土石壩滲流熱脈沖時域反射技術(shù)檢測方案設(shè)計優(yōu)化研究

劉海洋

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

土石壩是水利工程大壩中最常見的類型，由于設(shè)計施工簡單，成本較低，因此在中小型水利工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。由于滲流問題一直是威脅土石壩安全的重要因素，因此對土石壩滲漏情況進行及時探測對保證大壩的運行安全具有十分重要的意義[2]。目前國內(nèi)外針對土石壩滲漏監(jiān)測的主要方法有地震法、溫度法、綜合示蹤法、高密度電法等多種方法[3]。顯然，土石壩的滲流與土體的物理力學(xué)性質(zhì)具有顯著的關(guān)聯(lián)性，而針對土壤的多物理參數(shù)的連續(xù)定位測量一直是土壤研究的難點問題[4]。近年來，隨著計算機信息技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，熱脈沖技術(shù)作為一種新技術(shù)在土壤研究中得到廣泛應(yīng)用[5]。1996年，Noborio 等將該技術(shù)和時域反射技術(shù)相結(jié)合，提出了熱脈沖時域反射技術(shù)，首次實現(xiàn)了對土壤進行水、熱同時測量[6]。該技術(shù)具有數(shù)據(jù)連續(xù)性好，自動化程度高等諸多優(yōu)勢，不僅可以測量滲流量的大小，還可以準(zhǔn)確測量滲流點位的位置，因此在水利工程滲流監(jiān)測中發(fā)揮出重要作用。顯然。要利用該技術(shù)對土石壩滲流預(yù)警提供強有力的支持，熱脈沖探針的布置是一個關(guān)鍵問題。因為該技術(shù)主要適用于一維流場，如果傳感器所處的位置不同，對測量精度的影響是十分顯著的。因此，本次研究利用HYDRUS-3D 軟件對土石壩進行滲流模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果進行技術(shù)方案優(yōu)化，為高精度測量提供支持。

1 工程背景

郭臺子水庫位于遼寧省喀左縣白塔子鎮(zhèn)郭臺子村境內(nèi)的大凌河水系蒿桑河支流上，是一座以防洪和灌溉為主，利用灌溉水發(fā)電的多年調(diào)節(jié)型小(1)型水利工程[7]。水庫的設(shè)計庫容為4500萬m3，其灌溉區(qū)面積為8666.67 hm2。水庫修建于上世紀(jì)七十年代，由于當(dāng)時的設(shè)計和施工標(biāo)準(zhǔn)較低，加上長時間運行，水庫的病險問題日漸突出。因此，遼寧省朝陽市決定對其進行除險加固施工，加固后的大壩為混合壩型，主壩的軸線長369.57 m，其中混凝土壩段長42.95 m，土壩段長326.62 m，壩頂高程為350.30 m。郭臺子水庫的電站為軸流定漿式機組，初始裝機容量為23 kW，多年平均發(fā)電量為65 501 kW·h，最大水頭6.61 m，最小水頭5.51 m，額定水頭6.00 m，電站設(shè)計引用流量0.60 m3/s。

2 研究方法

2.1 模型簡介

HYDRUS-3D軟件是由美國國家鹽改中心開發(fā)的一款土壤水分、溶質(zhì)運移規(guī)律數(shù)值模擬軟件，主要由主程序模塊、項目管理模塊、幾何圖形模塊、網(wǎng)格生成模塊、邊界條件設(shè)定模塊、添加模塊以及圖形生成模塊等七大基本模塊組成。能夠?qū)︼柡团c非飽和條件下的土壤水分運移、溶質(zhì)的輸移以及熱傳導(dǎo)進行良好模擬。該軟件憑借其精確的模擬結(jié)果以及強大的功能，在該領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，其結(jié)果可以較好體現(xiàn)土壤中水分運動的基本規(guī)律[8]。

2.2 模型的邊界條件

HYDRUS-3D軟件提供滲流、溶質(zhì)運移、熱輸運、根系吸水等四種基本的計算功能[9]。由于本次研究僅對大壩土體中的水流運動和擴散情況進行模擬，并不考慮熱運移的影響，因此研究中僅采用HYDRUS-3D軟件中的滲流計算功能。在模擬計算中，大壩土體的水力學(xué)參數(shù)采用軟件中自帶的設(shè)定值。研究中根據(jù)郭臺子水庫大壩土壩段的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)建立相應(yīng)的模擬區(qū)域，主要包括土壩壩段的上下游水位邊界，下游的滲出面邊界以及大氣邊界，壩基和壩肩為不透水邊界。

2.3 有限元網(wǎng)格單元劃分

在HYDRUS-3D模擬計算中，需要將對模型的試驗區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，也就是有限元模型空間網(wǎng)格化，通過網(wǎng)格劃分，將模型劃分為相連的網(wǎng)格，對每一個網(wǎng)格單元進行近似求解，然后再獲得整個試驗?zāi)Ｐ偷慕?，最后獲得模擬結(jié)果。顯然，網(wǎng)格單元的大小也就是網(wǎng)格密度或?qū)τ嬎憬Y(jié)果的準(zhǔn)確性以及計算的規(guī)模產(chǎn)生直接影響。所以，在保證模擬計算結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，應(yīng)該盡量減少網(wǎng)格單元的數(shù)量，以降低運算的規(guī)模。因此，在模型的網(wǎng)格劃分中，需要對波動性較大的區(qū)域使用尺寸較大的網(wǎng)格，對波動性相對較小的區(qū)域則適應(yīng)尺寸較小的網(wǎng)格。在本次模擬中，水流的入口位于模型的頂部，水流的出口位于模型的底部，水流進出口部位的水流運動速度快，變化比較劇烈，因此需要對模型的上述部分進行加密處理，模型上遠(yuǎn)離進出口區(qū)域的水流運動速度較慢，變化比較平緩，因此應(yīng)該對該部分區(qū)域進行稀疏化處理。最終，整個模型劃分為8076個網(wǎng)格單元，5796個計算節(jié)點。

2.4 模擬時間設(shè)置

研究中為了更好模擬土石壩內(nèi)的滲流情況，在試驗過程中將模擬時間設(shè)定為120 min。利用上節(jié)構(gòu)建的模型對模擬時段中的滲流情況進行模擬計算，進而獲得大壩滲流運動變化規(guī)律。模擬過程中的時間間隔為5 min，也就是每5 min提取一次模擬計算結(jié)果。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 熱脈沖加熱時間優(yōu)化

圖1 加熱時間8 s的計算值和實測值對比

為了研究滲流熱脈沖時域反射技術(shù)的郭臺子水庫土壩不同滲流情況下的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性，在研究中設(shè)計了1.65×10-5m/s、1.96×10-5m/s、2.28×10-5m/s、2.59×10-5m/s、2.91×10-5m/s、3.19×10-5m/s、3.53×10-5m/s、3.85×10-5m/s、4.16×10-5m/s、4.47×10-5m/s、4.79×10-5m/s、5.10×10-5m/s、5.42×10-5m/s、5.73×10-5m/s、6.04×10-5m/s、6.36×10-5m/s、6.67×10-5m/s等17個不同的滲流流速水平，熱脈沖的加熱時間設(shè)定為8 s；根據(jù)郭臺子水庫土壩的現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，大壩土體的壓實密度設(shè)置為1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3三個不同數(shù)值。利用上節(jié)構(gòu)建的模型對上述工況下的水流通量進行模擬計算，計算值和實測值的對比如圖1所示。由圖可知，在不同的壓實密度條件下，模擬計算結(jié)果和實測結(jié)果均呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，說明滲流熱脈沖時域反射技術(shù)可以較好監(jiān)測土石壩的滲流情況。此外，從圖中還可以看出，當(dāng)水流通量大于6.5×10-6m/s的情況下，模擬計算結(jié)果和實測值之間的誤差相對較大，也就是在8 s熱脈沖測量時，大滲流情況下的監(jiān)測精度相對較低。

在大滲流量情況下，熱脈沖能量受到快速滲流水流的作用而被帶向探針的遠(yuǎn)端，進而影響到測量精度。顯然，要提高大滲流量條件下的滲流精度，可以通過熱脈沖時間的調(diào)整以適應(yīng)不同滲流量的測量要求，但是，受到其他因素的制約，加熱時間也不宜過長。因此，研究中在其他條件不變的情況下，將熱脈沖加熱時間調(diào)整為15 s，然后利用上節(jié)構(gòu)建的模型對上述工況下的水流通量進行模擬計算，計算值和實測值的對比如圖2所示。由圖可知，熱脈沖加熱時間調(diào)整后的模擬結(jié)果與實測結(jié)果更為接近，不同流速條件下的模擬值和實測值之間的相關(guān)性更好，因此，加熱時間為15 s的測量準(zhǔn)確性更高。

圖2 加熱時間15 s的計算值和實測值對比

3.2 傳感器布設(shè)位置設(shè)計

利用上節(jié)構(gòu)建的模型，結(jié)合郭臺子水庫的實際運行情況，對10 m和15 m兩種不同壓力水頭條件下的土壩段壩內(nèi)滲流情況進行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果，繪制出圖3和圖4所示的不同模擬時長下的壩內(nèi)含水率分布圖。由圖可知，隨著模擬時間的增加，壩體的含水率也逐漸增加和擴散，在10 m和15 m水頭條件下，分別在38.4 h和28.8 h達到整體含水率擴散均勻。由此可見，隨著大壩上游水位的升高，水壓力變大，因此滲透所需要的時間變短，同時，壩體的浸潤線有所上升，而下游的滲出面位置也會有所上移。因此，在實際監(jiān)測過程中，可以將傳感器埋設(shè)到大壩壩體浸潤線以下或者滲出面以下位置，以檢測出壩體滲漏情況。

圖3 10 m水頭條件下壩內(nèi)含水率分布圖

圖4 15 m水頭條件下壩內(nèi)含水率分布圖

4 結(jié) 論

本次研究以遼寧省喀左縣郭臺子水庫大壩土壩段為例，利用HYDRUS-3D軟件進行了土壩壩體滲流模擬研究，根據(jù)研究結(jié)果對滲流熱脈沖時域反射技術(shù)檢測技術(shù)方案進行優(yōu)化，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)對不同流速和不同土體壓實度條件下的模擬值和實測值的相關(guān)性進行對比分析，結(jié)果顯示加熱時間為15 s的測量準(zhǔn)確性更高，因此推薦在工程應(yīng)用中采用加熱15 s方案。

(2)在實際監(jiān)測過程中，可以通過模擬計算結(jié)果將傳感器埋設(shè)到大壩壩體浸潤線以下或者滲出面以下位置，以檢測出壩體滲漏的實際情況。