水利工程論文-土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究.doc

水利工程論文-土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究摘要：文章對(duì)土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理、研究歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，對(duì)土石壩的熱學(xué)特性以及土石壩溫度與滲流的關(guān)系等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了討論，從理論上證明利用分布式光纖量測(cè)得到的溫度場(chǎng)，通過有限元數(shù)值計(jì)算可以得到滲流場(chǎng)的滲透系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滲流場(chǎng)的監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵詞：土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)溫度滲流耦合1滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理土石壩的土石體介質(zhì)內(nèi)非滲流區(qū)的溫度場(chǎng)分布受單純的熱傳導(dǎo)控制，在土石體表層1015m范圍內(nèi)，溫度場(chǎng)受流體(空氣、水)的季節(jié)性溫度變化控制，越靠近表面區(qū)域與流體溫度越一致。由于土體具有較低的熱傳導(dǎo)特性，土體導(dǎo)熱率低，溫度場(chǎng)分布較均勻，流體溫度與土體內(nèi)部的溫度差別隨深度而增加。當(dāng)土石體內(nèi)存在大量水流動(dòng)時(shí)，土石體熱傳導(dǎo)強(qiáng)度將隨之發(fā)生改變，如滲透系數(shù)大于10-6m/s，土石體傳導(dǎo)熱傳遞將明顯被流體運(yùn)動(dòng)所引起的對(duì)流熱傳遞所超越。即使很少的水體流動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致土石體溫度與滲漏水溫度相適應(yīng)，由此引起溫度場(chǎng)的變化。將具有較高靈敏度的溫度傳感器埋設(shè)在土石壩的土石介質(zhì)的擋(蓄)水建筑物的基礎(chǔ)或內(nèi)部的不同深度。如測(cè)量點(diǎn)處或附近有滲流水通過(滲透流速一般必須大于10-6m/s)，水流的運(yùn)動(dòng)和遷移，土中熱量傳遞的強(qiáng)度發(fā)生改變，將打破該測(cè)量點(diǎn)處附近溫度分布的均勻性及溫度分布的一致性。土體溫度隨滲水溫度變化而變化。在研究該處正常地溫及參考水溫后，就可獨(dú)立地確定測(cè)量點(diǎn)處溫度異常是否是由滲漏水活動(dòng)引起的，這一變化可作為滲漏探測(cè)的指征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土體內(nèi)集中滲漏點(diǎn)的定位和監(jiān)測(cè)。2滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究歷史和現(xiàn)狀2.1利用點(diǎn)式熱敏溫度計(jì)測(cè)量溫度進(jìn)而監(jiān)測(cè)滲流場(chǎng)早期滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是通過在水工建筑物或其基礎(chǔ)內(nèi)埋設(shè)大量熱敏溫度計(jì)來進(jìn)行溫度測(cè)量的。美國加利福尼亞Occidental大學(xué)地質(zhì)系的JosephH.Birman等人從1958年開始研究利用這一技術(shù)勘探地下水，1965年JosephH.Birman將這一技術(shù)用于水壩的漏水探查中，并申請(qǐng)了專利。美國墾務(wù)局也將這一技術(shù)成功地應(yīng)用于一些病險(xiǎn)土石壩的治理。前蘇聯(lián)將其擴(kuò)展至混凝土壩，在水庫蓄水后發(fā)現(xiàn)了地下集中滲漏通道。上述測(cè)量方法的致命缺陷是對(duì)土體內(nèi)溫度實(shí)施點(diǎn)式測(cè)量，因測(cè)量點(diǎn)有限，對(duì)溫度場(chǎng)分布中的不規(guī)則區(qū)域集中滲漏往往漏檢，因此增大了對(duì)滲漏通道的漏檢概率。2.2熱脈沖方法（HPM）滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)滲漏水流必然與對(duì)流熱傳輸相伴產(chǎn)生，對(duì)流熱傳輸是超出已存在的、流速不大于10-7m/s引起的傳熱以外的熱量傳遞部分。使用一個(gè)線熱源，可以在大壩內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)非常確定的熱量擾動(dòng)。根據(jù)所在處的熱傳導(dǎo)率和滲流流速，在熱源范圍內(nèi)就可以獲得隨一個(gè)隨時(shí)間的特定溫升情況。通過測(cè)定這個(gè)作為時(shí)間函數(shù)的溫升，并與數(shù)值模型得到的溫度-時(shí)間曲線對(duì)比，就可能決定滲漏的流速，這就是熱脈沖方法（HPM）滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)。熱脈沖方法的探測(cè)深度取決于加熱時(shí)間、熱源強(qiáng)度和孔隙水的流速。一般情況下，如果加熱周期在6到8個(gè)小時(shí)之間，小到10-6m/s量級(jí)的流速就可以被測(cè)到。2.3分布式光纖熱滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)近年來，各種類型分布式光纖傳感器系統(tǒng)有了迅速發(fā)展，現(xiàn)有的光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)能夠沿長達(dá)40km的光纖上實(shí)時(shí)連續(xù)采樣并能對(duì)測(cè)量點(diǎn)定位，測(cè)溫精度和空間分辯率也都有很大的提高。目前，這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如高壓輸電線、化工廠的反應(yīng)器等的溫度分布探測(cè)等。光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)可望取代傳統(tǒng)點(diǎn)式溫度傳感器應(yīng)用于壩工、堤防的滲漏監(jiān)測(cè)中，并可以大大提高發(fā)現(xiàn)水工建筑物及其基礎(chǔ)集中滲漏通道的概率。將分布式光纖溫度測(cè)量應(yīng)用于土石壩內(nèi)部的滲漏探測(cè)有兩種方式：即梯度方式和電熱脈沖方式。梯度法即利用光纖系統(tǒng)直接測(cè)量土體內(nèi)實(shí)際溫度，不對(duì)光纜進(jìn)行加熱，其前提是河道或庫水溫與量測(cè)位置土體溫度存在比較明顯的溫度差，從而在滲漏水周圍就會(huì)產(chǎn)生局部溫度異常。電熱脈沖法是通過對(duì)光纜保護(hù)層的金屬外殼或特制光纜中的電導(dǎo)體通電，使光纜加熱到一定程度，可克服可能的各種不利影響。當(dāng)存在滲漏水流時(shí)，光纜加熱過程中可以看到滲漏區(qū)的明顯溫度分布異常。這兩種方式用來探測(cè)集中滲漏均已試驗(yàn)成功，且后一種方式適用范圍更廣泛。3土石壩的熱學(xué)特性土石壩的熱學(xué)特性比較復(fù)雜，它包括諸如熱傳導(dǎo)、對(duì)流熱傳輸和熱輻射等基本熱過程。其中，來自太陽的輻射和對(duì)大氣層的輻射的影響僅局限在大壩表面，主要是晝夜間短時(shí)間脈沖，因此一般情況假定壩內(nèi)部溫度與壩表面的輻射無關(guān)。在一個(gè)無滲漏的土石壩內(nèi)，溫度分布由純熱傳導(dǎo)的方式控制的。壩內(nèi)1015m深處的溫度場(chǎng)則主要受壩表面的季節(jié)性溫度變化控制。壩表面以下部分，季節(jié)性溫度的最大和最小值直接與空氣和水的溫度值相關(guān)。由于大壩通常是由低熱傳導(dǎo)的材料組成的，因此隨深度的增加，大壩表面溫度的變化與壩內(nèi)土的溫度變化的相位差也增大，而相位差的大小則與熱擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。3.1熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在垂直方向，因?yàn)榈責(zé)岬幕魇窍蛏线\(yùn)動(dòng)的，空氣溫度變化引起的年溫度脈沖是向下運(yùn)動(dòng)的。地?zé)崃鲃?dòng)通常比較小，約0.1w/m2，大多數(shù)情況下可忽略不計(jì)。由于熱傳導(dǎo)僅沿一個(gè)方向進(jìn)行，因此可以用解析法求解問題。根據(jù)瑞典SamJohansson博士的研究表明，在瑞典，當(dāng)溫度變幅為15且溫度特性正常的情況下，地面以下5m處溫度變幅是7.1，10m深度處為1.7。因此，對(duì)于高壩來說，垂直方向的熱傳導(dǎo)可以忽略。3.2對(duì)流熱傳輸熱的對(duì)流方式傳輸比純熱傳導(dǎo)更有效，只要有小量的水流就會(huì)對(duì)溫度分布產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。研究表明，在量級(jí)為l0-7m/s10-6m/s的非常低的達(dá)西速度下，總的熱傳輸也還是由對(duì)流部分所控制。在這種情況下壩內(nèi)的溫度分布主要受水流溫度的影響。在壩內(nèi)或壩基內(nèi)，甚至小量水流也會(huì)引起土溫的調(diào)整。由于在低流速下也會(huì)出現(xiàn)溫度異常，因此溫度是探測(cè)土石壩內(nèi)滲漏的一個(gè)非常敏感的指標(biāo)。4土石壩溫度與滲流的關(guān)系壩體中滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)是相互作用、相互影響的。壩體中滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)雙場(chǎng)相互作用、相互影響的結(jié)果，會(huì)使雙場(chǎng)耦合到達(dá)某一動(dòng)平衡狀態(tài)，形成溫度場(chǎng)影響下的滲流場(chǎng)及滲流場(chǎng)影響下的溫度場(chǎng)。溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合的過程實(shí)際上是熱能和流體在介質(zhì)中一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整變化的過程，溫度場(chǎng)和流場(chǎng)任何一種因素的不穩(wěn)定均會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)因素的變化。一方面從物理過程來看，熱能通過介質(zhì)的接觸進(jìn)行熱交換，而滲流流體則因存在勢(shì)能差在多孔介質(zhì)的孔隙進(jìn)行擴(kuò)散和流動(dòng)，同時(shí)流體也作為熱能傳播的介質(zhì)，在多孔介質(zhì)中攜帶熱能沿運(yùn)動(dòng)跡線進(jìn)行交換和擴(kuò)散。另一方面從理化過程來看，熱能的變化導(dǎo)致介質(zhì)溫度的變化，從而影響介質(zhì)和流體本身的理化特性的改變，主要表現(xiàn)為介質(zhì)和流體體積效應(yīng)的改變，和流體流動(dòng)特性參數(shù)的改變等方面。因此，滲流和溫度相互影響的過程實(shí)際上包括了能量平衡和耗散過程，以及媒介物質(zhì)發(fā)生理化反應(yīng)等過程?？傮w上來說，滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的相互影