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土石坝渗流热监测技术研究(1)

2017-08-08 01:31 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　　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joseph h.birman等人从1958年开始研究利用这一技术勘探地下水，1965年joseph h.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大，而相位差的大小则与热扩散系数有关。3.1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0.1w/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7.1℃，10m深度处为1.7℃。因此，对于高坝来说，垂直方向的热传导可以忽略。3.2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。4.1 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