土石坝渗流热监测技术研究.docx

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10-6m/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2.1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JosephH.Birman等人从1958年开始研究利用这一技术勘探地下水1965年JosephH.Birman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。2.2热脉冲方法（HPM）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（HPM）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。2.3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