糯扎渡水电站大坝渗漏的稳态检测研究

谷 涛， 李 川

（1.华能澜沧江水电有限公司糯扎渡水电工程建设管理局，云南 普洱 665005；2.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650000）

大坝土质防渗体的抗渗安全取决于心墙防渗料与反滤层的联合抗冲蚀作用和能力。如果心墙任何一处的防渗料渗透破坏后，将形成渗流冲蚀，就有两种发展过程和趋势：当反滤机制失效时，冲蚀越来越快，呈恶性循环，最终导致重大事故甚至溃坝；当冲刷的土粒或土团一旦被反滤料所截留，则渗流通道被逐渐淤塞而自行愈合[1～3]。当土石体内存在大量水流动时，土石体热传导强度将随之发生改变，由此引起温度场变化，将打破该测量点处附近温度分布的均匀性及同一组温度测量点之间温度分布的一致性。在研究该处正常地温及参考水温后，就可独立地确定测量点处温度异常是否由渗流水活动引起的，这一变化可作为渗流探测的指征，从而实现对土体内集中渗流点的定位和监测。

本文通过测得糯扎渡堆土坝反滤料中的温度场分布及其变化，研究渗流流速与稳定温度的升降之间的对应规律，并根据温度场信息，建立判识渗流状态的科学依据。

1 工作原理

基于光纤Bragg光栅的渗漏测量原理是将光纤Bragg光栅粘贴于带铝制外壳的圆柱形PTC发热体的表面。当PTC发热体加热至热平衡时，发热体在砂土中形成不同的稳定温度分布，从而引起光纤Bragg光栅的中心波长发生移位。PTC的铝制外壳的热膨胀将对光纤Bragg光栅产生附加波长移位，起到热增敏的作用。发热体产生的不同温度分布转换成光纤Bragg光栅波长移位，从而实现材料导热系数的现场在线测量[4～6]。

水体从坝体中流过，当两种介质存在温度差时，必然产生热量交换。当把土石坝中流动的水体和认为相对不动的介质分开研究，坝体或坝基内部存在渗流时，其热量交换应包括两部分：一部分为本身的热传导作用，另一部分为渗流夹带的热量。在一向导热的情况下，当土坝内部存在渗流时，热流量包括两部分：一部分是由于土体本身的热传导作用，为-λ另一部分是由渗流夹带的热量，为cwρwvT。因此热流量为：

式中，qx为沿一维坐标轴x方向的热流量；cw为水的比热；ρw为水的密度；λ为土的导热系数；v为渗流速度；T为温度。因此，在单位时间内流入单位体积的净热量为：

这个热量必须等于单位时间内坝体温度升高所吸收的热量，故：

式中，c为土体的比热；ρ为土体的密度；t为时间。将该式推广到三向导热的情况下，则考虑渗流影响下的温度场三维导热方程为：

根据渗流场对温度场的影响机理分析，可知渗流速度直接影响了温度场的变化。式（4）表明，渗流速度越大，对温度场的影响也越大。而渗流速度场的分布又由渗流场水头的分布 H=H（x，y，z，t） 决定，即 v=v（H）。

2 光电加热单元对渗漏实验的响应研究

在光电加热单元生产性试验中，从糯扎渡堆土坝的心墙填筑区现场获取反滤料I放入试验槽中来模拟大坝中埋有光电加热单元的局部区域，反滤料埋住光电加热单元。

在试验模型中装入25 cm高度的反滤料I，光电加热单元埋在离反滤料表面大约10 cm深左右的位置，槽顶部到反滤料表面有5 cm高度，在传感器的敏感部位贴上一玻璃棒温度计。槽顶部设计一个有阀门的水管，槽底部可根据实验需求铺上防水布、纱布、铁丝网等。实验槽为玻璃材质。

2.1 正常渗流实验

模拟试验将水坝的水平渗流变为垂直渗流。槽顶部阀门打开适度，水就会在重力作用下在反滤料中形成渗流，并从底部的铁丝网流出。当槽中水位恒定时，水管水流量等于渗流量 （平均渗流量），将水流量再除以槽的底面积就得到了反滤料中的渗流大小。正常渗流实验分别进行了同一压实度实验和不同压实度实验，在电压24 V情况下，同一压实度下正常渗流试验做了两次，光电加热单元的稳定温度为56.9～57.5℃，温升为33.1～33.7℃，温升曲线见图1所示。

图1 同一压实度下正常渗流温升曲线

电压24 V情况下对不同压实度饱和砂石进行了正常渗流试验，光电加热单元的最终温度为57.3～57.5℃，温升为33.7～35.5℃，温升曲线如图2所示。

图2 不同压实度正常渗流温升曲线

正常渗流的试验表明，在对光电加热单元加电24 V的情况下，即使渗流流速不同，压实度不同，光电加热单元的温升速度和最终稳定的温度在不同渗流速度下差异不大。实验开始的20 min内，光电加热单元的温升差值最大为1.8℃，出现在不同压实度正常渗流实验开始15 min时。温度将在2.5 h后趋于稳定，稳定温度为56.9～57.5℃，温升为33.1～35.5℃。稳定温度和温升分别在0.6℃，2.4℃间变化。

2.2 集中渗流实验

当土石坝发生集中渗流时，处于渗流通道中的光电加热单元是被水直接冲刷的。在实验室中，让水直接从光电单元的传感部位流过。当光电加热单元加热稳定时，水流温度与光电单元传感部位存在温度差。水流过传感部位，水与光电单元进行热交换后将引起光电单元波长的变化。试验结果表明，加热开始的20分钟内光电加热单元的温升快慢差异不大，10分钟时的温升最大差值为1.5℃。最终温度为55.5～56.9℃，温升为32～33.9℃。终止波长随着水流的减小趋向正常渗流的波长，参见图3。

图3 集中渗流光电加热单元温升曲线

在集中渗流情况下，光电加热单元的稳定温度随流速呈下降趋势。4次试验的稳定温度相差1.4℃，温升相差1.9℃。光电加热单元与水之间的热交换是有限的，当光电加热单元被水带走的热量达到极值时，流速的改变对光电加热单元的温升影响不大。

3 结 论

大坝土质防渗体的抗渗安全取决于心墙防渗料与反滤层的联合抗冲蚀作用和能力[1-4]。如果心墙任何一处的防渗料渗透破坏后，将形成渗流冲蚀，就有两种发展过程和趋势：当反滤机制失效时，冲蚀越来越快，呈恶性循环，最终导致重大事故甚至溃坝；当冲刷的土粒或土团一旦被反滤料所截留，则渗流通道被逐渐淤塞而自行愈合。故从大坝安全的角度，大坝渗流状态存在3种类型：①正常渗流；②局部集中渗流而逐渐自愈-冲蚀通道淤塞；③局部集中渗流而逐步扩展-冲蚀恶化。

在糯扎渡工程中，通过测得其反滤料的温度场分布及其变化，判定渗流冲蚀的发生，以及发展过程，比如：自愈或扩展等。上述试验表明，渗流流速与稳定温度的升降有一定的对应规律，可根据温度场信息，建立判识渗流状态的科学依据，这三种状态的温度场表现：①正常渗流状态或无渗流状态，通电后各测点的稳定温度点较高，温度在56.9～58.6℃之间，且分布均匀；②集中渗流逐渐自愈状态，通电后温升受渗流散热抑制而分布不均，呈漏斗状，离渗漏通道较远处稳定温度点较高，而愈近稳定温度点愈低 （55.5～56.9℃）；随着逐步自愈向均匀化分布、较高温升过渡。③集中渗流逐步扩展状态，温升分布呈漏斗状，随渗漏量增加，渗漏通道邻近区域内稳定温度点逐步降低，漏斗状分布愈明显（55.5～56.9 ℃）。

［1］ 吕琼芬.土质坝水库渗漏的主要原因及防渗处理措施 ［J］.大坝与安全， 2010（6）.

［2］ 陈群，谷宏海，何昌荣.砾石土防渗料-反滤料联合抗渗试验［J］.四川大学学报： 工程科学版， 2012（1）.

［3］ 王金花.水库大坝安全监测鉴定评估新标准与除险加固工程技术及洪灾风险评估预控实用手册［S］.2005.

［4］ 李川，张以谟，赵永贵，等.光纤光栅：原理、技术与传感应用［M］.北京：科学出版社，2005.

［5］ 李川，由静，李英娜，等.双套管式光纤Bragg光栅温度传感器［J］.光学技术， 2010， 36（2）:244-247.

［6］ 李川，吴晟，刘建平，等.铠装光纤Bragg光栅温度传感器的研究［J］.传感器技术， 2005， 24（4）:29-30， 33.