (140)

三、观测与计算 (141)

第六章渗流监测

第一节监测内容与布置

一、内容

主要为大坝在上、下游水位差作用下产生的渗流场的监测（包括渗压、扬压力、绕坝渗流及渗漏量）；地下洞室渗漏及外水压力监测；边坡工程、渗流及其地下水位监测。有关饱和粘性土的孔隙水压力监测见第四章。

坝体、坝基渗流（压）观测主要是了解土石坝体和坝基渗透压力；混凝土坝的接缝渗漏和坝基扬压力，通常采用渗压计和测压管观测。

绕坝渗流观测，通常布置在大坝的两岸坝肩及部分山体，以及深入到两岸山体的防渗齿墙或灌浆帷幕前、后等关键部位，以掌握地下水动态，评价其防渗效果。

地下水位的观测，对评价近坝区滑坡体（岸坡）稳定性十分重要，一般采用测压管观测。

地下洞室围岩的渗流状况及其外水压力是隧洞稳定重要因素，一般采用渗压计观测。

二、监测布置

（一）坝体、坝基

坝基渗流渗压监测一般根据建筑物的类型、规模、坝基地质条件和渗流控制的工程措施等进行设计布置，通常纵向监测断面1～2个，1级、2级坝横向断面至少三个。

对混凝土坝而言，纵向断面宜布置在第一道防渗线上，每个坝段至少布设一个点。

横向断面宜选择在最高坝段、地形或地质条件复杂地段，并尽量与变形、应力应变观测断面相结合。横断面间距一般为50m～100m，如坝体较长、坝体结构和地质条件大体相同，则可以加大横断面间距。横断面测点一般不少于3个。

另外，在混凝土坝水平施工缝、土石坝防渗体内及防渗墙幕后，通常根据需要，设置渗流监测。

（二）绕坝渗流

绕坝渗流监测主要设置在两岸坝端及部分山体等部分，测点的布置主要根据地形、枢纽布置、渗流控制及绕坝渗流区特性而定。一般在两岸的帷幕后沿流线方向分别布置2～3个监测断面，断面的分布靠坝肩附近较密，每条测线布置不少于3～4个测点，帷幕前一般仅有少量测点布置。

（三）边坡工程

边坡工程一般在大坝安全有较大影响的滑坡体或高边坡进行渗流监测，应尽量应用地质勘察孔做地下水位监测孔。

（四）地下洞室

地下洞室主要进行隧洞内水外渗或是外水内渗、以及隧洞外水压力的观测，它的布置主要根据水文及工程地质情况而定，通常在隧洞围岩的顶部、腰部及底部紧贴混凝土衬砌的围岩中布设。

对查明有滑动面者，宜沿滑动面的倾斜方向布置1～2个监测断面。监测孔应深入到滑动面以下2m，若滑坡体内有隔水岩层时，应分层布置测压管，同时做好层内隔水。若地下水埋深较深，可利用勘察平洞或专设平洞设置测压管进行监测。

渗流量观测，包括渗透水的流量及水质观测。水质观测中包括渗漏水的温度、透明度和化学成份分析。

渗流量观测系统的布置，主要根据坝型和坝基地质条件、渗漏水的出流和汇集条件，以及所采用的测量方法等确定。对于坝体、坝基、边坡绕渗及导流（含减压排水孔、井和排水沟）的渗流量，应分区、分段进行测量（有条件的工程宜建截水墙或观测廊道），对排水减压孔（井）应进行单孔（井）流量、孔（井）组流量和总汇流量的观测。所有集水和量水设施均应避免客水干扰。

当下游有渗漏水出溢时，一般应在下游坝址附近设导渗沟（可分区、分段设置），在导渗沟出口或排水沟内设置量水堰测其出溢（明流）流量。

当透水层较深，地下水低于地面时，可在坝下游河床中设置测压管，通过观测地下水坡降计算出渗流量。其测压管布置，一般在顺水流方向设两根，间距10m～20m；垂直水流方向，应根据控制过水断面及其渗透系数的需要布设适当排数。

渗漏水的温度以及用于透明度观测和化学分析水样的采集，均应在相对固定的出口或汇口进行。

第二节渗流（压）及其地下水位监测

一、测压管及电测水位计

（一）组成及工作原理

测压管主要由导管、进水管、沉淀管等三部分组成，管材可选用金属管或硬质塑料管，一般内径不宜大于50mm。管口有压时安装压力表，用压力表读取水压力，管口无压时用电测水位计观测水位。压力表要选用量程合适的精密压力表，使读数在1/3～2/3量程范围内，精度不低于0.4级。电测水位计根据水能导电的原理设计，当金属测头接触水面两电极使电路闭合，信号经电缆传到触发蜂鸣器和指示灯，此时可从电缆或标尺上直接读出水深（图6-1、图6-2）。

图6-1 测压管结构示意图

图6-2 电测水位计

（二）安装埋设

1. 造孔

在坝高或埋深小于10m的壤土层中埋设测压管时，可采用人工取土器钻孔；深度大于10m，或在混凝土或基岩中钻孔，应采用钻机造孔。

在岩体比较完整、裂隙不很发育的钻孔孔径，一般为50～70mm即可，在覆盖层或风化较剧烈、裂隙发育的基岩钻孔，为有足够的空隙填充封孔材料，孔径不宜小于100mm。埋设多管时，应根据装管数量及直径，自下而上逐级扩径，原则上每增加一根测压管，相应直径至少扩大一级。自上而下逐级成孔，自下而上逐管埋设。

无论是覆盖层或是基岩钻孔，严禁用泥浆固壁。需要防止塌孔时，可采用套管护壁，如估计难以拔出，应事先在钻孔部位的套管壁上钻好透水孔。终孔后应测量孔斜，以便精确确定测点位置。

2. 测压管制作要求

测压管由透水段和导管组成，透水段可用导管管材加工制成，面积开孔率约10～20%（孔眼须排列均匀、内壁无毛刺），外部包扎足以防止颗粒进入的无纺土工织物，管底封闭，不留沉淀管段。也可采用与导管等直径的多孔聚乙烯过滤管或透水石作透水段，透水段与导管牢固相连。导管长度视管材和方便埋设而定，两端接头处宜用外丝扣，用外箍接头相连。

3. 下管埋设

埋设前应对钻孔埋深、孔底高程、孔内水位，有无塌孔以及测压管加工质量、各管段长度、接头、管帽情况等进行全面检查，并做好记录。

对于覆盖层钻孔，在下管前应先在孔底填好约10cm厚的反滤层料。下管过程中必须连接严密，吊系牢固，保持管身顺直。就位后应立即测量管底高程和管水位，并在管外回填反滤料，逐层填实，直至设计进水段的高度。从孔底至反滤料顶面的孔段长度，才是真正的测压管进水段（可大于测压管管体透水段），也是该测压管的实际监测范围。对反滤料的要求，既能防止细颗粒进入测压管，又具有足够的透水性。一般其渗透系数宜大于周围土体的10～100倍，对粘壤土或砂壤土可用纯细砂；对砂砾石层可用细砂到粗砂的混合料，回填前需洗净、风干，缓慢入孔。

4. 封孔

凡不需要监测渗透的孔段（即非反滤段），原则上均应严密封闭，以防降水等客水干扰，尤其在一孔埋设多个分层测点者，更需注意各测点间的隔离止水质量。必要时需在导管外套橡皮圈或毛毡圈2～3层，管周再填封孔料，以防水压力串通。

封孔材料，宜采用膨润土球或高崩解性粘土球，要求在钻孔中潮解后的渗透系数小于周围土体的渗透系数。土球应由直径5～19mm的不同粒径组成，应风干，不宜日晒、烘烤。封孔时需逐粒投入，必要时可掺入10～20%的同质土料，并逐层填实，切忌大批量倾倒，以防架空，管口下1～2m 范围内应用夯实法回填粘土。

封至设计高程后，项管内注水，至水面超过泥球段顶面，使泥球崩解膨胀。

在坝基岩体完整性较好、裂隙不很发育的地段，通常不设埋管。

5. 灵敏度检验

测压管安装、封孔完毕后，应进行灵敏度检验。

在覆盖层中采用注水试验，在坝基岩体中采用压水试验。在覆盖层中试验前先测定管中水位，然后向管内注水。若进水段周围为壤土料，注水量相当于每米测压管容积的3～5倍；若为砂砾料则为5～10倍。注入后不断观测孔内水位，直至恢复到或接近注水前的水位。对于粘壤土，注水水位在五昼夜内降至原水位为灵敏度合格，对于砂壤土，一昼夜降至原水位为灵敏度合格；对于砂砾土，1～2h降至原水位或注水后水位升高不到3～5m为合格。在坝基岩体中，通常采用压水试验，压水试验通常以大于0.1lu为合格。

当一孔埋多根测压管时，应自上而下逐根检验，并同时观测非注水管的水位变化，以检验它们之间的封孔止水是否可靠。

6. 管口保护

灵敏度合格后，应尽快安设管口保护装置。一般可采用混凝土预制件、现浇混凝土或砖石砌筑，但均要求结构简单、牢固，能防止雨水流入和人畜破坏，并能锁闭、开启方便。尺寸和形式应根据测压管水位和测读方便而定。当采用自计或遥测装置时，还应满足测量仪表的各种需求。

7. 原始资料考证

在从造孔至灵敏度检验合格止的全过程中，应随时记录和描述有关情况及数据，竣工时需提交完整的测压管钻孔柱状图和埋设考证表，并存档妥善保管。

（三）观测方法

当测压管水位低于管口时，采用电测水位计量测测压管水位。首先将水位计测头缓慢放入管内，在指示器和蜂鸣器开始反应时，测量出管口至孔内水面的距离。应先后观测两次，两次读数之差不应大于1cm。

当测压管水位高于管口时，采用压力表测量管内水压。原则上应首先排掉管内积存气体，待压力稳定后才能读数。压力值应读到压力表的最小估算单位，每年应对压力表进行一次校验。

无论是测压管内水位高于或低于管口，均可采用渗压计进行测读，其方法可见下节渗压计监测方法。

二、渗压计

渗压计用于监测岩土工程和其他混凝土建筑物的渗透水压力，适用于长期埋设在水工建筑物或其它建筑物内部及其基础，测量结构物内部及基础的渗透水压力，也可用于水库水位或边坡地下水位的测量。

渗压计根据传感器不同，可以分为钢弦式、差阻式和压阻式等，目前国内常用的为钢弦式渗压计和差阻式渗压计。

（一）组成及工作原理

钢弦式渗压计由透水石、承压膜、压力传感器、线圈、壳体和传输电缆等部分组成（图6-3）。

当水压力经透水石传递至仪器内腔作用到承压膜，承压膜连带传感元件一同变形，即可把液体压力转化为等同的电信号测量出来。通过预先率定仪器参数即可计算出渗透压力。

差阻式渗压计是渗透水压力自进水口经透水石作用于感应弹性膜片上，引起感应膜片位移，从而使其敏感组件上的两根电阻丝电阻值发生变化，其中一根R1减小（增大），另一根R2增大（减小），相应电阻比发生变化，通过电阻比指示仪测量其电阻比变化而得到渗透压力的变化量。渗压计可同时测量电阻值的变化，经换算即为测点处的温度测值（图6-4）。

图6-4 差阻式渗压计结构示意图

（二）安装埋设

1. 渗压计在埋设前必须进行室内检验率定，合格后方可使用。按设计要求接长电缆（或仪器出厂前按设计要求长度定制电缆），做好电缆接头的密封处理，并作绝缘度检验，电缆接长后须用测读仪进行测量，并作记录。

2. 安装前需将渗压计在水中浸泡24h 以上，使其达到饱和状态，再将测头放进装有干净的饱和细砂袋，防止水泥浆或粘土细颗粒进入渗压计内部，堵塞进水。

3. 在土石坝坝基表面埋设，可采用坑式埋设法。在坝内埋设时，当坝面填筑高度超出测点埋设高程的0.3m 时，在测点挖坑，坑深约0.4m ，采用砂包裹体的方法，将渗压计在坑内就地埋设。砂包裹体由中粗砂组成，并以水饱和。然后采用薄层辅料，专门压实的方法，按设计回填原开挖料。埋设后的渗压计，仪器以上的填方安全覆盖厚度不小于1m 。

4. 在混凝土浇筑面及基岩面埋设，可采用浅孔埋设方法。在埋设部位预留（混凝土）或钻孔，1-透水石；2-钢弦；3-不锈钢体；4-引出电缆；5-膜片；6-激励及接收线圈；7-内密封 图6-3 钢弦式渗压计结构示意图

图6-5 基岩面与混凝土界面渗压计埋设

5. 在坝基深孔内埋设渗压计时，钻孔直径一般为110mm左右，钻孔完成后先将粒径约为10mm 的砾石导入孔内，厚约40cm，然后将装有仪器的砂包吊入孔底。如孔太深可用钢丝吊住砂包，并把电缆绑在钢丝上吊装，以防止仪器电缆自重太大而受到损坏，再在上面填入40cm厚细砂，然后填20cm厚粒径为10～20mm的砾石，再在余孔段灌入水泥膨润土浆或预缩砂浆。如果一孔内埋设多个渗压计，则需分段密封。

6. 渗压计埋设完成后，按设计要求走向敷设电缆。为防止沿电缆走向渗水，电缆应尽可能分散敷设，必要时设立止水环。在过接缝时，宜套管（钢或塑料）保护。在变形较大地段，宜弯曲敷设，使电缆留有变形余地，以防止变形过大而拉断。

（三）观测方法

1. 钢弦式渗压计水压力P计算公式：

P t = K×（R0-R t）+ C×（T t-T0）

式中：P－t时刻测量的渗压力（MPa）；

K－仪器系数（MPa/digitl）；

R t－t时刻仪器读数（digitl）；

R0－初始仪器读数（digitl）；

C－温度系数（MPa/℃）；

T t－t时刻温度读数（℃）；

T0－初始温度读数（℃）。

2. 差阻式渗压计水压力P计算公式：

-

P?

?

=

Z

f

t

b

式中：P—渗透水压力（MPa），受压为负值；

f—渗压计最小读数（10-6/0.01%）；

b—渗压计的温度修正系数（MPa /oC）；

ΔZ—电阻比相对于基准值的变化量，仪器压力升高，ΔZ为负；

Δt—温度相对于基准值的变化量，温度升高为正，降低为负，单位oC。

另外，对于渗压计而言，由于在装有感应部件的密封室内除了灌充中性油用于保护钢丝外，还保留少量空气，当温度升高后，空气和油都会膨胀，引起承压板向外变形，其变形方向刚好与渗水压力作用相反，使实测水压力减小，故计算渗水压力时，其温度补偿系数应取负号，这是与其它差阻式仪器不同之处。渗压计反映的水压力应为负值，如果出现正值，则有可能是测值不正常或温度补偿系数b的取值不合理造成的。

第三节渗流量监测

一、观测方法及设施

渗流量观测根据渗流量的大小和汇集条件，选用如下几种方法：

1. 当流量小于1L/s时采用容积法；

2. 当流量在1～300L/s时采用量水堰法；

3. 当流量大于300L/s或不能设量水堰时，将渗漏水引入排水沟中，采用流速法或超声波流量计测量，这种方法在实际工程中应用较少。

（一）容积法

观测流量时，需将渗流水引入容器内（如量筒等），测定渗流水容积和充水时间（一般为1min，且不得少于10s），即可求得渗流量。

（二）量水堰法

常用的有三角堰、梯形堰和矩形堰，常用的为三角堰，各种量水堰的堰板一般采用不锈钢板制作，各种量水堰与堰板结构见图6-6。

1. 三角堰。适用于流量在1-70L/s之间，三角形堰缺口为一等腰三角形，底角为直角，堰上水头约为50～300mm。

2. 梯形堰。适用于流量在10-300L/s之间，常用1:0.25的边坡，底（短）边宽度b应小于3倍堰口水头H，一般在0.25～1.5m范围。

3. 矩形堰。适用于流量>50L/s，堰口b应为2～5倍堰上水头H，一般在0.25～2.0m范围内。矩形堰分为无侧向收缩和有侧向收缩两种。

a.直角三角形量水堰

b.梯形量水堰

c.矩形量水堰

图6-6 量水堰结构示意图

用于观测堰上水头的仪器设备有：水尺、水位测针或量水堰水位计。水尺精度不低于1mm，水位测针或量水堰水位计精度不低于 0.1mm。

测流速法观测渗流量的测速沟槽应是长度不小于15m的直线段，且断面一致，保持一定纵坡，不受其它水干扰。

（三）流速法

观测渗流量的测速沟槽应是长度不小于15m的直线段，且断面一致，保持一定纵坡，不受其它水干扰。

二、安装埋设

1. 量水堰一般设在排水沟的直线段上，堰身采用矩形断面，堰板应为不锈钢材料。

2. 堰槽段的尺寸及其与堰板的相对关系应满足如下要求：

堰槽段全长应大于7倍堰口水头，但不小于2m，其中堰板上游应大于5倍堰口水头，但不得小于1.5m，堰槽宽度应不小于堰口最大宽度的3倍。

3. 堰板应为平面，局部不平处不得大于±3mm，堰口的局部不平处不得大于±1mm。

4. 堰板顶部应水平，两侧高差不得大于堰宽的1/500，直角三角堰的直角误差不得大于30”。

5. 堰板和侧墙应铅直，误差不得大于30”。

6. 两侧墙应平行，局部的间距误差不得大于10mm。

7. 水尺或水位计装置应该在堰板上游3～5倍堰口水头处。

8. 量水堰安装后，应详细填写考证表。

三、观测与计算

1. 量水堰法

当测量量水堰堰顶水头时，应读到最小估读单位，量水堰的流量Q（m3/s）计算公式如下：1）直角三角形量水堰

2/5

Q=

4.1H

式中： H－堰上水头（m）

2）梯形量水堰

堰口应严格保持水平，1:0.25的梯形堰流量Q计算公式为：

2/3

Q=

.1H

86

b

3）矩形量水堰

矩形量水堰计算较为复杂，无侧向收缩矩形量水堰流量Q计算公式为：

2/3

Q=

2gH

mb

式中：m =（0.402+0.054H/P），其余符号见上图。

2. 容积法

直接测定渗漏水的容积和充水时间（一般为1min，且不得小于10s）。

3. 水质分析

水质分析所需水样应在规定的监测孔、排水孔或廊道排水沟内取得。在监测孔中取样时，也应在水库内同时取水样，以便分析比较。坝体混凝土中或基岩中的析出物，应取样做分析，检查是否有化学管涌或机械管涌发生。

水质分析包括物理指标和化学指标两部分，有水质分析有全分析和简分析，一般情况下仅作简分析项目。

全分析项目包括有：

（1）水的物理性质：水温、气味、混浊度、色度。

（2）PH值。

（3）溶解气体：游离二氧化碳－CO2、侵蚀性二氧化碳－CO2、硫化氢－HO2、溶解氧－O2。

（4）耗氧量。

（5）生物原生质：亚硝酸根－H-2、硝酸根－NO-3、磷－P、铁离子（高铁－Fe3+ 及亚铁－Fe2+）、氨离子－NH+4、硅－Si。

（6）总碱度、总硬度及主要离子、碳酸根－CO2-3、重碳酸根－HCO-3、钙离子－Ca2+、镁离子－Mg2+、氯离子－C1-、硫酸根－SO2-4、钾和钠离子－K++Na+。

（7）矿化度。

简易分析项目包括有：

色度、水温、气味、混浊度、PH值、游离二氧化碳、矿化度、总碱度、硫酸根、重碳酸根及钙、镁、钠、钾、氯等离子。