土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

1、土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究<    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

2、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10-6 m/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

3、熱敏溫度計(jì)來進(jìn)行溫度測(cè)量的。美國(guó)加利福尼亞Occidental大學(xué)地質(zhì)系的Joseph H.Birman等人從1958年開始研究利用這一技術(shù)勘探地下水，1965年Joseph H.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(guó)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(kù)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

4、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(zhǎng)達(dá)40km

5、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(kù)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

6、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(yáng)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)。

7、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Sam Johansson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

8、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

9、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)的相互影響、相互作用的過程是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，目前綜合考慮這兩

10、方面相互影響問題的研究還比較少，且大多處于定性研究的基礎(chǔ)上。從工程技術(shù)應(yīng)用的角度而言，通過對(duì)溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)期望獲得滲流場(chǎng)的變化情況，目前主要局限于定性 分析 ，對(duì)定量監(jiān)測(cè)問題方面的研究相對(duì)較少。本文將從滲流場(chǎng)合溫度場(chǎng)耦合的角度進(jìn)行定量的探討。4.1 溫度變化對(duì)滲流場(chǎng)的影響溫度變化時(shí)會(huì)影響水體和土體的物理和化學(xué)參數(shù)，從而影響滲流場(chǎng)在壩體內(nèi)部的分布。土體中與滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)密切相關(guān)的參數(shù)有孔隙率、比熱容、熱傳導(dǎo)、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)，這些參數(shù)中在溫度變幅為10內(nèi)變化極小或無變化，故可認(rèn)為溫度變化對(duì)土體的這些參數(shù)沒有影響。水體物理化學(xué)參數(shù)中和溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)密切相關(guān)的參數(shù)包括密度 、重度 、粘度 、導(dǎo)熱系數(shù) 、

11、熱膨脹系數(shù) 水體導(dǎo)溫系數(shù) 、比熱 、運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù) 等參數(shù)。假定水溫從 =15上升到 =20，各參數(shù)的變化量如下表所示：表1：各參數(shù)變化量        參數(shù)                    =15    998.987    9790

12、.073    1.0907    0.011491    =20    997.966    9780.066    1    0.010152    變化量     -1.021    -10.0

13、07    -0.090    -0.00134    相對(duì)變化率    0.1%    0.1%    8.25%    11.6%注：相對(duì)變化率=變化量 / =15時(shí)對(duì)應(yīng)的量        參數(shù)   

14、60;                =15    4185.45    0.58691    14.02    1.617    =20    4178.30   &#

15、160;0.59752    14.30    2.156    變化量     -7.15    0.01061    0.28    0.539    相對(duì)變化率    0.17%    1.8%

16、    2.0%    33.3%結(jié)合以上數(shù)據(jù)，在研究溫度變化對(duì)水體的物理化學(xué)性質(zhì)的影響過程中，比熱 、密度 、導(dǎo)溫系數(shù) 、導(dǎo)熱系數(shù) 、重度 在15至20之間變化較小，可以不計(jì)其影響；運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù) 、動(dòng)力粘度系數(shù) 和水體熱膨脹系數(shù) 的變化直接影響水體滲流特性，因此在耦合計(jì)算分析中需要考慮。 土石壩等水工建筑物土體飽和狀態(tài)時(shí)，溫度發(fā)生變化時(shí)，必然引起土石體和孔隙水的體積發(fā)生變化，通常情況下（對(duì)水而言大于4時(shí)）溫度上升時(shí)，體積膨脹，孔隙水壓力將上升。在總應(yīng)力保持不變情況下，孔隙水壓力上升必然會(huì)導(dǎo)致有效應(yīng)力的相應(yīng)減小，進(jìn)

17、而引起水體的體積及土體體積的進(jìn)一步變化，因此在溫度變化時(shí)，介質(zhì)內(nèi)固相體積、孔隙水體積，有效應(yīng)力、孔隙水應(yīng)力將進(jìn)行調(diào)整，重新達(dá)到平衡狀態(tài)，滿足總體積不變和質(zhì)量守恒的條件。可以定量地認(rèn)為，當(dāng)溫度上升時(shí)，有效應(yīng)力減小，孔隙水壓力增大，即滲透壓力增大，當(dāng)溫度下降時(shí)反之。又根據(jù)現(xiàn)有研究證明：由溫度差形成的溫度勢(shì)梯度也會(huì)影響水的流動(dòng)。由于溫度勢(shì)本身就是較為復(fù)雜的問題，因此，溫度對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響目前只能用溫度梯度的一種 經(jīng)驗(yàn) 表達(dá)式。例如，對(duì)一維情況，有7:式中， 為溫度變化引起的水流通量， 是溫差作用下的水流擴(kuò)散率， 中已經(jīng)包含水體和土體的熱膨脹系數(shù)，物理化學(xué)變化系數(shù)的影響，為溫度沿x 維坐標(biāo)軸x方向的梯

18、度。 所以 可推出溫度場(chǎng)影響下的滲流場(chǎng)方程：4.2 滲流場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響水體從壩體中流過，當(dāng)兩種介質(zhì)存在溫度差時(shí)，必然產(chǎn)生熱量交換。當(dāng)我們把土石壩中的流動(dòng)的水體和認(rèn)為是相對(duì)不動(dòng)的介質(zhì)土體分開研究時(shí)（需要特別說明的是：滲流場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，其相對(duì)不動(dòng)的介質(zhì)仍為飽和狀態(tài)的土體），壩體或壩基內(nèi)部存在滲流時(shí)，其熱量交換應(yīng)包括兩部分：一部分為本身的熱傳導(dǎo)作用，另一部分為滲流夾帶的熱量。 在一向?qū)岬那闆r下，當(dāng)土壩內(nèi)部存在滲流時(shí)，熱流量包括兩部分:一部分是由于土體本身的熱傳導(dǎo)作用，等于另一部分是由滲流夾帶的熱量，等于 ，因此熱流量為8：式中， 為沿一維坐標(biāo)軸x方向的熱流量; 為水的比熱; 為水的密度; 為土

19、的導(dǎo)熱系數(shù)。因此，在單位時(shí)間內(nèi)流入單位體積的凈熱量為: 這個(gè)熱量必須等于單位時(shí)間內(nèi)壩體溫度升高所吸收的熱量，故 式中， 為土體的比熱， 為土體的密度。將該式推廣到三向?qū)岬那闆r下，可得到考慮滲流影響下的溫度場(chǎng)三維導(dǎo)熱方程： 根據(jù)滲流場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響機(jī)理分析，可以知道滲流速度直接影響了溫度場(chǎng)的變化。          假定一維滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的邊界條件為： 求解可得近似解析解，滲流場(chǎng) 影響 下的溫度場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)影響下的滲流場(chǎng)分布為：若取工程中的參數(shù)如下： 取 時(shí)，分別 計(jì)算 ， ， ， 并用圖表表示：圖1 不考慮耦合情況、 圖2 考慮耦合情況不同K值下溫度比較圖3 考慮耦合情況不同K值下 比較圖4 考慮耦合情況不同K值下 比較局部放大圖由圖可以看出，耦合解析解(即T1(x)及H1(x)與非耦合解析解(即T0 (x)及H0 (x)有很大的不同，滲流場(chǎng)而對(duì)溫度場(chǎng)的影響更為明顯。還可以看出，隨著滲透系數(shù)的增大，滲流場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響更加明顯，而溫度場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)的影響減弱；且滲流由高溫向低溫流動(dòng)時(shí)，使溫度場(chǎng)溫度普遍升高，但使?jié)B流場(chǎng)水頭普遍減少。而且，當(dāng)滲透系數(shù)大于10-6m/s時(shí)，溫度由滲流水控制?？紤]主要因素，忽略次要因素，僅考