基于熱脈沖法的水電站壩體滲流檢測(cè)試驗(yàn)及模擬研究

秦 偉

（洛陽水利工程局有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

土石壩是一種常見的大型水工建筑物，我國(guó)建造土石壩的歷史悠久，全國(guó)各地都建造有各種高度的土石壩，很多建成土石壩的設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)都不到位，壩體滲漏的問題也比較普遍。大量資料顯示，由于壩體滲流引發(fā)大壩潰壩失事的案例占到了土石壩總失事案例的三分之一以上，所以能夠運(yùn)用工程檢測(cè)手段來監(jiān)測(cè)土石壩滲流情況是保證大壩安全運(yùn)行的關(guān)鍵[1,2]。

常規(guī)的壩體滲流檢測(cè)的方法有電場(chǎng)法、流場(chǎng)法、溫度法和高密度電法等[3]，本文采用熱脈沖法來直接測(cè)定土壤介質(zhì)的熱學(xué)特征，通過推演土壤內(nèi)的水分遷移來確定壩體含水率，進(jìn)而了解其滲流情況[4,5]。

1 滲流量的測(cè)定方法

在測(cè)定土石壩的滲流情況時(shí)，需要先向壩體預(yù)埋熱脈沖探針，測(cè)得上、下游壩面熱電偶溫度增量，再與原熱電偶溫度做線性插值，得到增溫率（溫度增量與原溫度的比值），進(jìn)一步得出上、下游壩面增溫率之比，即：

式中，TD、TU分別表示下、上游壩面的增溫率；X0表示當(dāng)上、下游壩面熱脈沖探針為等間距布置時(shí)的探針間距；V為熱脈沖發(fā)射速度；α為土石壩熱擴(kuò)散系數(shù)。實(shí)際安裝時(shí)，無法等間距布置熱脈沖探針，因此以下游、上游探針間距平均值XD、XU來代替，可以推導(dǎo)得到下式：

式中，J為滲流量；λ為材料熱導(dǎo)率；CW為材料容積熱容量。求得壩體對(duì)應(yīng)位置的滲流量J，就能檢測(cè)土石壩內(nèi)部含水率的變化，從而檢測(cè)壩體滲流情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果

土石壩筑壩材料大多取自當(dāng)?shù)兀瑝误w所用砂壤土對(duì)庫(kù)水的阻流效果是影響壩體滲流安全的決定性因素，本節(jié)將測(cè)試不同密度砂壤土和壤土在不同入流流速下的阻流情況，具體地，在軟件HYDRUS中建立如圖1所示的土柱平面模型，將土柱滲流流速的模擬值與熱脈沖探針測(cè)得的實(shí)測(cè)值做對(duì)比，推出模擬值與實(shí)測(cè)值之間的擬合曲線，作為下一步的數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，同時(shí)驗(yàn)證熱脈沖法的精確度。

圖1 試驗(yàn)土柱示意圖

2.1 不同密度砂壤土的測(cè)試結(jié)果

如表1所示，試驗(yàn)研究了8 s熱脈沖時(shí)長(zhǎng)檢測(cè)的三種密度砂壤土在不同入流流速下的出流流速值，將實(shí)測(cè)值與HYDRUS計(jì)算得到的模擬值做對(duì)比，得到圖2。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖2 不同密度砂壤土滲流流速的模擬值與實(shí)測(cè)值

由圖2可知，HYDRUS計(jì)算的滲流流速與試驗(yàn)得到的實(shí)測(cè)值較接近，二者呈現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)性，說明熱脈沖法在滲流檢測(cè)方面能取得不錯(cuò)的結(jié)果，熱脈沖法和HYDRUS對(duì)計(jì)算一定入流流速下砂壤土的滲流流速能達(dá)到一定精度。

2.2 不同密度砂壤土阻流作用的測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)運(yùn)用上、下游增溫率之比TD/TU來計(jì)算滲流流速，將滲流流速與入流流速整理得到如圖3所示的擬合曲線，進(jìn)一步比較不同密度砂壤土的阻流作用。

圖3 不同密度砂壤土模擬與實(shí)測(cè)滲流流速的擬合曲線

可以看出，試驗(yàn)得到的入流流速與滲流流速呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，各密度砂壤土的相關(guān)系數(shù)較高，入流流速相同時(shí)，砂壤土的密度越大，滲流流速越小，擬合曲線的斜率越大，阻流作用越明顯。造成這一現(xiàn)象的原因是：砂壤土的密度增大時(shí)，土壤顆粒級(jí)配更合理，顆粒之間空隙減少，土壤孔隙率降低，部分滲流通道被阻斷，滲流流速受到了阻礙。

2.3 不同密度壤土阻流作用的測(cè)試結(jié)果

本次試驗(yàn)將砂壤土替換為壤土，同樣運(yùn)用上、下游增溫率之比TD/TU來計(jì)算壤土密度對(duì)滲流流速的影響，與2.2節(jié)的結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，壤土測(cè)試得到的擬合曲線依然表現(xiàn)出高相關(guān)性，壤土的阻流效果明顯優(yōu)于砂壤土，擬合曲線的斜率顯著增大，越高密度壤土的斜率越大。壤土阻流效果如此顯著的原因是：壤土中的沙質(zhì)顆粒較少，黏質(zhì)和粉質(zhì)顆粒占比較多，這兩種顆粒組成的土骨架遇水后極易坍塌、堵塞，絕大多數(shù)滲流通道因此被截?cái)?，所以壤土?duì)滲流的阻礙效果更明顯。

圖4 不同密度壤土模擬與實(shí)測(cè)滲流流速的擬合曲線

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于熱脈沖法對(duì)砂壤土和壤土的滲流檢測(cè)結(jié)果有較高數(shù)學(xué)相關(guān)性，數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果接近，實(shí)測(cè)結(jié)果也表現(xiàn)出一定規(guī)律，本文將繼續(xù)運(yùn)用數(shù)值模擬來研究熱脈沖法在土石壩滲流檢測(cè)方面的運(yùn)用。

3 壩體滲流檢測(cè)的數(shù)值模擬

以某心墻土石壩為對(duì)象建立模型，該大壩最大壩高84 m，壩頂寬8 m，上、下游坡降比均為1∶1.2。模型考慮65 m庫(kù)水水位下的壓力水頭，以熱脈沖法為基礎(chǔ)的滲流檢測(cè)方法用于計(jì)算壤土心墻和黏土心墻土石壩的含水率時(shí)間的變化情況，熱脈沖探針均勻布置在壩頂及下游壩面。

3.1 65 m壓力水頭下的壤土心墻土石壩含水率變化

從圖5可以看出，65 m壓力水頭下，壤土心墻土石壩下游壩面浸潤(rùn)線高度恒定，約為壩高的一半，浸潤(rùn)線的含水率最大且始終保持在0.430左右，壩頂含水率變化明顯，從庫(kù)水加載12～48 h間，壩頂最大含水率逐漸由0.324增至0.344，模型含水率梯度分布均勻，隨壩高的增加呈線性減小的趨勢(shì)。

圖5 65 m壓力水頭下壤土心墻土石壩含水率隨時(shí)間的分布

3.2 65 m壓力水頭下的黏土心墻土石壩含水率變化

將模型心墻材質(zhì)替換為黏土后，同樣以65 m庫(kù)水水頭對(duì)模型加載48 h，壩體含水率隨時(shí)間的發(fā)展情況如圖6所示，與3.1節(jié)的含水率分布對(duì)比后可以看出，粘土心墻土石壩的下游壩面浸潤(rùn)線高度有所下降，最大含水率的分布區(qū)域與浸潤(rùn)線重合，最大含水率為0.380，相比前者減小了11.6%，壩頂含水率由0.373發(fā)展至0.376，土石壩含水率分布的差距較小，黏土心墻對(duì)滲流的阻礙作用明顯，其原因主要是黏土的壓實(shí)度較壤土高，心墻內(nèi)空隙更少，孔隙率原本就不高，而且滲流通道受到了阻斷，黏土板結(jié)形成的阻水屏障還能進(jìn)一步阻擋庫(kù)水的滲透。

圖6 65 m壓力水頭下黏土心墻土石壩含水率隨時(shí)間的分布

4 結(jié)論

以對(duì)某心墻土石壩進(jìn)行滲流檢測(cè)為出發(fā)點(diǎn)，首先針對(duì)不同密度的砂壤土和壤土的實(shí)驗(yàn)土柱進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)的對(duì)比，又測(cè)試了不同密度土柱的阻流效果，推出了入流流速與滲流流速的擬合曲線，在此基礎(chǔ)上展開了65 m壓力水頭下土石壩含水率變化的研究，得到以下結(jié)論：

（1）不同密度土柱阻流效果的試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果接近，說明熱脈沖法在試驗(yàn)和仿真計(jì)算中都能保持一定精度。

（2）對(duì)不同密度砂壤土和壤土的阻流試驗(yàn)結(jié)果表明，相同材料土柱的密度越高，熱脈沖法測(cè)得的滲流流速就越低，阻流效果越好。由于土壤顆粒特質(zhì)、孔隙率和級(jí)配等原因，密度相同時(shí)，壤土的阻流效果優(yōu)于砂壤土。

（3）心墻土石壩壩頂及下游壩面的含水率計(jì)算結(jié)果表明，粘土心墻的阻流效果比壤土心墻顯著，前者的含水率明顯小于后者，其浸潤(rùn)線也較后者更低。實(shí)際工程中，可以事先將熱脈沖探針埋入土石壩的潛在滲漏區(qū)或已暴露的滲漏區(qū)，從而實(shí)時(shí)檢測(cè)土石壩的滲流情況，達(dá)到監(jiān)測(cè)大壩安全的目的。