張 敏 叢沛桐

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣州 510641)

1 引 言

大壩是一種擋水結(jié)構(gòu)物，對其實行全面的監(jiān)測和監(jiān)控，是保證水利水電工程安全運行的重要措施之一。我國90%的水壩為土石壩和混凝土壩，不可避免地會發(fā)生水的滲流現(xiàn)象。特別當(dāng)壩體出現(xiàn)裂縫等病害時，水的危害就更為嚴(yán)重。大量的工程事故表明：水的滲流作用對大壩的破壞過程有著不可忽視的作用[1]。滲透水流除浸濕土體降低其強度指標(biāo)外，當(dāng)滲透量到達(dá)一定程度時，還將導(dǎo)致壩坡滑動、防滲體被擊穿、壩基管涌、流土等重大滲流事故，直接影響大壩的運行安全[2,3]，因此滲流穩(wěn)定是保證水壩安全的重要問題[4]。有效地監(jiān)測水壩的滲流狀況，制定及時有效的防護(hù)措施是保證水壩工程安全的根本途徑。

長期以來，各國都將大壩安全監(jiān)測列為水工建筑物建設(shè)和運行管理中一項必不可少的工作[5]，通過在壩體中設(shè)置繞壩滲流、浸潤線、孔隙水壓力、揚壓力及滲水壓力等監(jiān)測項目[6]，對水壩進(jìn)行安全監(jiān)測和控制。

2 混凝土大壩安全監(jiān)測現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代以來，大壩工程的研究理論和技術(shù)逐漸形成體系，較為普遍采用的是測壓管法、滲壓計法、量水堰法及容積法等。其中，測壓管和滲壓計是較為傳統(tǒng)的觀測方法，可以用來觀測水壩揚壓力、滲水壓力，獲取繪制大壩浸潤線、地下水位狀況以及繞壩滲流等。量水堰是用來觀測滲流量的設(shè)備，適應(yīng)于流量為1～300 L/s的范圍[7]。

雖然測壓管應(yīng)用較為普遍，但實踐證明，測壓管水位存在滯后現(xiàn)象[10]。另外測壓管的靈敏度、管口的防雨性能和管口高程控制對監(jiān)測結(jié)果可靠度也有一定程度的影響[11]。

文獻(xiàn)[12]針對土石壩中采用埋設(shè)滲壓計還是測壓管方式的問題進(jìn)行了探討，并建議：測壓管適用于“滲流緩變區(qū)”的滲流壓力監(jiān)測，而不適用于“滲流急變區(qū)”監(jiān)測。而滲壓計適于弱透水土層中以及需做點壓力測量非穩(wěn)定滲流過程的情況。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和大壩安全監(jiān)測理論的逐步完善，無線傳感、激光、GPS等技術(shù)逐步融入到傳統(tǒng)的大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)中，形成新的監(jiān)測體系[8,9]。

同時國內(nèi)外部分學(xué)者利用監(jiān)測水工建筑物的基礎(chǔ)溫度的方法來監(jiān)測其滲流狀態(tài)[13]。然而采用溫度場反算滲流場進(jìn)行大壩監(jiān)測時，需要相當(dāng)長的時間進(jìn)行測量，壩體溫度測量要求真實可靠。此外溫度場和滲流場的相互作用的耦合數(shù)學(xué)模型精度與反算結(jié)果息息相關(guān)[14]，因此往往模型修正工作量較大。

此外也可以采用熱梯度面法進(jìn)行滲漏檢測，聲學(xué)裝置能發(fā)現(xiàn)水壩中裂紋，或者用紅外光譜和探地雷達(dá)等技術(shù)，但這些監(jiān)測技術(shù)往往需要豐富的實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)。在最近幾年中，這種經(jīng)驗式理論并不十分有效，各類工程事故意外已經(jīng)在世界各地出現(xiàn)。并且其中有些監(jiān)測技術(shù)對人體組織有害，或者會破壞混凝土大壩內(nèi)部和表面構(gòu)件。

總體來說，現(xiàn)有的安全監(jiān)測主要是溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場及滲水流速的監(jiān)測，可以定性地觀測大壩的靜力工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常及時采取泄水或修補措施。但是由于這些量是大壩損傷的局部表象，也就是說，當(dāng)大壩某處出現(xiàn)損傷時(比如細(xì)小裂縫)，只有該處很小的范圍內(nèi)的壩體位移場、溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場和滲水流速可能發(fā)生變化，這樣如果在這個范圍內(nèi)沒有觀測點，那么將無法監(jiān)測到損傷的出現(xiàn)。而實際上各種測點的布置對整個大壩而言是非常稀疏的，因此，大壩出現(xiàn)病害的初始階段，現(xiàn)有的安全監(jiān)測手段往往是監(jiān)測不到的。此外，現(xiàn)有技術(shù)還無法對大壩滲流的動態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測及了解壩體滲流的演變趨勢，對細(xì)小裂縫的滲流監(jiān)測無能為力。

本文基于太赫茲波具有穿透能力強，透視性、瞬態(tài)性、寬帶性及低能性等特性，總結(jié)國外已有的一些研究成果，提出該項技術(shù)在大壩滲流安全監(jiān)測中的作用和應(yīng)用前景。

3 太赫茲技術(shù)

近年來，電子和光電子之間的太赫茲科學(xué)與技術(shù)作為一種新發(fā)展起來的方法，引起了研究人員的廣泛關(guān)注和應(yīng)用。太赫茲波是一種頻率非常高的電磁波，通常在0.1～10 THz[15]。其波段位于微波和紅外光之間，屬于遠(yuǎn)紅外線和亞毫米波范疇，它在頻譜中所處的位置如圖1所示。

圖1 太赫茲波在電磁波譜中的位置Fig.1 Position of terahertz wave on electric wave spectrum

太赫茲波段的頻率與生物大分子的振動頻率范圍重合，且光子能量低(1 THz 約4.1 meV)、穿透能力強，被用于天文學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、無損檢測、安全檢查等領(lǐng)域中[16,19]。

由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由于它的脈沖很短(皮秒量級)，所以同時具有優(yōu)良的時間分辨率。

與其他檢測技術(shù)相比，太赫茲技術(shù)具有獨特優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：①對非金屬材料，穿透能力強，具有透視性、瞬態(tài)性、寬帶性及低能性；②水對太赫茲具有強吸收特性。

太赫茲波譜技術(shù)和太赫茲成像技術(shù)是太赫茲應(yīng)用的兩個主要關(guān)鍵技術(shù)。通過對太赫茲時域波形的處理和分析，可以獲得振幅和相位變化信息，對于研究物質(zhì)在太赫茲波段的光譜特性、分析物質(zhì)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。以太赫茲波在空氣介質(zhì)中的信號為參考信號，將其和樣品信號的時域譜x(t)進(jìn)行傅里葉變換，即可得到其頻域譜x(w)。

(1)

式中,A(w)是信號的振幅, 單位為m;φ(w)是信號的相位, 單位為rad。

因此根據(jù)式(2)可以獲得樣品物質(zhì)的折射率譜線:

(2)

式中，d為空氣中的光速，單位為m/s;φ(w)為樣本信號和參考信號的相位差(由式(1)的傅里葉變換結(jié)果獲得);w是信號的頻率，單位為THz；t是樣品的厚度, 單位為m。

樣品的吸收系數(shù)可以通過式(3)求出：

(3)

式中，f(w)是樣品的折射率；ρ(w)是樣品的投射系數(shù)。

由此可以表征樣品物質(zhì)對于太赫茲波的吸收能力，亦即物質(zhì)的太赫茲光譜信息。

任榮東等[20]研究了土、石、磚、水泥及木片等建筑材料對于太赫茲的吸收性能。結(jié)果表明，這些建筑材料對于太赫茲輻射具有很高的透射率。

文獻(xiàn)[21]利用太赫茲時域光譜技術(shù)測量和分析了在0.3～1.8 THz范圍內(nèi)，純水和純二氧六環(huán)以及兩者混合溶液的太赫茲光譜。通過對比發(fā)現(xiàn)，二氧六環(huán)對太赫茲波吸收能力較弱，而純水對太赫茲具有較強的吸收，但兩者的混合體系的吸收系數(shù)隨水含量增大。

在安全檢查領(lǐng)域中，利用不同種類物質(zhì)在THz波段中具有不同的吸收特征，根據(jù)特征吸收峰的位置來判別是否或為何種炸藥[22,23]，以及毒品的鑒別[24,25]。

太赫茲波與可見光、X光及超聲波一樣，可以作為光源對樣品進(jìn)行成像[26]。利用THz射線照射被測物，通過物品的透射或反射獲得樣品的信息，進(jìn)而成像。

最早的太赫茲成像是Hu等[27]在1995年采用投射法對4.5 cm×2.3 cm樹葉的太赫茲成像。由此越來越多的科學(xué)家開始研究太赫茲成像[28,29]。Johnson等以從物質(zhì)反射回來的波作為成像信息研究了太赫茲反射成像的情況，并利用位相轉(zhuǎn)換的干涉儀降低噪音影響，提高了成像的分辨率[30,31]。之后實時成像、二維成像，近場成像、太赫茲CT等技術(shù)也逐漸發(fā)展起來。

隨著太赫茲技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們越來越關(guān)注太赫茲的實際應(yīng)用。特別地，水作為一種常見而又被廣泛研究的重要液體，一直吸引著人們極大的興趣，關(guān)于這方面的測量數(shù)據(jù)也有很多報道。

早在1989年，Martin[32]等利用太赫茲時域光譜技術(shù)研究了水蒸汽的吸收譜，在0.1～10 THz的波段內(nèi)獲得了9條水蒸汽的吸收譜線。隨后文獻(xiàn)[33]研究了水蒸汽在 0.2～4.2 THz 范圍內(nèi)的光譜，發(fā)現(xiàn)在此波段內(nèi)水蒸汽共有27個吸收峰，其中只有4個吸收峰與Martin的結(jié)果相互吻合，其他的吸收峰則存在較大差別。水的吸收譜僅在1.0～1.5 THz 的范圍內(nèi)存在一個寬帶峰值。Takashi等[34]經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)水在1.4 THz 內(nèi)沒有吸收峰。張學(xué)鶩等采用太赫茲時域光譜系統(tǒng)測量了濕度為60%的情況下水汽的太赫茲吸收譜，結(jié)果顯示，水汽具有眾多吸收峰，并且獲得三條水分子的振轉(zhuǎn)譜，以此作為測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)譜線[35]。

水分子與氫鍵相互作用形成了復(fù)雜的多體系統(tǒng)，該系統(tǒng)與太赫茲波相互作用會有較強的吸收，因此可以通過太赫茲波檢測出物質(zhì)中水的信息。文獻(xiàn)[36]依靠塑料和水吸收系數(shù)間的很大區(qū)別以及塑料與空氣折射率間的區(qū)別，以太赫茲技術(shù)檢測出密封區(qū)域中的充水和充氣缺陷。Hadjiloucas等[37]利用太赫茲波分別獲得濕葉片、干燥葉片以及烘干葉片的頻譜信息，并進(jìn)行對比，建立了基于太赫茲技術(shù)的含水量測量算法。文獻(xiàn)[38]利用THz透射比測得了樣品的水含量和水運動狀況。

諸如前述，提高土石壩中水的滲流監(jiān)測的實時性和有效性對大壩安全運行具有重要意義。太赫茲波經(jīng)過土石壩體后受其中含水量的影響而產(chǎn)生不同的時延和衰減，因此通過太赫茲時域波譜技術(shù)可以建立一個獲得土石壩含水量的測量方法。

3 滲流量的太赫茲計算方法

將太赫茲波在空氣中和透射樣品后的時域波形進(jìn)行對比，即可獲得樣品引發(fā)的延遲量Δt和衰減量Δf。

文獻(xiàn)[39]利用THz-TDS系統(tǒng)產(chǎn)生太赫茲脈沖輻射作用于含水土樣品中，以空氣介質(zhì)譜作為參考波形，對比峰值幅度和峰值出現(xiàn)的時間(圖2)。

圖2中，樣品吸收太赫茲波導(dǎo)致樣品波形的峰值幅度遠(yuǎn)小于參考波形。樣品的介電常數(shù)比空氣的大，導(dǎo)致峰值位置的延遲。結(jié)果表明：峰值幅度隨含水量指數(shù)減小， 峰值延遲隨含水量線性增加。

圖2 時域參考波形和時域樣品波形Fig.2 Reference wave and sample wave in time domain

文獻(xiàn)[39]分別建立了時間延遲量Δt和衰減量Δf與土中含水量x之間的擬合關(guān)系式，為

Δt=(ax+b)n， lnΔf=(cx+d)n

(4)

式中，a，b，c，d為土壤參數(shù)，與巖土體的種類及密實度有關(guān)，對于給定的土壤，其值可通過實驗確定，無量綱；n為樣品的光學(xué)厚度，無量綱。

通過式(5)可以獲得土體中含水量的大?。?/p>

(5)

另外運用太赫茲成像技術(shù)可以觀測大壩中水的流動和走向，還可以通過水的滲流反演追蹤混凝土中密集分布的細(xì)小裂縫。

5 混凝土大壩裂縫滲流實時成像技術(shù)

滲流安全是水庫大壩尤其是土石壩的重要安全問題之一。通過選擇若干重點斷面，布置相應(yīng)的點式監(jiān)測儀器獲取的信息非常有限，無法對集中滲漏或微小裂隙進(jìn)行有效的全面監(jiān)控。太赫茲技術(shù)作為一種全新的滲流監(jiān)測技術(shù)，克服了點式布置測量點有限和成本高的缺點，可以通過實時測量空間滲流場的分布實現(xiàn)連續(xù)測量，從而大大提高了發(fā)現(xiàn)水工建筑物及其基礎(chǔ)集中或微小滲流通道的概率，具有費用低、實時性強的特點，可以作為傳統(tǒng)的滲流監(jiān)測方法的重要補充，并發(fā)展成為一種大壩、堤防及其他工程滲流安全的早期預(yù)警技術(shù)。

文獻(xiàn)[40]采用0.2 THz波進(jìn)行混凝土塊的水分布空間成像分析。水泥和混凝土的強化機制與水泥和集料間的水合物生成具有密切聯(lián)系，與分子間的氫鍵結(jié)合有關(guān)。水分子與氫鍵相互作用形成了復(fù)雜的多體系統(tǒng)，該系統(tǒng)與毫米波和太赫茲波相互作用進(jìn)行選擇性吸收。0.2 THz波適合遠(yuǎn)程成像，這是因為水分子的吸收系數(shù)相對較小，而相比低頻率波而言，水分子的靈敏度較高。

文獻(xiàn)[40]通過厚度約10 mm的砌塊進(jìn)行測試分析，在砌塊上鉆一個直徑為4 mm的小孔，然后水通過該小孔擴散進(jìn)砌塊中。在60 min的擴散時間里，每隔10 min獲取一張成像圖(圖3)。

圖3 混凝土砌塊中水?dāng)U散的透射成像圖Fig.3 Imaging of water diffusion into block

圖4中的黑色區(qū)域?qū)儆趶娏椅盏貛?，這是由于砌塊中水分?jǐn)U散造成的。0.2 THz波能夠清楚的揭示砌塊中水?dāng)U散區(qū)域的情況。砌塊中的水無法通過常規(guī)的X射線成像。中子和γ射線雖然可以檢測到水，但這些射線對人體是有害的。

圖4 混凝土中裂縫的子太赫茲成像圖Fig.4 Sub-THz imaging of cracks in concrete

文獻(xiàn)[40]對混凝土裂縫中水進(jìn)行測試得到的太赫茲成像圖，太赫茲波在檢測水?dāng)U散時具有較高靈敏度。測試過程中，滲流的水沿著裂縫擴散，擴散后的水增強了裂縫的檢測靈敏度(圖4)。圖中左下圖紅色線條顯示了縫隙中水的走向。

由于太赫茲波對水具有較大的吸收系數(shù)，混凝土砌塊中水的擴散經(jīng)太赫茲波后能夠清晰成像。通過外加水在裂縫中擴散，也能使混凝土裂縫中的纖維結(jié)構(gòu)物和節(jié)點清晰成像。由此證明，太赫茲光譜可以連續(xù)成像，并以影像的方式實時監(jiān)測滲流動態(tài)，發(fā)現(xiàn)混凝土中的細(xì)小裂縫及主要滲透通道。該項技術(shù)突破了現(xiàn)有技術(shù)的障礙和瓶頸，打破了混凝土材料的屏蔽，有望讓壩體滲流狀態(tài)得以真實再現(xiàn)。

6 結(jié) 語

太赫茲技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展為人們提供了一個全新的光譜學(xué)視角，具有很大的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。太赫茲波有非常寬的頻帶，并且具有速率高、方向性好、安全性高、散射小、穿透性好等特性，對于混凝土和水等介質(zhì)具有明顯的分辨能力，應(yīng)用到大壩滲流安全監(jiān)測中已呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢和特點，應(yīng)是目前唯一具備壩體滲流實時影像監(jiān)測功能的新技術(shù)與新方法。與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)相比，太赫茲監(jiān)測技術(shù)還要考慮干擾因素，特別是穿透障礙物的厚度有限，需要不斷深入研究和完善，才能在大壩滲流監(jiān)測中獲得廣泛應(yīng)用。

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