谷 濤， 李 川

（1.華能瀾滄江水電有限公司糯扎渡水電工程建設(shè)管理局，云南 普洱 665005；2.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650000）

大壩土質(zhì)防滲體的抗?jié)B安全取決于心墻防滲料與反濾層的聯(lián)合抗沖蝕作用和能力。如果心墻任何一處的防滲料滲透破壞后，將形成滲流沖蝕，就有兩種發(fā)展過程和趨勢：當(dāng)反濾機(jī)制失效時(shí)，沖蝕越來越快，呈惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致重大事故甚至潰壩；當(dāng)沖刷的土粒或土團(tuán)一旦被反濾料所截留，則滲流通道被逐漸淤塞而自行愈合[1～3]。當(dāng)土石體內(nèi)存在大量水流動時(shí)，土石體熱傳導(dǎo)強(qiáng)度將隨之發(fā)生改變，由此引起溫度場變化，將打破該測量點(diǎn)處附近溫度分布的均勻性及同一組溫度測量點(diǎn)之間溫度分布的一致性。在研究該處正常地溫及參考水溫后，就可獨(dú)立地確定測量點(diǎn)處溫度異常是否由滲流水活動引起的，這一變化可作為滲流探測的指征，從而實(shí)現(xiàn)對土體內(nèi)集中滲流點(diǎn)的定位和監(jiān)測。

本文通過測得糯扎渡堆土壩反濾料中的溫度場分布及其變化，研究滲流流速與穩(wěn)定溫度的升降之間的對應(yīng)規(guī)律，并根據(jù)溫度場信息，建立判識滲流狀態(tài)的科學(xué)依據(jù)。

1 工作原理

基于光纖Bragg光柵的滲漏測量原理是將光纖Bragg光柵粘貼于帶鋁制外殼的圓柱形PTC發(fā)熱體的表面。當(dāng)PTC發(fā)熱體加熱至熱平衡時(shí)，發(fā)熱體在砂土中形成不同的穩(wěn)定溫度分布，從而引起光纖Bragg光柵的中心波長發(fā)生移位。PTC的鋁制外殼的熱膨脹將對光纖Bragg光柵產(chǎn)生附加波長移位，起到熱增敏的作用。發(fā)熱體產(chǎn)生的不同溫度分布轉(zhuǎn)換成光纖Bragg光柵波長移位，從而實(shí)現(xiàn)材料導(dǎo)熱系數(shù)的現(xiàn)場在線測量[4～6]。

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)把土石壩中流動的水體和認(rèn)為相對不動的介質(zhì)分開研究，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，為-λ另一部分是由滲流夾帶的熱量，為cwρwvT。因此熱流量為：

式中，qx為沿一維坐標(biāo)軸x方向的熱流量；cw為水的比熱；ρw為水的密度；λ為土的導(dǎo)熱系數(shù)；v為滲流速度；T為溫度。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，c為土體的比熱；ρ為土體的密度；t為時(shí)間。將該式推廣到三向?qū)岬那闆r下，則考慮滲流影響下的溫度場三維導(dǎo)熱方程為：

根據(jù)滲流場對溫度場的影響機(jī)理分析，可知滲流速度直接影響了溫度場的變化。式（4）表明，滲流速度越大，對溫度場的影響也越大。而滲流速度場的分布又由滲流場水頭的分布 H=H（x，y，z，t） 決定，即 v=v（H）。

2 光電加熱單元對滲漏實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)研究

在光電加熱單元生產(chǎn)性試驗(yàn)中，從糯扎渡堆土壩的心墻填筑區(qū)現(xiàn)場獲取反濾料I放入試驗(yàn)槽中來模擬大壩中埋有光電加熱單元的局部區(qū)域，反濾料埋住光電加熱單元。

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭醒b入25 cm高度的反濾料I，光電加熱單元埋在離反濾料表面大約10 cm深左右的位置，槽頂部到反濾料表面有5 cm高度，在傳感器的敏感部位貼上一玻璃棒溫度計(jì)。槽頂部設(shè)計(jì)一個(gè)有閥門的水管，槽底部可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求鋪上防水布、紗布、鐵絲網(wǎng)等。實(shí)驗(yàn)槽為玻璃材質(zhì)。

2.1 正常滲流實(shí)驗(yàn)

模擬試驗(yàn)將水壩的水平滲流變?yōu)榇怪睗B流。槽頂部閥門打開適度，水就會在重力作用下在反濾料中形成滲流，并從底部的鐵絲網(wǎng)流出。當(dāng)槽中水位恒定時(shí)，水管水流量等于滲流量 （平均滲流量），將水流量再除以槽的底面積就得到了反濾料中的滲流大小。正常滲流實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了同一壓實(shí)度實(shí)驗(yàn)和不同壓實(shí)度實(shí)驗(yàn)，在電壓24 V情況下，同一壓實(shí)度下正常滲流試驗(yàn)做了兩次，光電加熱單元的穩(wěn)定溫度為56.9～57.5℃，溫升為33.1～33.7℃，溫升曲線見圖1所示。

圖1 同一壓實(shí)度下正常滲流溫升曲線

電壓24 V情況下對不同壓實(shí)度飽和砂石進(jìn)行了正常滲流試驗(yàn)，光電加熱單元的最終溫度為57.3～57.5℃，溫升為33.7～35.5℃，溫升曲線如圖2所示。

圖2 不同壓實(shí)度正常滲流溫升曲線

正常滲流的試驗(yàn)表明，在對光電加熱單元加電24 V的情況下，即使?jié)B流流速不同，壓實(shí)度不同，光電加熱單元的溫升速度和最終穩(wěn)定的溫度在不同滲流速度下差異不大。實(shí)驗(yàn)開始的20 min內(nèi)，光電加熱單元的溫升差值最大為1.8℃，出現(xiàn)在不同壓實(shí)度正常滲流實(shí)驗(yàn)開始15 min時(shí)。溫度將在2.5 h后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定溫度為56.9～57.5℃，溫升為33.1～35.5℃。穩(wěn)定溫度和溫升分別在0.6℃，2.4℃間變化。

2.2 集中滲流實(shí)驗(yàn)

當(dāng)土石壩發(fā)生集中滲流時(shí)，處于滲流通道中的光電加熱單元是被水直接沖刷的。在實(shí)驗(yàn)室中，讓水直接從光電單元的傳感部位流過。當(dāng)光電加熱單元加熱穩(wěn)定時(shí)，水流溫度與光電單元傳感部位存在溫度差。水流過傳感部位，水與光電單元進(jìn)行熱交換后將引起光電單元波長的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，加熱開始的20分鐘內(nèi)光電加熱單元的溫升快慢差異不大，10分鐘時(shí)的溫升最大差值為1.5℃。最終溫度為55.5～56.9℃，溫升為32～33.9℃。終止波長隨著水流的減小趨向正常滲流的波長，參見圖3。

圖3 集中滲流光電加熱單元溫升曲線

在集中滲流情況下，光電加熱單元的穩(wěn)定溫度隨流速呈下降趨勢。4次試驗(yàn)的穩(wěn)定溫度相差1.4℃，溫升相差1.9℃。光電加熱單元與水之間的熱交換是有限的，當(dāng)光電加熱單元被水帶走的熱量達(dá)到極值時(shí)，流速的改變對光電加熱單元的溫升影響不大。

3 結(jié) 論

大壩土質(zhì)防滲體的抗?jié)B安全取決于心墻防滲料與反濾層的聯(lián)合抗沖蝕作用和能力[1-4]。如果心墻任何一處的防滲料滲透破壞后，將形成滲流沖蝕，就有兩種發(fā)展過程和趨勢：當(dāng)反濾機(jī)制失效時(shí)，沖蝕越來越快，呈惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致重大事故甚至潰壩；當(dāng)沖刷的土?；蛲翀F(tuán)一旦被反濾料所截留，則滲流通道被逐漸淤塞而自行愈合。故從大壩安全的角度，大壩滲流狀態(tài)存在3種類型：①正常滲流；②局部集中滲流而逐漸自愈-沖蝕通道淤塞；③局部集中滲流而逐步擴(kuò)展-沖蝕惡化。

在糯扎渡工程中，通過測得其反濾料的溫度場分布及其變化，判定滲流沖蝕的發(fā)生，以及發(fā)展過程，比如：自愈或擴(kuò)展等。上述試驗(yàn)表明，滲流流速與穩(wěn)定溫度的升降有一定的對應(yīng)規(guī)律，可根據(jù)溫度場信息，建立判識滲流狀態(tài)的科學(xué)依據(jù)，這三種狀態(tài)的溫度場表現(xiàn)：①正常滲流狀態(tài)或無滲流狀態(tài)，通電后各測點(diǎn)的穩(wěn)定溫度點(diǎn)較高，溫度在56.9～58.6℃之間，且分布均勻；②集中滲流逐漸自愈狀態(tài)，通電后溫升受滲流散熱抑制而分布不均，呈漏斗狀，離滲漏通道較遠(yuǎn)處穩(wěn)定溫度點(diǎn)較高，而愈近穩(wěn)定溫度點(diǎn)愈低 （55.5～56.9℃）；隨著逐步自愈向均勻化分布、較高溫升過渡。③集中滲流逐步擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，溫升分布呈漏斗狀，隨滲漏量增加，滲漏通道鄰近區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定溫度點(diǎn)逐步降低，漏斗狀分布愈明顯（55.5～56.9 ℃）。

［1］ 呂瓊芬.土質(zhì)壩水庫滲漏的主要原因及防滲處理措施 ［J］.大壩與安全， 2010（6）.

［2］ 陳群，谷宏海，何昌榮.礫石土防滲料-反濾料聯(lián)合抗?jié)B試驗(yàn)［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)： 工程科學(xué)版， 2012（1）.

［3］ 王金花.水庫大壩安全監(jiān)測鑒定評估新標(biāo)準(zhǔn)與除險(xiǎn)加固工程技術(shù)及洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估預(yù)控實(shí)用手冊［S］.2005.

［4］ 李川，張以謨，趙永貴，等.光纖光柵：原理、技術(shù)與傳感應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［5］ 李川，由靜，李英娜，等.雙套管式光纖Bragg光柵溫度傳感器［J］.光學(xué)技術(shù)， 2010， 36（2）:244-247.

［6］ 李川，吳晟，劉建平，等.鎧裝光纖Bragg光柵溫度傳感器的研究［J］.傳感器技術(shù)， 2005， 24（4）:29-30， 33.