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土石坝渗流热监测技术研究

　　摘要：文章对土石坝渗流热监测技术的基本原理、研究历史和现状进行了介绍，对土石坝的热学特性以及土石坝温度与渗流的关系等关键技术问题进行了讨论，从理论上证明利用分布式光纤量测得到的温度场，通过有限元数值计算可以得到渗流场的渗透系数，从而实现对渗流场的监测。

关键词：土石坝渗流热监测技术温度渗流耦合
1渗流热监测技术的基本原理
　　土石坝的土石体介质内非渗流区的温度场分布受单纯的热传导控制，在土石体表层10~15m范围内，温度场受流体(空气、水)的季节性温度变化控制，越靠近表面区域与流体温度越一致。由于土体具有较低的热传导特性，土体导热率低，温度场分布较均匀，流体温度与土体内部的温度差别随深度而增加。
　　当土石体内存在大量水流动时，土石体热传导强度将随之发生改变，如渗透系数大于10-6m/s，土石体传导热传递将明显被流体运动所引起的对流热传递所超越。即使很少的水体流动也会导致土石体温度与渗漏水温度相适应，由此引起温度场的变化。
　　将具有较高灵敏度的温度传感器埋设在土石坝的土石介质的挡(蓄)水建筑物的基础或内部的不同深度。如测量点处或附近有渗流水通过(渗透流速一般必须大于10-6 m/s)，水流的运动和迁移，土中热量传递的强度发生改变，将打破该测量点处附近温度分布的均匀性及温度分布的一致性。土体温度随渗水温度变化而变化。在研究该处正常地温及参考水温后，就可独立地确定测量点处温度异常是否是由渗漏水活动引起的，这一变化可作为渗漏探测的指征，从而实现对土体内集中渗漏点的定位和监测。
2渗流热监测技术的研究历史和现状
　　利用点式热敏温度计测量温度进而监测渗流场
　　早期渗流热监测技术主要是通过在水工建筑物或其基础内埋设大量热敏温度计来进行温度测量的。美国加利福尼亚Occidental大学地质系的Joseph 等人从1958年开始研究利用这一技术勘探地下水，1965年Joseph 将这一技术用于水坝的漏水探查中，并申请了专利。美国垦务局也将这一技术成功地应用于一些病险土石坝的治理。前苏联将其扩展至混凝土坝，在水库蓄水后发现了地下集中渗漏通道。上述测量方法的致命缺陷是对土体内温度实施点式测量，因测量点有限，对温度场分布中的不规则区域集中渗漏往往漏检，因此增大了对渗漏通道的漏检概率。
　　热脉冲方法渗流监测技术
　　渗漏水流必然与对流热传输相伴产生，对流热传输是超出已存在的、流速不大于10-7m/s引起的传热以外的热量传递部分。使用一个线热源，可以在大坝内产生一个非常确定的热量扰动。根据所在处的热传导率和渗流流速，在热源范围内就可以获得随一个随时间的特定温升情况。通过测定这个作为时间函数的温升，并与数值模型得到的温度-时间曲线对比，就可能决定渗漏的流速，这就是热脉冲方法渗流监测技术。热脉冲方法的探测深度取决于加热时间、热源强度和孔隙水的流速。一般情况下，如果加热周期在6到8个小时之间，小到10-6m/s量级的流速就可以被测到。
　　分布式光纤热渗流监测技术
　　近年来，各种类型分布式光纤传感器系统有了迅速发展，现有的光纤温度测量系统能够沿长达40km的光纤上实时连续采样并能对测量点定位，测温精度和空间分辩率也都有很大的提高。目前，这种技术已广泛应用于工业领域，如高压输电线、化工厂的反应器等的温度分布探测等。光纤温度测量系统可望取代传统点式温度传感器应用于坝工、堤防的渗漏监测中，并可以大大提高发现水工建筑物及其基础集中渗漏通道的概率。
　　将分布式光纤温度测量应用于土石坝内部的渗漏探测有两种方式：即梯度方式和电热脉冲方式。梯度法即利用光纤系统直接测量土体内实际温度，不对光缆进行加热，其前提是河道或库水温与量测位置土体温度存在比较明显的温度差，从而在渗漏水周围就会产生局部温度异常。电热脉冲法是通过对光缆保护层的金属外壳或特制光缆中的电导体通电，使光缆加热到一定程度，可克服可能的各种不利影响。当存在渗漏水流时，光缆加热过程中可以看到渗漏区的明显温度分布异常。这两种方式用来探测集中渗漏均已试验成功，且后一种方式适用范围更广泛。
3土石坝的热学特性
　　土石坝的热学特性比较复杂，它包括诸如热传导、对流热传输和热辐射等基本热过程。其中，来自太阳的辐射和对大气层的辐射的影响仅局限在大坝表面，主要是昼夜间短时间脉冲，因此一般情况假定坝内部温度与坝表面的辐射无关。
　　在一个无渗漏的土石坝内，温度分布由纯热传导的方式控制的。坝内10~15m深处的温度场则主要受坝表面的季节性温度变化控制。坝表面以下部分，季节性温度的最大和最小值直接与空气和水的温度值相关。由于大坝通常是由低热传导的材料组成的，因此随深度的增加，大坝表面温度的变化与坝内土的温度变化的相位差也增大，而相位差的大小则与热扩散系数有关。
热传导
　　热传导主要发生在垂直方向，因为地热的基流是向上运动的，空气温度变化引起的年温度脉冲是向下运动的。地热流动通常比较小，约/m2，大多数情况下可忽略不计。由于热传导仅沿一个方向进行，因此可以用解析法求解问题。根据瑞典Sam Johansson博士的研究表明，在瑞典，当温度变幅为15℃且温度特性正常的情况下，地面以下5m处温度变幅是℃，10m深度处为℃。因此，对于高坝来说，垂直方向的热传导可以忽略。
对流热传输
　　热的对流方式传输比纯热传导更有效，只要有小量的水流就会对温度分布产生相当大的影响。研究表明，在量级为l0-7m/s~10-6m/s的非常低的达西速度下，总的热传输也还是由对流部分所控制。在这种情况下坝内的温度分布主要受水流温度的影响。在坝内或坝基内，甚至小量水流也会引起土温的调整。由于在低流速下也会出现温度异常，因此温度是探测土石坝内渗漏的一个非常敏感的指标
4土石坝温度与渗流的关系
　　坝体中渗流场与温度场是相互作用、相互影响的。坝体中渗流场与温度场双场相互作用、相互影响的结果，会使双场耦合到达某一动平衡状态，形成温度场影响下的渗流场及渗流场影响下的温度场。
　　温度场和渗流场耦合的过程实际上是热能和流体在介质中一个动态调整变化的过程，温度场和流场任何一种因素的不稳定均会导致另一个因素的变化。一方面从物理过程来看，热能通过介质的接触进行热交换，而渗流流体则因存在势能差在多孔介质的孔隙进行扩散和流动，同时流体也作为热能传播的介质，在多孔介质中携带热能沿运动迹线进行交换和扩散。另一方面从理化过程来看，热能的变化导致介质温度的变化，从而影响介质和流体本身的理化特性的改变，主要表现为介质和流体体积效应的改变，和流体流动特性参数的改变等方面。因此，渗流和温度相互影响的过程实际上包括了能量平衡和耗散过程，以及媒介物质发生理化反应等过程。
　　总体上来说，渗流场和温度场的相互影响、相互作用的过程是一个十分复杂的问题，目前综合考虑这两方面相互影响问题的研究还比较少，且大多处于定性研究的基础上。从工程技术应用的角度而言，通过对温度场的监测期望获得渗流场的变化情况，目前主要局限于定性分析，对定量监测问题方面的研究相对较少。本文将从渗流场合温度场耦合的角度进行定量的探讨。
温度变化对渗流场的影响
　　温度变化时会影响水体和土体的物理和化学参数，从而影响渗流场在坝体内部的分布。土体中与渗流场和温度场密切相关的参数有孔隙率、比热容、热传导、导热系数等参数，这些参数中在温度变幅为10℃内变化极小或无变化，故可认为温度变化对土体的这些参数没有影响。水体物理化学参数中和温度场、渗流场密切相关的参数包括密度、重度、粘度、导热系数、热膨胀系数
　　水体导温系数、比热、运动粘滞系数等参数。
　　假定水温从=15℃上升到=20℃，各参数的变化量如下表所示
　　表1：各参数变化量
参数

=15℃

=20℃
1
变化量
-
-
-
-
相对变化率
%
%
%
%
注：相对变化率=变化量/=15℃时对应的量
参数

=15℃

=20℃

变化量
-
相对变化率
%
%
%
%
　　结合以上数据，在研究温度变化对水体的物理化学性质的影响过程中，比热、密度、导温系数、导热系数、重度在15℃至20℃之间变化较小，可以不计其影响；运动粘度系数、动力粘度系数和水体热膨胀系数的变化直接影响水体渗流特性，因此在耦合计算分析中需要考虑。
　　土石坝等水工建筑物土体饱和状态时，温度发生变化时，必然引起土石体和孔隙水的体积发生变化，通常情况下温度上升时，体积膨胀，孔隙水压力将上升。在总应力保持不变情况下，孔隙水压力上升必然会导致有效应力的相应减小，进而引起水体的体积及土体体积的进一步变化，因此在温度变化时，介质内固相体积、孔隙水体积，有效应力、孔隙水应力将进行调整，重新达到平衡状态，满足总体积不变和质量守恒的条件。可以定量地认为，当温度上升时，有效应力减小，孔隙水压力增大，即渗透压力增大，当温度下降时反之。又根据现有研究证明：由温度差形成的温度势梯度也会影响水的流动。由于温度势本身就是较为复杂的问题，因此，温度对水流运动的影响目前只能用温度梯度的一种经验表达式。例如，对一维情况，有:
式中，为温度变化引起的水流通量，是温差作用下的水流扩散率，中已经包含水体和土体的热膨胀系数，物理化学变化系数的影响，
为温度沿x 维坐标轴x方向的梯度。
所以
可推出温度场影响下的渗流场方程
　　渗流场对温度场的影响
　　水体从坝体中流过，当两种介质存在温度差时，必然产生热量交换。当我们把土石坝中的流动的水体和认为是相对不动的介质土体分开研究时，坝体或坝基内部存在渗流时，其热量交换应包括两部分：一部分为本身的热传导作用，另一部分为渗流夹带的热量。
　　在一向导热的情况下，当土坝内部存在渗流时，热流量包括两部分:一部分是由于土体本身的热传导作用，等于另一部分是由渗流夹带的热量，等于，因此热流量为
式中，为沿一维坐标轴x方向的热流量;为水的比热;为水的密度;为土的导热系数。因此，在单位时间内流入单位体积的净热量为:
这个热量必须等于单位时间内坝体温度升高所吸收的热量，故
式中，为土体的比热，为土体的密度。
将该式推广到三向导热的情况下，可得到考虑渗流影响下的温度场三维导热方程

根据渗流场对温度场的影响机理分析，可以知道渗流速度直接影响了温度场的变化。
　　渗流场和温度耦合的一维求解
　　理论上，能同时满足两组数学模型的渗流场水头分布H(x, y, z,t)与温度场分布T (x, y, z, t)即为土坝渗流场与温度场耦合分析的精确解，这就需要联合求解两式。众所周知，在大多数情况下，目前在数学上要单独求解每式的解析解也是不可能的，联合求解则更是难上加难。所以我们有必要讨论一下双场在一维状态下的解析解，从而得出一些结论。
　　假定一维渗流场和温度场的边界条件为

求解可得近似解析解，渗流场影响下的温度场分布和温度场影响下的渗流场分布为
若取工程中的参数

取时，分别计算，，，并用图表表示
图1 不考虑耦合情况、
图2 考虑耦合情况不同K值下温度比较
图3 考虑耦合情况不同K值下比较
图4 考虑耦合情况不同K值下比较局部放大图
由图可以看出，耦合解析解(即T1(x)及H1(x))与非耦合解析解(即T0 (x)及H0 (x))有很大的不同，渗流场而对温度场的影响更为明显。还可以看出，随着渗透系数的增大，渗流场对温度场的影响更加明显，而温度场对渗流场的影响减弱；且渗流由高温向低温流动时，使温度场温度普遍升高但使渗流场水头普遍减少。而且，当渗透系数大于10-6m/s时，温度由渗流水控制。
考虑主要因素，忽略次要因素，仅考虑渗流影响下的温度场，而不考虑温度场对渗流水头的改变、即不考虑就能满足工程精度要求，使得问题得以简化。
利用温度场测值计算渗流场的渗透系数K
考虑二维情况下渗流场与温度场的耦合问题，假定渗流场为稳定场，不考虑温度场对渗流水头的改变，边界条件已知，渗流场方程为

令渗流场影响下的土体二维温度场数学模型为:

　　选取坝体的典型截面，简化为平面问题，假定坝体的渗透系数K，结合渗流边界条件，利用有限元数值计算的方法计算坝体在一定的边界条件下的渗流场的水头分布H根据此已知渗流场，计算出渗流场各点的、，并结合该温度场的边界条件，用有限元程序计算出该坝体内各点的温度T，得出温度场。用此理论计算的温度场与用分布式光纤量测得到的温度场相比较，不断调整渗透系数K值，直至理论计算值与实际量测值很接近，此时对应的渗透系数即为坝体的渗透系数，就能利用对温度场的监测实现对渗流场的监测。
进一步推广到三维情况下，假定渗流场为稳定场，忽略虑温度场对渗流水头的改变，在渗流和温度边界条件已知的情况下，控制方程为

　　同理，利用有限元数值计算的方法，由分布式光纤实际量测得到的温度场可以得出渗流场渗透系数K值。
5结论
利用分布式光纤温度测量系统这一先进的量测手段，我们可以较为准确地得到土坝内部温度场的空间分布，并且信息量大；对坝体渗流场和温度场耦合分析，得出二者的关系；借助有限元数值计算的方法，可以定量地得出渗流场的渗透系数，从而实现对渗流场的监测。
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Study On The Seepage Monitoring Technology With Temperture In Embankment DamAbstractAfter introducing the principle , study history and actuality of the technology, this article discusses such key problems as the thermodynamics characteristics and the relationship between temperature and seepage in embankment dam. It has been proved theoretically that we can realize the seepage monitoring by the finite element method program ,if we have gotten the thermal field by fibre measure method.
Key wordsembankment dam; seepage monitoring technology by measuring temperature; temperature; seepage; coupling