土石壩滲流熱監(jiān)測技術研究(1)

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1、土石壩滲流熱監(jiān)測技術研究(1)摘要：文章對土石壩滲流熱監(jiān)測技術的基本原理、研究歷史和現(xiàn)狀進行了介紹，對土石壩的熱學特性以及土石壩溫度與滲流的關系等關鍵技術問題進行了討論，從理論上證明利用分布式光纖量測得到的溫度場，通過有限元數(shù)值計算可以得到滲流場的滲透系數(shù)，從而實現(xiàn)對滲流場的監(jiān)測。　　土石壩滲流熱監(jiān)測技術研究(1)摘要：文章對土石壩滲流熱監(jiān)測技術的基本原理、研究歷史和現(xiàn)狀進行了介紹，對土石壩的熱學特性以及土石壩溫度與滲流的關系等關鍵技術問題進行了討論，從理論上證明利用分布式光纖量測得到的溫度場，通過有限元數(shù)值計算可以得到滲流場的滲透系數(shù)，從而實現(xiàn)對滲流場的監(jiān)測。關鍵詞

2、：土石壩滲流熱監(jiān)測技術溫度滲流耦合1滲流熱監(jiān)測技術的基本原理　　土石壩的土石體介質(zhì)內(nèi)非滲流區(qū)的溫度場分布受單純的熱傳導控制，在土石體表層10~15m范圍內(nèi)，溫度場受流體(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特性，土體導熱率低，溫度場分布較均勻，流體溫度與土體內(nèi)部的溫度差別隨深度而增加?！　‘斖潦w內(nèi)存在大量水流動時，土石體熱傳導強度將隨之發(fā)生改變，如滲透系數(shù)大于10-6m/s，土石體傳導熱傳遞將明顯被流體運動所引起的對流熱傳遞所超越。即使很少的水體流動也會導致土石體溫度與滲漏水溫度相適應，由此引起溫度場的變化。　　將

3、具有較高靈敏度的溫度傳感器埋設在土石壩的土石介質(zhì)的擋(蓄)水建筑物的基礎或內(nèi)部的不同深度。如測量點處或附近有滲流水通過(滲透流速一般必須大于10-6m/s)，水流的運動和遷移，土中熱量傳遞的強度發(fā)生改變，將打破該測量點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，就可獨立地確定測量點處溫度異常是否是由滲漏水活動引起的，這一變化可作為滲漏探測的指征，從而實現(xiàn)對土體內(nèi)集中滲漏點的定位和監(jiān)測。2滲流熱監(jiān)測技術的研究歷史和現(xiàn)狀　　2.1利用點式熱敏溫度計測量溫度進而監(jiān)測滲流場　　早期滲流熱監(jiān)測技術主要是通過在水工建筑物

4、或其基礎內(nèi)埋設大量熱敏溫度計來進行溫度測量的。美國加利福尼亞occidental大學地質(zhì)系的josephh.birman等人從1958年開始研究利用這一技術勘探地下水，1965年josephh.birman將這一技術用于水壩的漏水探查中，并申請了專利。美國墾務局也將這一技術成功地應用于一些病險土石壩的治理。前蘇聯(lián)將其擴展至混凝土壩，在水庫蓄水后發(fā)現(xiàn)了地下集中滲漏通道。上述測量方法的致命缺陷是對土體內(nèi)溫度實施點式測量，因測量點有限，對溫度場分布中的不規(guī)則區(qū)域集中滲漏往往漏檢，因此增大了對滲漏通道的漏檢概率?！　?.2熱脈沖方法（hpm）滲流監(jiān)測技術　　滲漏水流必然與對流

5、熱傳輸相伴產(chǎn)生，對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。使用一個線熱源，可以在大壩內(nèi)產(chǎn)生一個非常確定的熱量擾動。根據(jù)所在處的熱傳導率和滲流流速，在熱源范圍內(nèi)就可以獲得隨一個隨時間的特定溫升情況。通過測定這個作為時間函數(shù)的溫升，并與數(shù)值模型得到的溫度-時間曲線對比，就可能決定滲漏的流速，這就是熱脈沖方法（hpm）滲流監(jiān)測技術。熱脈沖方法的探測深度取決于加熱時間、熱源強度和孔隙水的流速。一般情況下，如果加熱周期在6到8個小時之間，小到10-6m/s量級的流速就可以被測到?！　?.3分布式光纖熱滲流監(jiān)測技術　　近年來，各種類型分布式光

6、纖傳感器系統(tǒng)有了迅速發(fā)展，現(xiàn)有的光纖溫度測量系統(tǒng)能夠沿長達40km的光纖上實時連續(xù)采樣并能對測量點定位，測溫精度和空間分辯率也都有很大的提高。目前，這種技術已廣泛應用于工業(yè)領域，如高壓輸電線、化工廠的反應器等的溫度分布探測等。光纖溫度測量系統(tǒng)可望取代傳統(tǒng)點式溫度傳感器應用于壩工、堤防的滲漏監(jiān)測中，并可以大大提高發(fā)現(xiàn)水工建筑物及其基礎集中滲漏通道的概率。　　將分布式光纖溫度測量應用于土石壩內(nèi)部的滲漏探測有兩種方式：即梯度方式和電熱脈沖方式。梯度法即利用光纖系統(tǒng)直接測量土體內(nèi)實際溫度，不對光纜進行加熱，其前提是河道或庫水溫與量測位置土體溫度存在比較明顯的溫度差，從而在滲漏

7、水周圍就會產(chǎn)生局部溫度異常。電熱脈沖法是通過對光纜保護層的金屬外殼或特制光纜中的電導體通電，使光纜加熱到一定程度，可克服可能的各種不利影響。當存在滲漏水流時，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集中滲漏均已試驗成功，且后一種方式適用范圍更廣泛。3土石壩的熱學特性　　土石壩的熱學特性比較復雜，它包括諸如熱傳導、對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。　　在一個無滲漏的土石壩內(nèi)，溫度分布由純熱傳導的方式控