土石坝坝体渗流压力观测包括观测断面上的压力分布和浸润线位置的确定。

(一)坝体渗流压力观测设计[15]

(1)观测横断面宜选在最大坝高处、合龙段、地形或地质条件复杂坝段,一般不得少于3个,并尽量与变形、应力观测断面相结合。

(2)观测横断面上的测点布置,应根据坝型结构、断面大小和渗流场特征,设3～4条观测铅直线,一般位置是:

1)均质坝的上游坝肩、下游排水体前缘各1条,其间部位至少1条。

2)斜墙(或面板)坝的斜墙下游侧、底部排水体前缘和其间部位各1条。

3)宽塑性心墙坝,墙体内可设1～2条,心墙下游侧和排水体前缘各1条。窄塑性或刚性心墙坝,墙体外上、下游侧各1条,排水体前缘1条,必要时经论证方可在墙体轴线处设1条。

(3)观测铅直线上的测点布置,应根据坝高和需要监视的范围、渗流场特征,并考虑能通过流网分析确定浸润线位置,沿不同高程布点。一般原则如下:

1)在均质坝横断面中部,心、斜墙坝的强透水料区,每条铅直线上可只设1个观测点,高程应在预计最低浸润线之下。

2)在渗流进、出口段,渗流各相异性明显的土层中,以及浸润线变幅较大处,应根据预计浸润线的最大变幅,沿不同高程布设测点,每条铅直线上的测点数一般不少于2～3个。

(4)需观测上游坝坡内渗压力分布的均质坝、心墙坝,应在上游坡的正常高水位与死水位之间适当增设观测点。

必要时可根据渗流场理论计算成果进行布设。几种不同坝型的坝体渗流压力观测布置示意图如图3-1～图3-4所示。

图31 均质坝坝体渗流压力监测布置

图3-2　有排水棱体均质坝坝体渗流压力监测布置

(二)坝体渗流压力观测方法

坝体渗流压力观测仪器,应根据不同的观测目的、土体透水性、渗流场特征以及埋设条件等,选用测压管或渗压计。一般情况是:

(1)作用水头小于20m 的坝,渗透系数k≥10-4cm/s的土中、渗流压力变幅小的部位、监视防渗体裂缝等,宜采用测压管。

图3-3　心墙坝坝体渗流压力监测布置

图3-4　面板堆石坝坝体渗流压力监测布置

(2)作用水头大于20m 的坝,渗透系数k＜10-4cm/s的土中、观测不稳定渗流过程以及不适宜埋设测压管的部位(如铺盖或斜墙底部接触面等),宜采用埋设渗压计,其量程应与测点实有压力相适应。

1.测压管及其安装

(1)测压管的一般要求。

1)测压管宜采用镀锌钢管或硬塑料管,一般内径不宜大于50mm。

2)测压管的透水段,一般长1～2m,当用于点压力观测时应小于0.5m,外部包扎足以防止周围土体颗粒进入的无纺土工织物,透水段与孔壁之间用反滤料填满。

3)测压管的导管段应顺直,内壁光滑无阻接头,应采用外箍接头,管口应高于地面,并加保护装置,防止雨水进入和人为破坏。

4)测压管的埋设,除必须随坝体填筑时埋设者外,一般应在土石坝竣工后,蓄水前用钻孔埋设。

5)随坝体填筑施工埋设时,应确保管壁与周围土体结合良好和不因施工遭受破坏。

(2)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(不宜加水)。深度大于10m 者应采用钻机造孔。(www.daowen.com)

为有足够容隙填充封孔材料,装单管 (测压管内径小于50mm 者)时,钻孔直径不宜小于100mm。埋设多管时,应根据装管数量及其直径,自下向上逐级扩径,原则上每增加一根测管相应孔径至少扩大一级。自上而下逐级成孔。自下而上逐管埋设。

不论何种土质,造孔均宜采用岩芯管冲击法干钻,并对岩芯作编录描述。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,应事先在监测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。

(3)测压管制造。测压管由透水段和导管组成。透水段可用导管管材加工制作,面积开孔率约10%～20% (孔眼形状不限,但须排列均匀和内壁无毛刺),外部包扎足以防止土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管作透水段。透水段顶端与导管牢固相连。

导管长度视管材和埋设方便而定。两端接头处宜用外丝扣,用外箍接头相连。

(4)测压管安装。埋设前,应对钻孔深度、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。

下管前应先在孔底填约10cm 厚的反滤料。

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,逐层夯实,直至本测点的设计进水段高度。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,故须在埋设中严格遵守设计意图,精确测量并记录存档。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,对黏壤土或砂壤土可用纯净细砂,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。

(5)封孔。凡不需要监视渗透的孔段(即非反滤料段),原则上均应严密封闭,以防降水等干扰。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,必要时需在导管外叠套橡皮圈或油毛毡圈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黏土球。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5～10mm 的不同粒径组成,应风干,不宜日晒、烘烤。封孔时需逐粒投入孔内,必要时可掺入10%～20%的同质土料,并逐层捣实。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黏土。

封至设计高程后,向管内注水,至水面超过泥球段顶面,使泥球崩解膨胀。

(6)灵敏度检验。测压管安装、封孔完毕后应进行灵敏度检验。检验方法采用注水试验,一般应在库水位稳定期进行。试验前先测定管中水位,然后向管内注清水。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;若为砂粒料,则为5～10倍。注入后不断观测水位,直至恢复到或接近注水前的水位。对于黏壤土,注入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。

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,以检查它们之间的封孔止水是否可靠。

(7)管口保护。灵敏度合格者,应尽快安设管口保护装置。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,并能锁闭且开启方便。尺寸和形式,应根据测压管水位的测读方法而定。当采用自记或遥测装置时,还应满足测量仪表的各种需求。

(8)原始资料考证。在从造孔始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,必要时需取样进行干密度、级配和渗透等试验。竣工时需提交完整的“测压管钻孔柱状图”和“测压管考证表”,并存档妥善保管。

测压管埋设示意图如图3-5所示。

2.渗压计及其安装

坝体内埋设渗压计有两种方法:一是随坝体的填筑直接埋设;另一种是钻孔埋设。渗压计埋设前,取下仪器端部的透水石,在钢膜片上涂一层黄油或凡士林以防生锈 (但要避免堵孔)。安装前需将仪器在水中浸泡24h以上,使其达到饱和状态。埋设方法如图3-6和图3-7所示。

(1)在坝体中埋设渗压计方法。

1)清理好渗压计埋设点处的基础面后,开挖埋设坑,坑底尺寸为15cm×40cm,深度40cm。

2)将坑底部先铺10～15cm 干净的中粗砂,并注水饱和,测头埋入后,周围回填中粗砂,注水饱和,并小心用人工击实。

3)中粗砂以上可填筑坝体土料,坑深高度以内用人工分层夯实,其压实密度和含水量同坝体填土。

图3-5　测压管埋设示

图3-6　渗压计坝体中埋设示意图

4)在反滤层粗砂和砂砾料排水带中,以及河槽砂卵石坝基表面埋设渗压计方法基本同上,依反滤关系,侧头周围填料亦可用粗砂填筑。

(2)钻孔中埋设渗压计方法。

1)在埋设点位置垂直钻孔至预定深度以下15～30cm,孔径φ110mm。安装渗压计的钻孔均不得采用泥浆钻进。

2)冲洗钻孔后,在孔底用干净的细砂回填至渗压计端头以下15cm。

3)将渗压计封装在饱水的透水砂袋中,放入钻孔内预定深度,用干净的砂回填至测头以上30cm,记录埋设高程并确定仪器正常后,上部用膨胀泥球回填封孔。