渗压计在渗流监测中的误差分析及对策

第４ １卷 第 １ ５期 ２０１０ 年 ８ 月
人 民 长 江 Ｙ ａ ｎ ｇ ｔ ｚ ｅ Ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ
， Ｎ ｏ ． １ ５ Ｖ ｏ ｌ ． ４ １ Ａ ｕ ｇ ． ， ２ ０ １ ０
文章编号： １ ０ ０ １－ ４ １ ７ ９ （ ２ ０ １ ０ ） １ ５－ ０ ０ ５ ９－ ０ ４
图２ 增设通气孔后两测孔误差变化规律
２ ． ２ 封闭系统内渗压计误差的影响因素
封闭系统内， 测压管内空气不与大气联通， 因此环 境大气压对实测渗压 水 位 没 有 影 响， 而管内局部气压 变化成为误差的主要来源。管内局部气压变化主要来 源于空气 温 度 变 化 引 起 的 热 胀 冷 缩、 水 汽 的 蒸 发 等。 在外界气温变化的情 况 下， 尤其是夏天太阳暴晒的时 候， 管内空 气 的 气 温 会 升 高， 引起管内气压的大幅增 加。这个压 力 会 直 接 作 用 于 渗 压 计 的 压 力 感 应 膜 片 上， 从而造成水位 上 升 的 假 象。 由 于 渗 压 计 本 身 并 未 测量空气的温度， 因此这个误差虽然是温度变化引起 的， 却不能通过温度修正来消除。
３ ］ ： 根据气体热力学公式 ［
图３ 室内密封容器内试验结果
试验结果证明： 渗压计测量结果受到管内局部气 压的影响非常显著。 再以现场某测孔 为 例， 该孔 ２ ０ ０ ９年 ６月 １ １日 比 ０ｄ的 渗 压 水 位 过 程 线 测误差较大。绘制 比 测 前 后 １ 如图 ４所示。根据 记 录， 比测前后较长一段时间内一 直是晴朗天气， 库水位变化也很小， 渗压水位应该是一 个平缓 变 化 的 过 程。 但 ６月 １ １日 水 位 突 然 下 降 约 ０ ． ４ｍ 。查阅工程的施工日志， 当日 １ ４ ： ０ ０打开了测压 管盖进行比测， 而渗 压 计 数 据 采 集 是 管 盖 打 开 之 后 进 行的。很显然， 密封的测压管在比测时被打开， 引起管 内因受热膨胀产生的 压 力 的 释 放， 是当日渗压计实测 水位向下 跳 跃 的 直 接 原 因。 这 也 从 另 一 个 角 度 印 证 了： 管内局部气压对渗压计的测量结果影响十分显著。
度各不相同， 因此都 会 不 同 程 度 地 受 到 局 部 气 压 及 环 境大气压的共同作用， 其影响因素复杂， 使误差修正变 得更加困难。
２ ． １ 开放系统内渗压计误差的影响因素
开放系统的渗压 计 主 要 是 受 环 境 大 气 压 的 影 响。 环境大气压不是固定 不 变 的， 而是随季节和气候的变 化、 地理位置的不同、 海拔高度的差异而变化的。地理 位置及海拔高度对某 一 特 定 部 位 的 渗 压 计 而 言， 其误 差是恒定的， 可以修正， 本文不予讨论。 （ １ ）季节的影响。环境气压随季节的变化表现出
１ ］ 明显的周期性 ［ ， 其变化最大范围为 ± １ ０～ １ ３ ． ３ｈ Ｐ ａ 。
我国大陆上绝大部分地区， 冬季气压最高， 夏季气压最 低， 年最大最小差值可达 ２ ６ｈ Ｐ ａ 。 （ ２ ）气候的影响。气候变化引起大气压的变化是 由于高气压、 低气压 系 统 的 移 动 和 发 展 而 引 起 的 气 压 的非周期变化。气压的变化与大气运动密切相关。一 ７ ０ｈ Ｐ ａ到 １０ ４ ０ｈ Ｐ ａ之 间， 年 年中， 气压变化一 般 在 ９ 变化幅度约为 ７ ０ｈ Ｐ ａ 。 气压年变化的大 小， 一般由低纬度向高纬度逐渐 增加。我国大陆气压 的 年 振 幅 各 地 相 差 很 大， 但其分 ６ｈ Ｐ ａ左 右， 布有一定的规律。福建以南 沿海 各地 在 １ １ｈ Ｐ ａ左 右， 华 北 平 原、 东部沿海及东 北 南 部 地 区 在 ２ 华中、 中南及四 川 盆 地 一 般 在 ２ ４ｈ Ｐ ａ以 上， 东北北部 及西北西南地势较高的地方年振幅在 １ ３ｈ Ｐ ａ 以下， 拉 ． ３ｈ Ｐ ａ 。 萨只有 ５ 环境气压的变化 如 果 不 加 修 正， 就会引起计算水 位的较大误差， 如华中地区， 因环境气压变化引起的误 差将超过 ０ ． ２ ６ｍ ， 其量值已经超 过渗 压计 标称 精 度 的 ８倍之多。 为验证环境气压 变 化 的 影 响， 作者对两支相邻部 位的渗压计， 在测压管管口增加通气孔， 使两个测孔气 压均与大气压一致并保持同步变化。然后分别用渗压 计和平尺水位计进行了一段时间的比测。比测结果表 ０ ． ３ｍ 之 间 变 化， 但两个孔 明， 各测孔的误差也 在 ０～ ） ， 在某一时间误差会同时 的误差变化几乎同 步 （ 图２ 增大， 另一时间误差会同时减小。其基本规律是： 气温 上升时， 渗 压 计 实 测 水 位 低 于 实 际 水 位， 而气温下降 时， 渗压计实测水位高于实际水位， 与气温影响大气压 的变化规律一致。这 充 分 说 明， 环境大气压的变化是 误差的主要来源。 已有研究资料也 表 明， 大气压变化能引起海平面
渗压计， 又称孔隙压力计， 是一种用于渗压水位监 测的仪器， 广泛应用 于 大 坝、 堤 防 及 各 种 岩 土 工 程 中。 其基本原理是利用静 水 压 力 作 用 于 感 应 膜 片 上， 将压 力转换成（ 光） 电信号， 并利用室内率定 获得的（ 光） 电 信号与静水压力的 关 系， 换 算 成 相 应 的 水 位。 根 据 输 出信号的不同， 渗压 计 可 以 分 为 振 弦 式、 差 动 电 阻 式、 光纤式等不同种类。 理论上， 在精度范围内， 渗压计实测的水位应等同 于真实水位。渗压计 室 内 率 定 时， 也表现出了很好的 线性和重复性。这导致在实际工程应用中产生了一种 误解， 利用渗压计的标称精度取代渗压计的实际精度， 而忽视了环境大 气 压 对 监 测 成 果 的 影 响。 长 期 以 来， 对渗压计应用于工程 实 践 中 的 精 度 问 题， 并未开展专 门的研究， 对环境大 气 压 影 响 监 测 成 果 的 程 度 和 方 式 认识不足； 目前已颁布施行的国家及行业规程规范中， 对渗压计室内率定及现场监测过程中的环境大气压影 响是否需要进行改正也未加以规定。 为系统研 究 渗 压 计 应 用 于 实 际 工 程 中 的 精 度 问 题， 作者在某土石坝 中， 安装了 ３ ６支 渗 压 计 进 行 精 度 检验。渗压计安装在 预 先 埋 设 的 测 压 管 中， 通过自动 采集系统， 进行长期、 连 续 的 监 测； 同时定期利用平尺 水位计进行人工 比 测。 结 果 发 现， 渗压计的误差均大
图１ 比测误差分布
作者简介： 李 刚， 男， 副总工程师， 教授级高级工程师， 硕士， 主要从事岩土工程安全监测工作。 Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ： ｘ ｂ ｂ ９ ０ ０ １ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ
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误差主要集中在 － ０ ． ３～－ ０ ． ２ｍ 之间， 占总数的 ５ ５ ％； 其次为 － ０ ． ４～ －０ ． ３ｍ 和 －０ ． ２～ －０ ． １ｍ 区 间， 分别占总数的 １ １ ％和 ２ １ ％ 。该类型渗压计的量程 为０ ． ３ ５ＭＰ ａ ， 标称精度 为 ０ ． １ ％Ｆ ． Ｓ ， 约在 ０ ． ０ ３ ５ｍ 以 ０ 内， 因 此， 比测的最大误差超过渗压计标称精度的 １ 倍之多。 由于平尺水位计是采用人工直读， 精度较高， 其测 量结果基本不 受 外 界 因 素 影 响， 其误差可以控制在 １ ｃ ｍ 以内， 可以认为所测结果接近真实水位。因 此比测 误差主要应该来自于渗压计的误差。 该类型的渗压计 是 由 国 外 某 知 名 厂 商 生 产 的， 在 世界范围内都有着广泛应用， 性能可靠稳定， 使用前也 经过了严 格 的 检 验 率 定， 各 项 指 标 均 满 足 规 范 要 求。 渗压计的安装及观测也都由经验丰富的技术人员按规 范进行操作。由于所 有 渗 压 计 均 出 现 较 大 误 差， 因此 可以推断与仪器本身质量及安装、 观测的质量无关。
２ ］ 。大气 压 大 于 （ 或小于） 整个海洋表面上的 的变化 ［
２ 渗压计误差来源分析
渗压计实测的压力 Ｐ为压力感应膜片承受的总压 、 大气压力 Ｐ 、 动水压力 Ｐ 力， 等于静水压力 Ｐ １ ２ ３ 之和。 在土石坝的渗流监测中， 动水压力 Ｐ ３ 是可以忽略不计 的， 于是： Ｐ ＝Ｐ １ ＋Ｐ ２ 渗压水位 Ｈ是静水压力 Ｐ １ 的线性函数： Ｈ ＝Ｈ ｇ γ ０ ＋Ｐ １／ 的容重。 但在工程实践中， 往往用渗压计实测的总压力 Ｐ 来代替静水压力 Ｐ 即： １， Ｈ ＝Ｈ ｇ γ ０ ＋Ｐ／ （ ３ ） 在 室 内 率 定 时， 由 于 持 续 时 间 很 短， 大气压力 Ｐ ２ 基本是不变的， 因此可以用 Ｐ代替 Ｐ １ 建立很好的水位 －（ 光）电信号的函 数 关 系。 但 应 用 于 实 际 工 程 中， 进 行长时间的监测时， 大气压力 Ｐ ２ 的 变 化 是 很 显 著 的， 如果也忽略不计， 则会产生明显的误差。 对于开放系统、 封闭系统以及半封闭系统， 大气压 力Ｐ 系 ２ 对渗压计的影响方式有很大差异。开放系统， 指安装渗压计的测压 管 口 没 有 密 封， 由于测压管内的 水面与大气相通， 因此测量结果主要是受环境大气压 的影响， 相 邻 位 置 的 仪 器 受 影 响 程 度 应 该 基 本 一 致。 封闭系统， 系指安装渗压计的测压管口进行了密封， 则 测量结果主要是受管 内 局 部 气 压 的 影 响， 而局部气压 又随管内气温变化幅度的不同而表现出时间及空间上 的差异性。半封闭 系 统 则 介 于 二 者 之 间。 事 实 上， 由 于测压管口通常都加 装 了 保 护 盖， 而保护盖的密封程 （ ２ ） 式中，Ｈ ｇ为 重 力 加 速 度； γ为 水 ０ 为仪器的 埋 设 高 程； （ １ ）
平均气压， 每百帕（ ｈ Ｐ ａ ） 的大气压变化将使海平面局 部降低（ 或升高 ） 约 １ｃ ｍ 。其量值与渗压计比测误差 的量值相当。
第１ ５期
李 刚， 等： 渗与气温接近， 因此， 理论上可以用渗压 计测得的 水 温 代 替 气 温 进 行 误 差 修 正。 但 在 测 压 管 内， 渗压计 测 量 的 水 温 基 本 与 气 温 无 关， 不能用于修 正。