李 洲

(東莞市正源工程質(zhì)量檢測有限公司，廣東 東莞 523000)

土石壩是水利工程中最為常見的壩型之一，土石壩的數(shù)量約占水電大壩數(shù)量的80%以上，但隨著運行時間的增加，一些土石壩也出現(xiàn)了各種各樣的問題，其中尤以滲漏問題最為嚴重，為了提高土石壩的運行安全，必須對土石壩開展常態(tài)化的滲漏檢測[1- 2]。

常用的滲漏檢測法包括自然電場法、高密度電法、地震法、溫度法、分布式光纖法、流場法、綜合示蹤方法等，這些檢測技術(shù)要么存在檢測精度不高的問題、要么就是對土壤擾動較大，抑或是檢測費用較高，不能在水利工程中長時間大面積使用，因而需要尋求一種新型檢測方法來替代以上技術(shù)[3- 5]。熱脈沖技術(shù)是一種通過測定土壤介質(zhì)的熱特性(如土壤熱導(dǎo)率、容積熱容量以及擴散系數(shù)等參數(shù))來反映土體中水流流速、含水率、蒸發(fā)量等參數(shù)的技術(shù)手段。熱脈沖探測設(shè)備體積小，質(zhì)量輕，對土壤擾動小，工程造價低，可實現(xiàn)連續(xù)定位檢測，測量精度高等諸多優(yōu)點[6]。時域反射技術(shù)是一種利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同來測定土壤含水率和電導(dǎo)率的技術(shù)，可對土壤物理性質(zhì)的時空間變異性進行實時測量[7]。將熱脈沖技術(shù)和時域反射技術(shù)相結(jié)合，即可得到基于熱脈沖時域技術(shù)的滲漏檢測技術(shù)，該技術(shù)基于土熱平衡理論，可實現(xiàn)土壤孔隙度、含水量、水流通量、水流流速等多種參數(shù)的實時連續(xù)測量[8]。

本文基于熱脈沖時域技術(shù)，建立土石壩心墻材料模型，對不同密度砂壤土滲漏進行了檢測，以期能為土石壩滲漏檢測工作提供參考。

1 大壩滲漏檢測方案設(shè)計

1.1 儀器設(shè)備和材料

儀器設(shè)備主要包括電子天平、滲漏測量儀、蠕動泵、數(shù)據(jù)采集器、計算機等。熱脈沖傳感器的探針長度為4cm，直徑為1.3mm，共布置3根探針，探針間距為6mm，在中間探針中安裝加熱電阻絲，探針與同軸電纜相連，均通過熱電偶來測量土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，在測試過程中利用瓊脂溶液來標定探針與探針之間的距離，如圖1所示。材料主要包括不同密實(壓實度)的砂壤土，密度分別為1.4、1.5g/cm3和1.6g/cm3。

圖1 熱脈沖傳感器示意(單位:mm)

1.2 布置方式

將數(shù)據(jù)采集儀、繼電器、加熱絲、直流電源等串聯(lián)起來，組成一個完整的試驗供電線路，數(shù)據(jù)采集儀又分別與熱電偶和計算機相連，通過與熱電偶相連來測試溫度的時空變化，通過與計算機相連來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和存儲；繼電器作為整個線路的開關(guān)，并通過數(shù)據(jù)采集儀控制端口的激發(fā)電壓來實現(xiàn)對繼電器的控制。

1.3 試驗方法與步驟

采用模擬試驗法進行試驗，將不同密度砂壤土裝入有機玻璃來模擬不同壓實度的土石心墻材料，通過橡膠管和蠕動泵向有機玻璃中土體提供滲漏水，并控制滲漏水的水流流速，通過熱脈沖傳感器實現(xiàn)對砂壤土滲漏量的測量。

試驗步驟：①將砂壤土去除雜物，通過烘干篩選后裝入有機玻璃柱中，有機玻璃柱的上下均加設(shè)蓋子，并分別設(shè)置一個透水細孔，在透水細孔上鋪設(shè)一層定性濾紙；②將裝填好的土柱體與熱脈沖傳感器的探針相連，然后進行密封處理，確保滲流試驗過程中水不會外泄；③在數(shù)據(jù)采集之前需要對熱脈沖探針加熱，加熱時長為8s，探針采集數(shù)據(jù)的間隔時間為1s，每次檢測的時間周期為99s；④利用盛水裝置收集滲出水，當出水量與入水量相等時，表明玻璃柱的土體達到飽和狀態(tài)，可以開始數(shù)據(jù)采集。

2 測試效果

以1.4g/cm3的砂壤土為例，將水流流速設(shè)定為0.0098、0.0137、0.0176、0.021、0.0255、0.0294mm/s，對該密度下的砂壤土進行滲流測試，并用土壤水熱平衡理論和上下游溫度上升比率法(Td/Tu法)計算土體滲流量，結(jié)果如圖2所示。

圖2 砂壤土水流通量與實測值關(guān)系

由圖2可知，理論上，滲流量計算值應(yīng)全部落在1∶1線上，但實際上計算滲流量與實測滲流量有偏差，且均位于1∶1線下方，表明計算值均小于實測值，而且偏差隨著滲流量的增大而逐漸增大，這主要是因為在滲流試驗剛開始時，存在土壤入滲擴散現(xiàn)象，且探針距離入滲口較近，經(jīng)過熱脈沖位置的水流并沒有擴散開來，導(dǎo)致熱脈沖加熱產(chǎn)生的能量被帶到遠離探針的位置，探針所能采集到的能量值小于熱脈沖擴散值，進而導(dǎo)致計算值偏小；采用Td/Tu法計算得到的滲流量與實測流量更為接近，因此在利用熱脈沖時域技術(shù)進行土石壩滲漏檢測時，宜采用Td/Tu法計算滲流量，但相對均方根誤差仍然達到了30.45%，故需要對滲流檢測方法進行改進。

3 方法改進

3.1 改進措施

受限于熱脈沖探針位置的影響，計算水流通量與實測值有較大偏差，因而需要對探針位置進行優(yōu)化。應(yīng)用HYDRUS- 2D對砂壤土在不同時刻的水分入滲情況進行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同時刻砂壤土垂直入滲含水率剖面

由圖3可知，隨著入滲時間的增加，土壤含水率逐漸升高并向土體深部發(fā)展，當入滲時間達到50min后，土壤中的含水率流場基本達到穩(wěn)定，且在距離頂部水源12cm處，水分流場基本達到水平，故在模擬試驗中，需要將熱脈沖傳感器探針埋入12cm土層以下，而在實際工程中，則可以根據(jù)土石壩的滲流場穩(wěn)定場確定合理的傳感器埋入深度(中下游為最合適的區(qū)域)，從而減小檢測誤差。與此同時，為了進一步確保熱脈沖加熱產(chǎn)生的能量能被探針足量探測到，通過多次調(diào)試，將8s加熱時間延長至15s，從而產(chǎn)生更多的熱量，即使被沖散一部分，還能確保所采集到的能量值不低于擴散值。

3.2 改進后的檢測效果

對探針位置和加熱時長調(diào)整后的檢測效果進行試驗，分別在1.4、1.5和1.6g/cm33種密度的砂壤土中進行，流速水平共設(shè)置0.0176、0.0207、0.0239、0.027、0.0302、0.033、0.0364、0.0396、0.0427、0.0458、0.0490、0.0521和0.0553等13種，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，調(diào)整探針位置和加熱時長后，測算水流通量與實測流通量基本相等，兩者的擬合關(guān)系分別達到了0.986、0.984和0.979，這表明在不同密度砂壤土中，探針位置和加熱時長并未受到明顯的影響，故調(diào)整后的方案是合理可行的；通過試驗數(shù)據(jù)，計算得到了1.4、1.5和1.6g/cm33種密度砂壤土對水的阻滯系數(shù)分別為9、9.6和9.7，阻滯系數(shù)隨著砂壤土密度的增大而增大，密度越大，孔隙率越小，滲流通道越少，對水的阻滯作用肯定就越強，通過阻滯系數(shù)可以對土石壩心墻材料的防滲效果和滲漏情況進行評價。

對改進后不同密度砂壤土的試驗誤差進行分析，結(jié)果見表1。

表1 試驗誤差分析

由表1可知，在優(yōu)化前，檢測相對均方根誤差為30.45%，納什效率系數(shù)僅為-0.134，表明檢測結(jié)果可靠，但與實測值的偏差較大；探針位置和加熱時長優(yōu)化后，相對均方根誤差均小于3%，且納什效率系數(shù)基本接近于1，表明實測水流通量與檢測值吻合匹配度較高，熱脈沖時域檢測方案質(zhì)量和可靠性高，檢測結(jié)果可信度好。

圖4 不同密度砂壤土滲漏檢測結(jié)果

4 結(jié)語

基于熱脈沖時域技術(shù)對不同密度心墻材料滲漏情況進行模型試驗，得出如下結(jié)論：

(1)由于存在土壤入滲擴散現(xiàn)象，會帶走部分熱脈沖能量值，導(dǎo)致檢測結(jié)果誤差偏大，因而建議將探針位置向土層深部插入，在實際工程中建議將探針布置在土石壩中下游的位置。

(2)采用Td/Tu法計算得到滲流量比采用土壤水熱平衡理論計算得到的滲流量更接近于實際值，故在利用熱脈沖時域技術(shù)時宜采用Td/Tu法計算滲流量。

(3)對探針位置和加熱時長進行優(yōu)化，優(yōu)化后的檢測誤差均在3%以內(nèi)，且納什效率系數(shù)均接近于1，表明檢測結(jié)果合理可靠，通過檢測到的阻滯系數(shù)可以對土石壩心墻材料的防滲效果和滲漏情況進行評價。

(4)由于時間精力有限，本文僅對砂壤土進行了試驗，關(guān)于其他類型心墻材料試驗將在今后作進一步研究。