渗压计在渗流监测中的误差分析及对策

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
３ ］ ： 根据气体热力学公式 ［
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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。
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
渗压计在渗流监测中的误差分析及对策
李 刚， 宋 先 海
（ 长江科学院 工程安全所， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ １ ０ ）
摘要： 为研究渗压计在渗流监测中的精度， 并分析产生 误 差 的 原 因， 对某土石坝埋设于测压管中的 ３ ０余 支 渗 压计进行了比测。比测方法为： 分别采用平尺水位计和自动化采集装置同时进行人工直接测读和机器自动测 ０ ． ５～ ０ ． ３ｍ 之间， 超过渗压计标称精度 约 １ ０倍 之 多， 且误差分布呈随机跳 读。结果表明， 比测误差一般在 － 动的特征。为进一步分析误差来源， 对部分测压管管口 装 置 开 孔 后 进 行 了 比 测， 并实施了密封容器内的渗压 计数据采集试验， 结果证明， 渗压计误差主要来源于环境大气压及管内局部气压的变化。在此基础上， 提出了 减小渗压计误差的技术措施， 包括使用通气型渗压计、 管口增设通气孔、 进行气压改正等。 关 键 词： 安全监测；误差；大气压；渗压计 中图法分类号：Ｔ Ｖ ６ ９ ８ ． １ ２ 文献标志码：Ａ
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： 渗压计在渗流监测中的误差分析及对策
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容器内水温变化与气温接近， 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。
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。
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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人 民 长 江
２ ０ １ ０年
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。
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
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
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 ）
收稿日期： ２ ０ １ ０－ ０ ５－ １ ９
大超出了仪器标称的 精 度 范 围， 且误差呈随机分布的 特性。本文根据理论 分 析 及 试 验 结 果， 指出了误差产 生的原因， 并提出消除或减小误差的对策。
１ 渗压计误差分布规律
某土石坝安装了 ３ ６支渗压计， 仪器安装于测压 管 内， 管口用保护盖密封。测压 管为 Ｄ Ｎ ４ ０镀 锌 钢 管， 透 水段长 １ ． ５ｍ 。加工透水段时， 预先在距离管底 ０ ． ５ｍ 处设置铜滤网， 渗 压 计 直 接 放 置 于 滤 网 上。 渗 压 计 采 用自动化数据采集设 备 进 行 数 据 采 集， 同时定期用平 尺水位计对测压 管 水 位 进 行 人 工 比 测。 一 段 时 间 后， 统计两种测试结果的误差。误差分布如图 １所示。