陳 浩

(廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510630)

為科學(xué)評價邊坡穩(wěn)定性，預(yù)測和預(yù)防滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，邊坡滲流監(jiān)測是一項需要進一步發(fā)展的基礎(chǔ)性工作。在過去的幾十年里，人們對滲流監(jiān)測技術(shù)進行了廣泛的研究，如電磁法、熱阻抗法和電阻率方法。但這些方法各有優(yōu)缺點，不能滿足邊坡滲流定量分布分析的需要。在過去的幾十年里，基于拉曼背散射光的分布式溫度系統(tǒng)(DTS)得到了快速發(fā)展[1-2]。其分布式、遠(yuǎn)距離、抗腐蝕、抗干擾等特點使得該技術(shù)越來越多地應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測[3]。曹鼎峰，施斌等人使用DTS測量土壤含水率分布，但由于滲流與圍巖土之間的溫差較小，測量結(jié)果往往模棱兩可[4]。周柏兵，徐國龍等人使用具有熱擾動的可加熱混合電纜來擴大滲流與周圍介質(zhì)之間的溫差，從而提高DTS監(jiān)測滲流的測量精度和靈敏度，由于混合電纜是由兩根AWG 12銅絞線加熱的，因此它影響了散熱的均勻性和測量精度[5]。本文介紹了作者組開發(fā)的一種用于監(jiān)測邊坡滲流的分布式溫度系統(tǒng)(簡稱S-DTS)，包括其工作原理、碳纖維加熱電纜(CFHC)的結(jié)構(gòu)、特性的定義。溫度(Tt)及其與砂土熱阻系數(shù)和滲流率的關(guān)系，最后介紹了S-DTS在邊坡滲流監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 特征溫度(Tt)和滲流率(V)

在實踐中，由于需要很長時間才能達(dá)到平衡溫度(T)，所以這里提出了一個特征溫度(Tt)。其定義是在5 min內(nèi)被測溫度隨時間的變化率<0.1 ℃/min 時的實測溫度值，即(ΔT/Δt)≤0.1 ℃/min。顯然，這個閾值取決于測量精度。更高的測量精度需要更小的閾值，并且需要更長的測量時間。一般0.1 ℃/min的閾值可以滿足邊坡滲流監(jiān)測的措施要求。在實踐中，Tt是測量值與環(huán)境溫度的差值。

特征溫度 (Tt) 與滲流率 (V) 呈線性關(guān)系如式(1)：

V=kTt+b

(1)

式中：V為滲流率，mD；Tt為特征溫度， ℃；k為與熱導(dǎo)率和比熱有關(guān)的常數(shù)材料的容量，mD/℃；b為與熱導(dǎo)率和熱功率相關(guān)的常數(shù)。

1.2 S-DTS測試分析

為了驗證S-DTS測量沙土滲流率的可行性，進行了室內(nèi)試驗。設(shè)計了滲水試驗裝置(圖1)。該裝置是一個鋼桶，高60 cm，直徑40 cm。桶底設(shè)有5個泄水孔，可通過閥門控制水的流量。在距桶底10 cm的高度放置一個支撐架；兩個過濾裝置分別放置在容器底部和支架上，以防止沙子泄漏到閥門中。為了提高S-DTS系統(tǒng)的空間分辨率，CFHC 螺旋纏繞在 PVC 管上，形成溫度傳感管(圖2)。測試使用蘇州南澤傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DTS06解調(diào)器和NZS-DTS-C11型CFHC，其規(guī)格分別見表1和表2。在本次測試中，表3分別選取不同粒度的砂種作為試樣，分別命名為A、B、C，其熱學(xué)參數(shù)和滲透率如表3所示。圖3為三種砂的粒度曲線。從表2和圖3可以看出，砂A的粒度、滲透系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)最大，砂B次之，砂C最小。而三種砂的降壓密度分別為差不多一樣。飽和沙土中20個不同的滲流速率通過閥門設(shè)定，從0 m/s到2.67×10-4m/s，間隔為1.33×10-5m/s。

圖2 傳感管示圖示(單位：mm)

圖3 三種砂的粒度曲線

表1 碳纖維加熱電纜 (CFHC) 的指數(shù)

表2 DTS06讀寫器技術(shù)指標(biāo)

表3 砂樣的熱學(xué)參數(shù)和滲透率

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度-時間曲線分析

圖4為三種砂體在不同滲流速率下的溫度-時間曲線，由圖4可以看出，任何滲流速率下的溫度-時間曲線在前15 min內(nèi)均上升較快且陡峭，且不能相互分離。在15～45 min期間，溫度隨時間穩(wěn)定升高，溫度-時間曲線逐漸清晰可辨。45 min后，溫度接近穩(wěn)定值。當(dāng)ΔT/Δt≤ 0.1 ℃/min 時，選擇每個滲流速率的Tt。Tt值隨著滲流率(V)的增加而變小。當(dāng)V超過某個閾值時，Tt趨于為零。此時，測量值等于環(huán)境溫度。這個閾值只是S-DTS系統(tǒng)可以測量的滲流率的上限。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，砂A的上限為1.6×10-4m/s，砂B為1.2×10-4m/s，但砂C的上限沒有結(jié)果，因為它的滲透率是太小而無法檢測。圖5中的虛線是Tt和V的線性擬合結(jié)果，線性關(guān)系如式(2)：

(2)

式中：TtA、TtB和TtC分別為砂A、B 和C的特征溫度， ℃。三種砂體線性擬合曲線的相關(guān)系數(shù)分別取0.99、0.98和0.96，表明Tt與滲流率V有很強的線性關(guān)系。

圖4 三種沙子的溫度-時間曲線

圖5 速率與特征溫度的關(guān)系曲線

此外，由圖6和式(2)可以看出，三種砂的Tt隨滲流率的增加而減小，擬合曲線的斜率分別為- 3.98×104、- 4.13×104和4.22×104幾乎是一個常數(shù)，說明Tt和V之間的變化率與砂體的粒度無關(guān)，而只與滲流的熱導(dǎo)率有密切關(guān)系。然而，每一級滲流率的Tt值與砂的熱導(dǎo)率和密度密切相關(guān)。這一結(jié)果與理論分析一致。

圖6 S-DTS邊坡滲流場監(jiān)測圖示

2.2 邊坡滲水監(jiān)測

從以上測試結(jié)果可以看出，S-DTS技術(shù)可用于定量測量滲流率，因此可用于邊坡滲流監(jiān)測，圖6是基于S-DTS技術(shù)的邊坡滲流監(jiān)測示意圖。CFHC可以纏繞在PVC管上制成傳感管，通過地質(zhì)條件分析確定長度，然后植入斜坡體。傳感管可以通過斜坡表面的光纖相互連接，形成光纖傳感網(wǎng)，然后連接到觀察站的S-DTS詢問器。這樣的分布式監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測地下水位的波動和邊坡滲流率，還可以通過邊坡滲流的測量來定位潛在的滑移帶。值得注意的是，在實踐中，對于不同的巖土結(jié)構(gòu)，式中的k和b(1) 需要通過室內(nèi)和現(xiàn)場測試進行校準(zhǔn)，例如通過現(xiàn)場鉆孔或抽水測試來分析土壤和巖石的熱性能。

3 結(jié) 論

本文介紹了一種具有CFHC的創(chuàng)新分布式溫度系統(tǒng)S-DTS，提高了使用碳纖維加熱電纜 (CFHC) 進行滲漏監(jiān)測的DTS的測量靈敏度和準(zhǔn)確性。提出并定義了特征溫度(Tt)，便于建立實測溫度值與滲流率(V)之間的定量關(guān)系。試驗表明，Tt與滲流率(V)有很強的線性關(guān)系?；谶@種關(guān)系，可以定量測量沙土中的滲流率。SDTS測得的滲流率上限取決于環(huán)境溫度。S-DTS可用于監(jiān)測邊坡地下水位波動和滲流率，定位邊坡潛在滑動面的位置。對評估邊坡穩(wěn)定性和預(yù)測滑坡具有重要意義。在相關(guān)參數(shù)的標(biāo)定和技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化方面還需要進一步開展工作。