張振宇，俞祁浩，方德?lián)P，岳 攀，王新斌，陳 坤, 2

(1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000; 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049; 3.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司 兩河口建設(shè)管理局，成都 610051)

1 研究背景

土料凍結(jié)后物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，強(qiáng)度、變形模量等可增加1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[1-3]。凍結(jié)后，土料難以壓實(shí)[4]。對(duì)于已填筑的壓實(shí)土料，凍融作用可使其壓實(shí)度降低，滲透性增大[5-7]。因此，防滲土料凍結(jié)嚴(yán)重影響工程的安全性。我國《碾壓式土石壩施工規(guī)范》明確要求，心墻防滲土料在填筑時(shí)，已填筑土料不得出現(xiàn)凍結(jié)情況[8]。快速判斷心墻場(chǎng)地內(nèi)填筑土料的凍融情況，是保證工程質(zhì)量和快速施工的重要條件。然而，目前對(duì)于心墻施工現(xiàn)場(chǎng)的土溫檢測(cè)多以某點(diǎn)的溫度代替整個(gè)倉面的溫度，但是，對(duì)于大面積的心墻倉面(超過10 000 m2)，不同區(qū)域之間的土溫存在較大的差異[9-10]，因此該方式用于判別心墻全倉面防滲土料的凍融狀態(tài)存在較大誤差。在兩河口大壩心墻施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)接觸式的測(cè)溫方法對(duì)大面積的土溫檢測(cè)較困難。并且，利用接觸式溫度傳感器測(cè)土溫時(shí)，受環(huán)境溫度的影響，需將溫度傳感器放置在土料中，避免傳感器與空氣接觸，以達(dá)到精確測(cè)溫。接觸式測(cè)溫方式破壞了原地表的熱狀況，且接觸式傳感器靈敏度、自身的尺寸及自身溫度等都會(huì)對(duì)測(cè)溫結(jié)果造成誤差。對(duì)于含礫石的土料難以保證傳感器上覆土厚度，長時(shí)間的測(cè)溫操作會(huì)使土料與周圍環(huán)境熱交換較大，從而產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。對(duì)于已碾壓的土料，更是難以將接觸式溫度傳感器放置在土料中。

為解決這一工程難題，本文提出一種利用紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行大面積土溫觀測(cè)的方法。該方法可快速檢測(cè)大面積地表溫度，進(jìn)而判斷土料是否凍結(jié)。但是，紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)受被測(cè)物體表面發(fā)射率、環(huán)境溫度、大氣溫濕度等因素的影響，使得其測(cè)溫存在誤差[11-12]。物體表面發(fā)射率是其本身的熱物性參數(shù)，常用的測(cè)定方法有量熱法、反射率法、能量法等[13-16]，但是這些方法不適用于心墻施工現(xiàn)場(chǎng)松散、密實(shí)等不同壓實(shí)狀態(tài)防滲土料發(fā)射率的測(cè)量。遠(yuǎn)距離測(cè)溫時(shí)大氣透過率影響紅外輻射在空氣傳播過程中的衰減程度，進(jìn)而影響測(cè)溫精度[17-18]。被測(cè)物體附近存在高溫物體時(shí)，環(huán)境條件對(duì)紅外測(cè)溫的精度影響較大[19-20]。雖然紅外熱成像儀在出廠前進(jìn)行了標(biāo)定，但僅適用于一些特定的情況[12]。對(duì)于野外影響因素復(fù)雜、遠(yuǎn)距離和大面積的測(cè)溫條件下，其測(cè)溫結(jié)果與真實(shí)地表溫度之間存在較大的差值。目前，對(duì)紅外熱成像儀的研究主要圍繞特定影響因素下測(cè)溫誤差分析及減小誤差方式等開展[21-24]，這對(duì)于大壩心墻多因素條件下輻射溫度的修正不適用。因此，為得到心墻現(xiàn)場(chǎng)土表精確的輻射溫度，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)狀況，對(duì)心墻紅外測(cè)溫中的主要影響因素進(jìn)行分析，進(jìn)而修正地表輻射溫度。

本文基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，確定了利用紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)土料凍融狀態(tài)的方法，并根據(jù)熱輻射理論和紅外熱像儀測(cè)溫原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)紅外測(cè)溫條件，分析了紅外熱像儀觀測(cè)地表輻射溫度的主要影響因素。利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的長波輻射值計(jì)算了地表發(fā)射率，并基于輻射定律建立了適用于寒區(qū)心墻施工現(xiàn)場(chǎng)的多因素條件下的地表輻射溫度的修正模式。

2 試驗(yàn)介紹

為驗(yàn)證紅外測(cè)溫技術(shù)對(duì)心墻土料測(cè)溫的可實(shí)施性及誤差分析，本文在兩河口水電站大壩心墻施工現(xiàn)場(chǎng)開展了遠(yuǎn)距離、大范圍、全倉面的大面積土溫紅外檢測(cè)試驗(yàn)，以及近地表紅外測(cè)溫與接觸式測(cè)溫試驗(yàn)、地表發(fā)射率測(cè)試試驗(yàn)研究工作。

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

兩河口水電站位于四川省西部雅江縣境內(nèi)(30°12′N, 101°00′E)，海拔3 000 m，屬于季節(jié)性凍土區(qū)，極端最低氣溫可達(dá)-15.9 ℃。該水電站為礫石土心墻堆石壩，壩高295 m, 是國內(nèi)第二、世界第三高的土石壩。考慮到雨季對(duì)兩河口水電站大壩心墻施工進(jìn)度的影響，冬季施工是必要的，按計(jì)劃冬季的工程量約為30%。因此，大壩心墻的防滲土料在冬季填筑過程中，面臨著嚴(yán)峻的凍結(jié)的問題。為判斷施工時(shí)防滲土料是否處于凍結(jié)狀態(tài)，在兩河口水電站心墻施工現(xiàn)場(chǎng)開展了土料凍融檢測(cè)試驗(yàn)及檢測(cè)方式研究。為了快速對(duì)大范圍全倉面土溫進(jìn)行檢測(cè)，采用了紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)。該土料測(cè)溫試驗(yàn)是2018年冬季施工過程中進(jìn)行的，此時(shí)心墻填筑面沿河流方向長約80 m, 左右岸混凝土蓋板之間長度約為200 m，整個(gè)心墻倉面的面積約為16 000 m2，如圖1所示。同時(shí)，為對(duì)紅外熱像儀測(cè)量的地表輻射溫度進(jìn)行校正，地表發(fā)射率測(cè)試試驗(yàn)在2018年冬季心墻停工期進(jìn)行了連續(xù)的觀測(cè)。

圖1 大壩心墻填筑倉面和左岸總體照片及紅外測(cè)溫 拍攝位置Fig.1 Photos of core wall and the left bank and the observation location of the infrared temperature measurement

2.2 試驗(yàn)方法及觀測(cè)設(shè)備

圖2 左岸遠(yuǎn)距離心墻倉面紅外溫度檢測(cè)結(jié)果Fig.2 Distant observation results of infrared tempera- ture of core wall surface observed on the left bank

土溫紅外檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)間是2018年12月1日至2019年3月1日。利用Testo890高清紅外熱像儀(德國Testo SE & Co. KGaA生產(chǎn))對(duì)心墻施工倉面進(jìn)行地表溫度檢測(cè)，從而得到地表的輻射溫度。Testo890紅外熱像儀配備42°×32°廣角鏡頭，測(cè)量波長范圍8 ～ 14 μm，熱靈敏度(NETD)<0.04 ℃，透光率自動(dòng)修正，紅外熱成像照片像素為640×480 px。由于心墻面積較大，為了得到較大范圍的拍攝面，觀測(cè)點(diǎn)選在位于心墻兩側(cè)的左、右岸混凝土蓋板，高度約10～15 m的腳手架上(圖1)。在觀測(cè)點(diǎn)正對(duì)大壩心墻，手持Testo890紅外熱像儀俯視拍攝，拍攝時(shí)鏡頭取景盡可能大范圍覆蓋心墻倉面，并稍微覆蓋對(duì)面混凝土蓋板底部，在左岸觀測(cè)點(diǎn)對(duì)心墻倉面的紅外測(cè)溫結(jié)果如圖2所示。為了方便下文分析，在紅外照片中選取地表不同溫度區(qū)域內(nèi)、呈現(xiàn)明顯溫度變化處(如點(diǎn)M5)及場(chǎng)地上具有明顯特征的事物(如人體、機(jī)械)處進(jìn)行了溫度標(biāo)注。由于拍攝角度問題，靠近混凝土蓋板處存在拍攝盲區(qū)，可通過調(diào)整拍攝角度對(duì)盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)拍。雖然遠(yuǎn)處心墻倉面能拍攝到，但是其顯示在照片中的區(qū)域較小，不易分辨，可以通過左、右岸交替觀測(cè)的方式彌補(bǔ)該缺陷，同時(shí)進(jìn)行測(cè)溫的相互驗(yàn)證，達(dá)到全倉面較為準(zhǔn)確觀測(cè)的目的。為提高心墻防滲土料溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，在大面積紅外測(cè)溫結(jié)果中選取土溫較低的區(qū)域進(jìn)行局部近地表紅外測(cè)溫，如圖2中M9附近區(qū)域。具體操作方法為：與可見光照片對(duì)比，找出其在心墻對(duì)應(yīng)的位置。然后，對(duì)較低土溫區(qū)域進(jìn)行局部近地表紅外溫度檢測(cè)，進(jìn)而精準(zhǔn)判斷該區(qū)域土料的凍融狀態(tài)。進(jìn)行局部紅外測(cè)溫時(shí)，只需操作人員根據(jù)被選區(qū)域大小，手持紅外熱像儀在選定區(qū)域附近對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行熱紅外拍攝即可。若需要判斷土工布下土料的凍融狀態(tài)，則應(yīng)選擇土工布表面溫度較低以及較高的區(qū)域進(jìn)行局部測(cè)溫。這是因?yàn)橥凉げ急砻鏈囟容^低可能是由于其下部的土料溫度較低；土工布表面溫度較高可能是由于該區(qū)域土工布保溫性能較差，使其下部土料散失熱量較大造成的。

圖3 土工布表面局部溫度檢測(cè)Fig.3 Local temperature detection for geotextile surface

為了便于紅外熱像儀測(cè)溫誤差分析，在局部測(cè)溫試驗(yàn)中，除了選取上述溫度較低(高)的區(qū)域，還任意選取了其他局部區(qū)域進(jìn)行紅外及接觸式測(cè)溫。圖3與圖4為土工布表面及土料表面局部紅外測(cè)溫及接觸式測(cè)溫試驗(yàn)。為了便于對(duì)紅外熱像儀測(cè)溫進(jìn)行誤差分析，在局部測(cè)溫試驗(yàn)中，除了選取上述的溫度較低(高)的區(qū)域，還任意選取了其他局部區(qū)域進(jìn)行紅外及接觸式測(cè)溫。為保證接觸式測(cè)溫的準(zhǔn)確性，在同一個(gè)小區(qū)域中(圖3與圖4中矩形框內(nèi)的區(qū)域)，利用接觸測(cè)溫探頭進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫。并將測(cè)溫小區(qū)域在圖片上標(biāo)記出相應(yīng)的位置，方便與紅外照片上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度對(duì)比。為了避免接觸式探頭自身溫度的影響，在測(cè)溫前，將試驗(yàn)所需的探頭長時(shí)間置于試驗(yàn)測(cè)溫區(qū)附近土工布表面或土料中，保證其自身溫度與試驗(yàn)區(qū)溫度一致。為了避免環(huán)境溫度的影響，在土工布表面接觸式測(cè)溫時(shí)，將接觸式測(cè)溫探頭用隔熱性較好的材料覆蓋(圖3(c))。且該隔熱材料長時(shí)間在試驗(yàn)區(qū)附近放置，溫度與土工布表面溫度基本一致。在土料表面接觸式測(cè)溫時(shí)(圖4(c))，采用針式探頭，該探頭易插入土料中，方便土料溫度測(cè)量。測(cè)量土料表面(0.5 cm土厚度)的溫度，所用探頭如圖5(a)所示，探頭前端金屬部分長度為0.5 cm，溫度傳感器在探頭最前端。為避免人體溫度對(duì)測(cè)溫造成的誤差，該探頭末端安裝絕熱手柄。為保證傳感器與土料或土工布之間溫度達(dá)到平衡，傳感器放置完成60 s后，再進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)記錄。

圖4 土料表面局部溫度檢測(cè)Fig.4 Local temperature detection for soil surface

圖5 地表接觸式測(cè)溫探頭及地表發(fā)射率測(cè)試Fig.5 Probes used in contanct surface temperature measurement and surface emissivity observation test

地表發(fā)射率測(cè)試試驗(yàn)。該試驗(yàn)用于獲取密實(shí)土料、松鋪土料及土工布覆蓋等不同地表?xiàng)l件下地表的發(fā)射率。圖6為地表發(fā)射率測(cè)試試驗(yàn)的場(chǎng)地照片。該試驗(yàn)在冬季停工時(shí)在心墻區(qū)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間為2019年1月27日至2019年2月13日。針對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地氣象條件，在試驗(yàn)場(chǎng)地布設(shè)了簡易氣象站，用于監(jiān)測(cè)空氣溫濕度、總輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等氣象要素。為獲取不同地表?xiàng)l件下輻射參數(shù)，試驗(yàn)場(chǎng)地架設(shè)多臺(tái)四分量傳感器(荷蘭KIipp & Zonen；型號(hào)：CNR4)。該四分量傳感器測(cè)量短波光譜范圍為300～2 800 nm，長波為4.5～42 μm。其靈敏度在短波段為5～20 μV/(W·m2)，在長波段為5～15 μV/(W·m2)。試驗(yàn)中，四分量傳感器水平架設(shè)，距離地表1.5 m，可同時(shí)測(cè)量向上的短波、向上的長波輻射、向下的短波及向下的長波輻射。同時(shí)，對(duì)四分量傳感器正下方土料及土工布表面進(jìn)行接觸式溫度觀測(cè)。接觸式測(cè)溫采用熱敏電阻式傳感器(凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制)，其精度為±0.05 ℃。為保證土表溫度測(cè)量精確性，對(duì)傳感器表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了處理，外側(cè)使用導(dǎo)熱性較好的金屬殼密封，如圖5(b)所示。這保證了地表與傳感器之間良好的熱傳遞，同時(shí)避免了土中水分對(duì)傳感器的破壞。且該探頭直徑約為3 mm，試驗(yàn)中水平放置，較大程度地減小了自身厚度對(duì)地表測(cè)溫的影響。為了避免太陽及環(huán)境輻射對(duì)地表測(cè)溫的影響，在測(cè)量密實(shí)及松鋪土料地表溫度時(shí)，測(cè)溫探頭上覆蓋3 mm的細(xì)粒土；在測(cè)量土工布表面溫度時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)使用多層結(jié)構(gòu)土工布，將土工布表面破壞，并將測(cè)溫探頭水平放置在土工布表層結(jié)構(gòu)下(試驗(yàn)中使用的土工布表層厚度約2 mm)。所有試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)使用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀CR3000(美國Campbell公司生產(chǎn))，每10 min記錄一次。

圖6 地表發(fā)射率測(cè)試試驗(yàn)場(chǎng)地Fig.6 Photo of the surface emissivity observation test site

3 大壩心墻紅外測(cè)溫可行性分析

紅外測(cè)溫技術(shù)在諸多領(lǐng)域已開展廣泛的研究與應(yīng)用[25-27]，但是，對(duì)大壩心墻施工現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)距離、大范圍、全倉面地表溫度檢測(cè)是首次應(yīng)用。本文結(jié)合紅外檢測(cè)結(jié)果，從分辨率、精度、有效性等方面對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行可行性分析。由圖2看出，Testo890紅外熱像儀可同時(shí)得到被測(cè)區(qū)域的紅外照片及可見光照片。從紅外照片中可以清楚地看出心墻倉面輻射溫度的分布情況，同時(shí)通過與可見光照片對(duì)比可確定不同紅外溫度分布區(qū)域?qū)?yīng)的心墻倉面具體位置。由圖2(a)的紅外照片可看出，土工布表面溫度低于土料表面溫度。受土工布搭接影響，土工布表面的溫度主要呈條形分布，兩塊土工布搭接區(qū)域(M1)的表面溫度較低，非搭接區(qū)域 (M2、M3和M4)的表面溫度較高，兩者溫差約為2 ℃。土料表面溫度分布較均勻，但是，受土料所在位置及表面形狀(如凸起、碾壓等)影響，仍存在差別，如圖2(a)中M5處的溫度比M6處低0.6 ℃。由不同位置地表溫差得出，紅外測(cè)溫技術(shù)測(cè)得的輻射溫度可分辨出地表溫差較小的區(qū)域，其測(cè)溫分辨率可滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同位置溫度的識(shí)別。在圖2(a)中，M7、M10及橢圓標(biāo)識(shí)區(qū)為現(xiàn)場(chǎng)工作人員，其距離左岸混凝土蓋板的水平距離約為25、85、70 m。從紅外照片中可清楚分辨出現(xiàn)場(chǎng)工作人員所處的位置，并可從圖中分辨出人體表面溫度與周圍地表溫度的差異。同時(shí)，與左岸的水平距離約為200 m的施工機(jī)具(圖2(a)左上角M11)可在紅外照片中清楚識(shí)別，其表面溫度為16.7 ℃。這些位置的溫度與周圍地表溫度存在顯著差異，即紅外照片中的輻射溫度可分辨出遠(yuǎn)距離尺寸較小的溫度異常物體。

由于拍攝角度問題，靠近右岸混凝土蓋板的心墻倉面在照片中顯示的區(qū)域較小，不易分辨。因此，僅對(duì)圖2(a)中心墻左半倉面(從左岸混凝土蓋板至心墻中心的倉面)地表紅外溫度分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如圖7所示。在該次紅外測(cè)溫中，心墻左半倉面溫度最小值為-12.0 ℃，最大值為5.4 ℃，平均值為-7.5 ℃。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該次紅外測(cè)溫中共獲取心墻左半倉面262 172個(gè)溫度值，溫度分布主要集中在-10.5～-5.5 ℃之間。按該次觀測(cè)的心墻左半倉面面積為5 000 m2計(jì)算，熱成像儀在每平方米內(nèi)約有52個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，即每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的范圍約為14 cm×14 cm。由此表明，紅外測(cè)溫技術(shù)可識(shí)別出心墻較小異常溫度區(qū)域、低溫土塊及土工布未完全覆蓋等易出現(xiàn)土料凍結(jié)的情況。此外，由本文2.2節(jié)所述的試驗(yàn)方法可以看出，利用紅外測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行土溫檢測(cè)的方法操作簡單，可快捷地判斷心墻防滲土料的凍融狀況，且可很大程度上減少人為操作誤差。

圖7 左岸觀測(cè)的心墻左半倉面紅外溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.7 Statistical results of infrared temperature on the left half of core wall observed on the left bank

由圖3與圖4看出，紅外測(cè)溫技術(shù)測(cè)得的地表輻射溫度與接觸式測(cè)得的地表溫度存在較大誤差，對(duì)局部溫度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)表明在現(xiàn)場(chǎng)不同環(huán)境條件下檢測(cè)結(jié)果存在2～8 ℃的誤差。但是，上述地表輻射溫度測(cè)溫誤差是由外界環(huán)境造成的系統(tǒng)誤差，可根據(jù)紅外測(cè)溫原理及輻射定律進(jìn)行修正。因此，利用紅外測(cè)溫技術(shù)對(duì)大壩心墻地表溫度檢測(cè)是可行的。

4 影響因素分析

4.1 紅外測(cè)溫原理及影響因素

利用紅外熱像儀進(jìn)行物體表面測(cè)溫時(shí)，需要考慮多重因素。紅外熱像儀的成像原理直接反映各個(gè)因素之間的關(guān)系，可表示為[11,28]

Lλ=A0d-2[τaλελLbλ(T0)+

τaλ(1-αλ)Lbλ(Tu)+εaλLbλ(Ta)] 。

(1)

式中:Lλ為紅外熱像儀的輻射照度;ελ為表面發(fā)射率;αλ為表面吸收率;τaλ為大氣的光譜透射率;εaλ為大氣發(fā)射率;Lbλ(T)為溫度為T的黑體的輻射照度;T0為被測(cè)物體的表面溫度;Tu為環(huán)境溫度;Ta為大氣溫度;d為該目標(biāo)到測(cè)量儀器之間的距離;A0為熱像儀最小空間張角所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)可視面積。通常一定條件下，A0d-2為一常值。

根據(jù)熱像儀的成像原理，在紅外熱像儀測(cè)溫過程中，其接收到的輻射包括目標(biāo)物本身發(fā)射的紅外輻射及環(huán)境輻射。同時(shí)，目標(biāo)物體發(fā)射的紅外輻射會(huì)被大氣吸收?；诘乇淼陌l(fā)射率等于吸收率，以及大氣的發(fā)射率與透射率之和為1[29]。因此，紅外熱像儀對(duì)大壩心墻地表的測(cè)溫誤差主要受地表發(fā)射率及環(huán)境輻射影響。

4.2 地表發(fā)射率的影響及計(jì)算

在心墻現(xiàn)場(chǎng)利用紅外熱像儀測(cè)溫時(shí)，紅外熱像儀中的發(fā)射率和環(huán)境溫度均使用出廠設(shè)置的默認(rèn)值。該默認(rèn)值與現(xiàn)場(chǎng)地表的發(fā)射率不同，因此需要確定現(xiàn)場(chǎng)不同地表結(jié)構(gòu)的發(fā)射率。

基于輻射定律，利用四分量傳感器測(cè)量的長波輻射及接觸式測(cè)量的地表溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算地表的紅外發(fā)射率。本文以松鋪土料地表為例說明計(jì)算過程，圖8給出了向下的長波輻射(DLR)、向上的長波輻射(ULR)及松鋪土表面接觸式溫度(Ts)。計(jì)算地表發(fā)射率選用時(shí)段與檢測(cè)時(shí)間相同，即上午8時(shí)左右，由于四周山體的遮擋，此時(shí)段心墻區(qū)沒有太陽直接輻射，這使得接觸式地表溫度測(cè)量受太陽輻射的影響很小。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)四分量傳感器的觀測(cè)也表明，此時(shí)心墻現(xiàn)場(chǎng)的太陽短波輻射為0。

圖8 試驗(yàn)場(chǎng)地的長波輻射及松鋪土接觸式地表溫度Fig.8 Long-wave radiation and contact surface temperature of loose soil on test site

在心墻施工現(xiàn)場(chǎng)，心墻防滲土料向上發(fā)射紅外輻射，該部分輻射會(huì)被四分量傳感器接收。同時(shí)，周圍環(huán)境向四周發(fā)射紅外輻射。環(huán)境發(fā)射的向下的長波輻射(DLR)接觸到地表后，一部分輻射被地表反射，被反射的環(huán)境輻射也會(huì)被四分量傳感器接收。由此分析可得出，四分量傳感器接收到的向上的長波輻射(ULR)包括兩部分：土料本身發(fā)射的紅外輻射及土料反射的環(huán)境紅外輻射。地表反射的輻射為環(huán)境投射到地表的總輻射與地表反射率的乘積。根據(jù)參考文獻(xiàn)[29]，可認(rèn)為心墻防滲土料的反射率與發(fā)射率之和為1。因此，向下的長波輻射(DLR)與向上的長波輻射(ULR)之間的關(guān)系可表示為

(1-ε)DLR+Ras=ULR 。

(2)

式中:Ras為地表的長波輻射力;ε為地表面發(fā)射率。考慮到四分量輻射傳感器的測(cè)量波長范圍是4.5～42 μm，在計(jì)算地表輻射能量時(shí)應(yīng)采用所測(cè)波長范圍內(nèi)的輻射力，即對(duì)該波長范圍內(nèi)的光譜輻射力進(jìn)行積分得到總輻射力。光譜輻射力隨波長變化，根據(jù)普朗克定律[29]，黑體光譜輻射力可表示為

(3)

式中:Ebλ為黑體的光譜輻射力(W/m3)；λ為波長(m)；T為黑體熱力學(xué)溫度(K)；c1為第一輻射常數(shù)(3.741 9×10-16W·m2)；c2為第二輻射常數(shù)(3.741 9×10-2W·K)。對(duì)式(3)在波長4.5～42 μm范圍內(nèi)積分，并考慮到地表的發(fā)射率ε，從而得到該波長范圍內(nèi)的地表輻射力為

(4)

式中:λ1、λ2分別表示波長積分范圍。本文為四分量輻射傳感器的波長測(cè)量范圍，即分別取為4.5 μm及42 μm。

由式(2)和式(4)得到地表長波發(fā)射率計(jì)算式為

(5)

利用式(5)計(jì)算松鋪土表面發(fā)射率時(shí)，該式中黑體熱力學(xué)溫度(T)的取值為松鋪土表面接觸式溫度(Ts)。計(jì)算中，選取不同日期凍融檢測(cè)時(shí)段(上午8時(shí)左右)的數(shù)據(jù)進(jìn)行地表發(fā)射率計(jì)算，根據(jù)不同的計(jì)算時(shí)刻對(duì)應(yīng)的松鋪土表面溫度，從而得到不同溫度條件下松鋪土表面發(fā)射率分布，其結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，計(jì)算得到的松散礫石土表面的發(fā)射率在0.86～0.89之間，其離散型很小，可取其平均值作為松鋪土的發(fā)射率。經(jīng)計(jì)算，其平均值為0.88。同理，得到密實(shí)土地表發(fā)射率為0.91；土工布表面發(fā)射率為0.67。

圖9 不同溫度條件下松鋪土表面發(fā)射率分布Fig.9 Distribution of surface emissivity of unconsolidated soil under different temperature conditions

圖10 混凝土蓋板漫反射示意圖Fig.10 Schematic diagram of diffuse reflection of concrete slab

4.3 環(huán)境輻射

進(jìn)行心墻土料紅外測(cè)溫時(shí)，由于心墻施工區(qū)不存在高溫物體,因此，主要分析混凝土蓋板及大氣輻射對(duì)地表紅外溫度的影響。

4.3.1 混凝土蓋板的影響

心墻土料紅外測(cè)溫時(shí)(上午8時(shí)左右)，混凝土蓋板沒有受到太陽照射，氣溫在0 ℃左右。雖然，混凝土蓋板比與心墻倉面溫度高，但它們之間差值很小。已有研究表明，當(dāng)高溫物體溫度低于100 ℃，且與被測(cè)物體溫差較小時(shí)，高溫物體對(duì)使用波長為8～14 μm測(cè)溫的熱像儀的測(cè)溫誤差影響很小，可忽略不計(jì)[19]。另外，混凝土蓋板可視為灰體，其輻射發(fā)射情況可用圖10表示?；炷辽w板傾斜向上，斜率約為3∶1?；炷辽w板在整個(gè)空間均勻發(fā)射紅外輻射，蓋板上某點(diǎn)(如圖10中點(diǎn)O1)向下的輻射約占其總量的40%，且在較高位置(如圖10中點(diǎn)O2)向下的輻射不能達(dá)到倉面，故混凝土蓋板發(fā)射的紅外輻射能量到達(dá)心墻倉面的強(qiáng)度很小。因此，忽略混凝土蓋板的影響，將環(huán)境輻射的影響僅考慮大氣輻射。

4.3.2 大氣輻射計(jì)算

在不同的氣溫條件下，大氣輻射強(qiáng)度不相同。冬季心墻的空氣濕度較低，且空氣質(zhì)量較好。因此，本文計(jì)算大氣影響時(shí)忽略大氣吸收的影響。野外測(cè)量時(shí)，環(huán)境輻射就是大氣向下的長波輻射Rld(W/m2)，可按式(6)計(jì)算[21]。

(6)

式中:εa為天空發(fā)射率；σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)(5.67×10-8W/(m2·K)；Ta為空氣溫度(K)。其中，天空發(fā)射率(εa)可按式(7)計(jì)算[30]。

εa=C0(ea/Ta)1/7。

(7)

式中:C0為常數(shù)(1.24)；ea為水汽壓(hPa)。由此，得到天空輻射的經(jīng)驗(yàn)公式，即

(8)

其中，水汽壓(ea)為空氣相對(duì)濕度與飽和水汽壓的乘積，其計(jì)算式為

ea=RH×E×100%。

(9)

式中:RH為空氣相對(duì)濕度，可利用現(xiàn)場(chǎng)氣象站獲??；E為飽和水汽壓(hPa)，本文使用Magnus公式[31]計(jì)算，即

E=6.11×107.45(Ta-273.15)/(Ta-38.15)。

(10)

由式(8)—式(10)可計(jì)算不同空氣溫濕度條件下大氣的長波輻射Rld。

5 心墻地表輻射溫度修正模式

通過以上影響因素分析，可得到心墻測(cè)溫時(shí)熱像儀接收到的輻射力為

E(T)=εE(T0)+(1-ε)E(Ta) 。

(11)

式中:E(T)表示溫度為T的黑體的輻射力(W/m2)，即熱像儀接收到的輻射力；ε表示地表的發(fā)射率；T、T0及Ta分別表示熱像儀測(cè)得的紅外溫度、修正后地表輻射溫度及大氣溫度。

將斯忒藩-玻爾茲曼定律(E=σT4)[29]代入公式(11)，得到地表輻射溫度與修正后地表輻射溫度之間的關(guān)系式

(12)

將式(8)—式(10)代入式(12)可得到修正后地表輻射溫度T0表達(dá)式為

T0={[T4-1.605 9(1-ε)·Ta27/7·RH1/4·

107.45(Ta-273.15)/(Ta-38.15)+1/7]/ε}1/4。

(13)

6 地表輻射溫度修正模式驗(yàn)證

基于心墻土料凍融局部檢測(cè)試驗(yàn)及心墻區(qū)氣象站測(cè)得的大氣溫濕度數(shù)據(jù)，對(duì)心墻地表輻射溫度修正模式(式(12))進(jìn)行驗(yàn)證，得到松鋪土(圖11(a))及土工布(圖11(b))表面接觸式溫度、輻射溫度及修正后輻射溫度之間的關(guān)系。由圖11(a)可知，修正前松鋪土地表輻射溫度與接觸式地表溫度的差值為3～4 ℃，修正后該差值在1 ℃以內(nèi)。由圖11(b)可知，土工布表面修正后的輻射溫度與表面溫度吻合較好，溫度差值在1 ℃以內(nèi)。心墻現(xiàn)場(chǎng)的密實(shí)土料使用接觸式測(cè)溫較困難，同一測(cè)溫點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)離散性很大，本文不再驗(yàn)證。但是，從修正模式來看，密實(shí)土與上述兩種地表僅發(fā)射率不同。因此，在確定密實(shí)土發(fā)射率的條件下，該修正模式對(duì)密實(shí)土也是適用的。由驗(yàn)證結(jié)果看出，修正后的地表輻射溫度與接觸式地表溫度之間僅存在較小的差值，其修正結(jié)果可滿足實(shí)際工程應(yīng)用。該修正模式僅利用現(xiàn)場(chǎng)的氣象要素，參數(shù)獲取簡單，修正方便，可用于實(shí)際工程大面積土溫檢測(cè)及土料凍融判斷。

圖11 松鋪土地表及土工布表面接觸式溫度、 修正前輻射溫度及修正后輻射溫度之間的關(guān)系Fig.11 Curves of contact temperature, radiation temperature and corrected radiation temperature of unconsolidated soil surface and geotextile surface

7 結(jié) 論

基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及理論推導(dǎo)，分析了利用紅外熱像儀對(duì)大壩心墻大面積土料溫度進(jìn)行檢測(cè)及凍融進(jìn)行判斷的方法及影響因素，并建立了適用于心墻土料表面紅外測(cè)溫的修正模式，得到以下結(jié)論：

(1)利用紅外熱成像技術(shù)可以快速檢測(cè)大面積心墻土料溫度，進(jìn)而判斷土料的凍融狀態(tài)。其操作簡單，受人為操作影響因素較小，可有效地避免人為誤差。為提高紅外測(cè)溫的效率和精度，后續(xù)研究或?qū)嶋H凍融檢測(cè)應(yīng)用中可以借鑒無人機(jī)，進(jìn)行垂向倉面的連續(xù)拍攝。

(2)影響兩河口心墻現(xiàn)場(chǎng)紅外熱像儀測(cè)溫誤差的主要因素為環(huán)境溫度和地表發(fā)射率。其中，環(huán)境溫度主要受氣溫控制，地表發(fā)射率受防滲土料松鋪、壓實(shí)以及土工布覆蓋等不同地表結(jié)構(gòu)形式的影響。

(3)利用現(xiàn)場(chǎng)簡易氣象站獲取的氣象參數(shù)及地表發(fā)射率建立了紅外溫度修正模式，并利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該模式進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，修正后的地表輻射溫度與接觸式地表溫度之間的差值在1 ℃以內(nèi)，該修正結(jié)果能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用。