壓阻式孔隙水滲透壓力傳感器的簡單介紹

核心概念：孔隙水壓力

1. 定義： 指存在于土壤或巖石顆粒孔隙中的水所承受的壓力。它不同于作用于固體骨架上的應力。

2. 重要性：

• 邊坡穩定性： 孔隙水壓力升高會顯著降低土體的有效應力，是導致滑坡、崩塌的主要誘因之一。

• 地基承載力與沉降： 影響地基土的強度和變形特性。過高的孔隙水壓力可能導致地基失穩或產生過大的沉降。

• 土壓力： 影響作用在擋土墻、隧道襯砌等結構上的土壓力大小。

• 固結與沉降： 監測孔隙水壓力消散是計算和預測土體固結沉降的關鍵。

• 滲流分析： 測量不同位置的水頭（壓力水頭 + 位置水頭）是分析地下水滲流方向、速度和水力梯度的基礎。

• 施工降水： 監測降水效果，防止因降水引起周圍地面沉降或鄰近建筑物受損。

• 大壩、堤防安全： 監測壩體、壩基和繞壩滲流情況，評估滲流穩定性（管涌、流土風險）。

• 污染物遷移： 了解地下水流動狀態有助于預測污染物擴散路徑。

孔隙水滲透壓力傳感器的工作原理與類型

傳感器通過一個透水元件（通常由多孔陶瓷、燒結金屬或特殊塑料制成，稱為透水石）與土體孔隙水接觸，允許水自由通過而阻止土顆粒進入。透水石后面的腔室內充滿無氣水（脫氣水），水壓通過壓力敏感元件進行測量。主要技術類型有：

1. 壓阻式：

• 原理： 利用半導體或金屬應變片制成的惠斯通電橋。當水壓作用于敏感膜片時，膜片變形引起應變片電阻變化，電橋輸出與壓力成正比的電壓信號。

• 優點： 響應快、體積小、輸出信號強、成本相對較低。

• 缺點： 對溫度變化敏感（需良好溫度補償），長期穩定性可能不如振弦式，易受電磁干擾（需屏蔽）。

• 輸出： 模擬電壓（mV/V）或數字信號（帶變送器）。

2. 
   

關鍵應用場景

1. 邊坡與基坑工程： 監測潛在滑動面的孔隙水壓力變化，預警滑坡風險；評估基坑降水效果和支護結構穩定性。

2. 大壩與堤防： 監測壩體、壩基、岸坡的滲流壓力分布，評估滲流穩定性（浸潤線、揚壓力）。

3. 地基處理： 監測堆載預壓、真空預壓、強夯等地基處理過程中超靜孔隙水壓力的產生、消散和分布，控制加載速率，預測固結度。

4. 隧道與地下工程： 監測隧道開挖掌子面前方、襯砌背后的水壓力，評估突涌水風險和外水壓力。

5. 尾礦庫： 監測壩體和庫底的浸潤線位置和孔隙水壓力，保障庫區安全。

6. 環境巖土工程： 監測污染物羽流運移路徑中的水頭分布。

7. 科學研究： 土力學、巖石力學實驗中測量試樣內部的孔隙水壓力。

主要技術指標與選型考慮

• 量程： 需要覆蓋預期的最大孔隙水壓力（通常以 kPa 或 m 水柱表示）。

• 精度： 滿量程的百分比（%FS）或絕對誤差（kPa）。關鍵監測點需要高精度。

• 分辨率： 傳感器能檢測到的最小壓力變化。

• 溫度范圍與溫度補償： 工作環境溫度范圍及傳感器本身的溫度影響補償能力。

• 響應時間： 壓力變化后傳感器達到穩定讀數所需時間。對于快速變化過程（如爆破、地震）需快速響應。

• 過載能力： 能承受超過量程的壓力而不損壞的能力。

• 尺寸與形狀： 需適應鉆孔或埋設空間。

• 輸出信號： 與數據采集系統的兼容性（模擬電壓、頻率、數字總線、光纖信號）。

• 防護等級： 防塵防水等級（IP等級），特別是埋入式傳感器。

• 耐腐蝕性： 傳感器材料（尤其透水石、殼體）需適應地下水化學環境。

• 透水石進氣值： 透水石抵抗空氣進入（即被氣體穿透）的能力，決定了傳感器能準確測量的最小基質吸力（負孔隙水壓力）。高進氣值透水石能測量更干的土體。

• 成本： 包括傳感器本身、安裝、讀數設備及維護成本。

安裝注意事項

• 飽和： 傳感器腔室和透水石必須在安裝前充分飽和（煮沸或真空抽氣飽和），否則殘留氣體會導致測量滯后和誤差。

• 接觸： 確保透水石與待測土體良好接觸，無空洞或接觸不良區域。通常需要在透水石周圍包裹一層特定級配的砂（濾層）以促進水力連通并防止細顆粒堵塞透水石。

• 密封： 電纜/管路穿越不同土層或結構時需要良好密封，防止沿線的水力短路。

• 保護： 對傳感器本體和電纜/管路進行適當保護，防止施工或環境因素造成的機械損傷。

• 基準： 準確測量和記錄傳感器安裝位置的高程（用于計算水頭）。

總結

孔隙水滲透壓力傳感器是揭示巖土體內部水力狀態的核心“眼睛”。選擇合適的傳感器類型（壓阻、振弦、光纖等），關注關鍵指標（量程、精度、穩定性、溫度性能、透水石特性），并嚴格按照規范進行飽和、安裝和保護，是獲取可靠孔隙水壓力數據，從而保障工程安全、優化設計施工、進行科學研究的基礎。

在實際應用中，需要根據項目的具體需求（監測目的、環境條件、預算、數據采集方式等）來權衡選擇最合適的孔隙水壓力傳感器。