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管理局，云南 普洱 665005；2.昆明理工大學信息工程與自動化學院，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：當反濾機制失效時，沖蝕越來越快，呈惡性循環(huán)，最終導致重大事故甚至潰壩；當沖刷的土?；蛲翀F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]。當土石體內(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，由此引起溫度場變化，將打破該測量點處附近溫度分布的均勻性及同一組溫度測量點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，就可獨立地確定測量點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，從而實現(xiàn)對土體內(nèi)集中滲流點的定位和監(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規(guī)律，并根據(jù)溫度場信息，建立判識滲流狀態(tài)的科學依據(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PTC發(fā)熱體加熱至熱平衡時，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，從而實現(xiàn)材料導熱系數(shù)的現(xiàn)場在線測量[4～6]。

水體從壩體中流過，當兩種介質(zhì)存在溫度差時，必然產(chǎn)生熱量交換。當把土石壩中流動的水體和認為相對不動的介質(zhì)分開研究，壩體或壩基內(nèi)部存在滲流時，其熱量交換應包括兩部分：一部分為本身的熱傳導作用，另一部分為滲流夾帶的熱量。在一向?qū)岬那闆r下，當土壩內(nèi)部存在滲流時，熱流量包括兩部分：一部分是由于土體本身的熱傳導作用，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為土的導熱系數(shù)；v為滲流速度；T為溫度。因此，在單位時間內(nèi)流入單位體積的凈熱量為：

這個熱量必須等于單位時間內(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熱方程為：

根據(jù)滲流場對溫度場的影響機理分析，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驗的響應研究

在光電加熱單元生產(chǎn)性試驗中，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。

在試驗模型中裝入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。槽頂部設計一個有閥門的水管，槽底部可根據(jù)實驗需求鋪上防水布、紗布、鐵絲網(wǎng)等。實驗槽為玻璃材質(zhì)。

2.1 正常滲流實驗

模擬試驗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。當槽中水位恒定時，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。正常滲流實驗分別進行了同一壓實度實驗和不同壓實度實驗，在電壓24 V情況下，同一壓實度下正常滲流試驗做了兩次，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 同一壓實度下正常滲流溫升曲線

電壓24 V情況下對不同壓實度飽和砂石進行了正常滲流試驗，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 不同壓實度正常滲流溫升曲線

正常滲流的試驗表明，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。實驗開始的20 min內(nèi)，光電加熱單元的溫升差值最大為1.8℃，出現(xiàn)在不同壓實度正常滲流實驗開始15 min時。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 集中滲流實驗

當土石壩發(fā)生集中滲流時，處于滲流通道中的光電加熱單元是被水直接沖刷的。在實驗室中，讓水直接從光電單元的傳感部位流過。當光電加熱單元加熱穩(wěn)定時，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，水與光電單元進行熱交換后將引起光電單元波長的變化。試驗結(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，當光電加熱單元被水帶走的熱量達到極值時，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：當反濾機制失效時，沖蝕越來越快，呈惡性循環(huán)，最終導致重大事故甚至潰壩；當沖刷的土?；蛲翀F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：自愈或擴展等。上述試驗表明，滲流流速與穩(wěn)定溫度的升降有一定的對應規(guī)律，可根據(jù)溫度場信息，建立判識滲流狀態(tài)的科學依據(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)，通電后各測點的穩(wěn)定溫度點較高，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，離滲漏通道較遠處穩(wěn)定溫度點較高，而愈近穩(wěn)定溫度點愈低 （55.5～56.9℃）；隨著逐步自愈向均勻化分布、較高溫升過渡。③集中滲流逐步擴展狀態(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［J］.四川大學學報： 工程科學版， 2012（1）.

［3］ 王金花.水庫大壩安全監(jiān)測鑒定評估新標準與除險加固工程技術(shù)及洪災風險評估預控實用手冊［S］.2005.

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