周柏兵，王偉杰，易長(zhǎng)春

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3.宜興市橫山水庫管理處，江蘇 宜興 214236；4.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050021）

0 引言

堤防大壩歷來是防洪減災(zāi)工程系統(tǒng)的重要組成部分之一，根據(jù)《2010年中國水利年鑒》，按水資源一級(jí)區(qū)劃分全國共有堤防長(zhǎng)度 29.1420萬 km，其中重點(diǎn)堤防長(zhǎng)度 11.6739萬 km，保護(hù)耕地 4.6547×107hm2，保護(hù)人口58978萬人，堤壩、大壩、海堤、海塘等工程在灌溉，防洪，航運(yùn)，發(fā)電和供水等方面發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1]。但由于早期堤防大壩在設(shè)計(jì)和施工方面的先天不足，以及管理、維護(hù)方面的后天失調(diào)，很多堤防大壩出現(xiàn)的問題日益增多，其中堤壩滲漏是最普遍、常見的問題，給工程效益和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重威脅。因此，深入研究堤防大壩的安全穩(wěn)定性和破壞機(jī)理，對(duì)指導(dǎo)堤防大壩的安全建設(shè)和運(yùn)行，具有重大意義。同時(shí)促使堤防大壩工程問題從單一場(chǎng)的研究向2場(chǎng)或多場(chǎng)（溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)）耦合方向發(fā)展，從相關(guān)聯(lián)的視角去剖析工程安全問題的機(jī)理和發(fā)展趨勢(shì)。

滲流逐漸發(fā)展為大的堤壩滲漏甚至管涌屬于緩變過程，需要長(zhǎng)期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)才能正確評(píng)估，通過監(jiān)測(cè)壩堤內(nèi)溫度研究滲流是一種有效的手段。滲流引起壩體內(nèi)溫度場(chǎng)的改變是大范圍的隨機(jī)事件，且滲流場(chǎng)自身的地下隱蔽性，傳統(tǒng)的點(diǎn)式監(jiān)測(cè)容易產(chǎn)生漏檢和對(duì)滲流難以定位的弊端，因此需要尋求更多或更完整的監(jiān)測(cè)手段和分析技術(shù)。分布式光纖傳感技術(shù)能對(duì)堤壩溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)的全斷面監(jiān)測(cè)，可更好地對(duì)工程問題進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。因此為更好地給工程的安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，需要對(duì)分布式光纖傳感技術(shù)在堤壩滲漏監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況進(jìn)行研究。

1 研究意義

1.1 研究背景

1.1.1 滲流的危害和預(yù)報(bào)的重要性

滲流是水利工程較為重要的荷載，滲流穩(wěn)定是堤壩設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行的最主要問題。國內(nèi)外堤防大壩失事實(shí)例統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，堤防大壩的失事大都由滲流引起，85% 以上的堤防安全事故源于滲透破壞，其中管涌導(dǎo)致的潰口決堤等破壞形式占到90%。因此，需對(duì)堤防大壩的滲流狀況進(jìn)行監(jiān)控與分析，并對(duì)滲流發(fā)展態(tài)勢(shì)及時(shí)預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)[2]。

1.1.2 探測(cè)和預(yù)報(bào)滲流場(chǎng)的局限性

國內(nèi)外水利工程實(shí)踐表明，堤防大壩安全是滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)（3場(chǎng)）等共同作用的結(jié)果，單一研究滲流場(chǎng)或采用滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合分析堤防大壩安全存在一定的局限性。因此，考慮多場(chǎng)耦合作用下的堤壩安全是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

近年來，國際上逐漸將連續(xù)性的溫度示蹤技術(shù)引入滲流場(chǎng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，應(yīng)用效果表明利用堤壩溫度場(chǎng)反饋滲流場(chǎng)是一種有效的滲漏監(jiān)測(cè)輔助手段。國內(nèi)外對(duì)土石形態(tài)堤壩溫度場(chǎng)的系統(tǒng)測(cè)量和分析研究較少，即使分析，也大都限于定性分析，多為結(jié)合溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合分析的研究，一般未能考慮應(yīng)力場(chǎng)的影響[3]。

基于以上考慮，需要針對(duì)土石堤壩開展分析研究，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)利用分布式光纖溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從土石壩溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)基本參數(shù)入手，在數(shù)學(xué)模型和數(shù)值解法等方面繼續(xù)研究3場(chǎng)相互影響的機(jī)理和規(guī)律，同時(shí)引入新的監(jiān)測(cè)手段，從室內(nèi)外模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方面開展深入系統(tǒng)的研究，探索利用土石堤壩溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合方法反饋分析土石堤壩滲流狀況，期望及早發(fā)現(xiàn)土石堤壩滲漏隱患。

1.2 研究需求

堤壩重大突發(fā)事件直接影響國家飲水、公共、糧食與生態(tài)等的安全，對(duì)堤壩滲漏事件的監(jiān)測(cè)與預(yù)警研究是保障堤壩安全，提高堤壩突發(fā)事件預(yù)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急處置能力的重要手段。分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)能對(duì)堤壩安全進(jìn)行實(shí)時(shí)的全斷面監(jiān)測(cè)和分析，該技術(shù)的發(fā)展適應(yīng)防汛、減災(zāi)的需求。

1）基于多場(chǎng)耦合分析的分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測(cè)機(jī)理研究，是落實(shí)《國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》確定的重點(diǎn)領(lǐng)域及優(yōu)先主題的需要，也符合高新技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域 2012年度國家科技計(jì)劃預(yù)備項(xiàng)目的研究方向。

2）基于多場(chǎng)耦合分析的分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測(cè)機(jī)理研究，是社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。因此，通過開展分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測(cè)機(jī)理研究，可最大程度地減少堤壩突發(fā)事件造成的損失和影響。

3）基于多場(chǎng)耦合分析的分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測(cè)機(jī)理研究，是提高堤壩重大自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與防控能力的需要。

潰決是堤壩突發(fā)事件的極端形式，造成的損害是巨大的，但也是可以防控的。一方面水庫大壩潰決往往是由其它突發(fā)事件發(fā)生演變導(dǎo)致的，如洪水、滲透破壞、滑坡等，如對(duì)這些事件及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)警，采取科學(xué)的應(yīng)對(duì)措施，堤壩潰決是可以避免的；另一方面工程潰決是有過程的，從堤壩有潰決跡象到潰決洪水對(duì)下游造成災(zāi)害是有“時(shí)間”空間的，如及時(shí)采取預(yù)警與處置，可大大降低潰決造成的人員與財(cái)產(chǎn)損失。

因此為了防控潰決事件，深入研究基于多場(chǎng)耦合分析的分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測(cè)機(jī)理是非常必要的。

2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合研究進(jìn)展

20世紀(jì) 70年代美國科學(xué)家 Witherspoon 正式提出耦合理論，耦合理論經(jīng)過 80年代的完善與發(fā)展，主要局限于工程巖體地下水滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)之間的耦合作用。在此期間 Barton[4]對(duì)工程巖體地下水滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)之間的耦合作用進(jìn)行了初步研究。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，瑞典學(xué)者 Jing[5]給出了相對(duì)較系統(tǒng)的巖體地下水滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合作用的研究模型，但對(duì)模型的簡(jiǎn)化實(shí)用還研究不夠。

在該領(lǐng)域，我國的研究始于20世紀(jì) 80年代末，仵彥卿、柴軍瑞、劉繼山等學(xué)者對(duì)此進(jìn)行的探討和研究比較早。國內(nèi)耦合研究也是側(cè)重于滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)-溫度場(chǎng)之間的耦合作用研究，各種耦合研究基本都是側(cè)重?cái)?shù)學(xué)物理方程的推導(dǎo)和有限元程序的建立。

在當(dāng)前的研究中，有關(guān)滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)-溫度場(chǎng)之間的耦合研究比較熱門，對(duì)于溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合關(guān)系，國內(nèi)人員也進(jìn)行了建設(shè)性和突破性的研究。白蘭蘭[6]提出了裂隙熱流模型，主要研究利用鉆孔溫度分布探測(cè)裂隙滲漏及定量計(jì)算滲漏量；王新建[7]等根據(jù)能量和質(zhì)量守恒原理，對(duì)大壩集中滲漏通道進(jìn)行簡(jiǎn)化，并根據(jù)鉆孔測(cè)溫建立了圓柱狀堤壩滲漏溫度示蹤模型；陳建生，董海洲等[8]利用虛擬熱源法研究壩基裂隙巖體中存在的集中滲漏情況，提出了堤壩滲漏量的虛擬熱源法模型，該模型基于堤壩存在穩(wěn)定集中管涌滲漏的情況建立，因此對(duì)于滲漏破壞（流土、接觸沖刷）的其他情況不適用，而且未考慮應(yīng)力場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)的相互作用。

因此，在堤壩安全監(jiān)測(cè)中，需考慮應(yīng)力場(chǎng)作用下溫度場(chǎng)探測(cè)滲流場(chǎng)，關(guān)鍵要實(shí)現(xiàn)對(duì)滲流狀況的實(shí)時(shí)的全斷面監(jiān)測(cè)和分析。當(dāng)有嚴(yán)重滲流發(fā)生時(shí)，應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和應(yīng)變的變化情況，滲漏通道周邊的光纖傳感可以借助溫度和應(yīng)變的變化特征識(shí)別嚴(yán)重滲漏，不斷下降的溫度曲線預(yù)示滲漏的發(fā)生，應(yīng)變曲線的陡增則是嚴(yán)重滲漏引起土體沉降的判據(jù)。溫度降低到大應(yīng)變的急劇變化是預(yù)測(cè)嚴(yán)重滲漏導(dǎo)致沉降發(fā)生的重要信息，這種跡象顯現(xiàn)直接關(guān)聯(lián)預(yù)警行動(dòng)的響應(yīng)速度，在倒塌隨時(shí)可能發(fā)生的緊要關(guān)頭可以作為做出關(guān)鍵決定的判據(jù)。

針對(duì)原有研究成果存在的局限性，需進(jìn)行溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合研究，并引入分布式的光纖測(cè)溫和測(cè)應(yīng)變系統(tǒng)。

2.2 分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

隨著光纖傳感技術(shù)在土木工程、航天等領(lǐng)域的成功應(yīng)用，采用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)水利工程中大壩施工和健康維護(hù)也日益受到關(guān)注，主要集中在對(duì)混凝土大壩和土石壩的監(jiān)測(cè)研究，研究成果也逐漸被商業(yè)化，其中比較典型的有瑞士、英國和日本等國家。國內(nèi)蔡德所[9-10]等利用分布式光纖監(jiān)測(cè)大塊體混凝土溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，準(zhǔn)確反映了澆筑層混凝土溫度的不同分布情況，以及相關(guān)影響因素的作用范圍，為修正傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?shù)據(jù)提供了客觀的依據(jù)。李端有[11]等針對(duì)長(zhǎng)江中下游堤防的特點(diǎn)及滲流控制的需要，探討了分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在長(zhǎng)江堤防滲流監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性。冷元寶[12]等針對(duì)黃河堤防的特點(diǎn)及滲流控制的需要，研究了基于分布式光纖傳感的堤壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)。望燕慧[13]等利用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)溫度變化后的測(cè)溫曲線與初始溫度曲線進(jìn)行對(duì)比分析，定性確定混凝土面板堆石壩趾板滲漏位置，結(jié)果表明，溫度曲線上降幅最大的位置處是滲漏點(diǎn)。肖衡林[14]等研究了基于分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)滲流的理論方程的建立，為該方法的應(yīng)用提供了有力的理論支持，由于方程推導(dǎo)過程中進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化和假定，因此理論還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)和完善。

筆者利用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在碾壓混凝土大壩溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面做了大量研究和應(yīng)用[15]，對(duì)系統(tǒng)測(cè)量溫度與傳統(tǒng)熱敏電阻溫度進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值完全吻合，能反映碾壓混凝土大壩溫度場(chǎng)，對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用做了一定基礎(chǔ)工作。

3 關(guān)鍵問題的研究

本研究項(xiàng)目從溫度示蹤角度出發(fā)，研究堤壩的滲漏形成機(jī)理，建立溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)引入基于布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）技術(shù)和利用拉曼效應(yīng)（ROTDR）的分布式光纖傳感技術(shù)，進(jìn)行3場(chǎng)耦合分析及堤壩滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)機(jī)理探究，主要解決堤壩滲漏定性和定量的監(jiān)測(cè)方法問題。研究主要包括以下內(nèi)容：

1）溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型的建立。分析3場(chǎng)相互作用的機(jī)理，建立應(yīng)力場(chǎng)條件下的溫度場(chǎng)影響下的滲流場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型，以及應(yīng)力場(chǎng)條件下的滲流場(chǎng)影響下的溫度場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型。

2）應(yīng)力場(chǎng)條件下的滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的特征和規(guī)律研究。在分析耦合數(shù)學(xué)模型變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，同時(shí)采用基于 ROTDR 的分布式光纖測(cè)溫和 BOTDA的分布式光纖溫度應(yīng)變等系統(tǒng)，進(jìn)行不同工況下的模擬堤壩滲漏的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?場(chǎng)耦合試驗(yàn)。從滲流水頭、滲透坡降和滲流量，以及溫度、溫度梯度等分析相應(yīng)應(yīng)力條件下，相應(yīng)的滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的各自變化特征和規(guī)律，重點(diǎn)研究應(yīng)力條件下溫度場(chǎng)特征指標(biāo)變化對(duì)滲流場(chǎng)的影響和敏感性，利用分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)反饋大壩滲漏的定性和定量評(píng)估方法。

3）應(yīng)力場(chǎng)條件下滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合數(shù)值模擬研究。利用 Geostudio 仿真軟件建立試驗(yàn)水槽滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)3場(chǎng)耦合有限元模型，對(duì)滲流 （滲透系數(shù)、滲流水頭等）、溫度場(chǎng)（比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)等）和應(yīng)力場(chǎng)（彈性模量等）等基本參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，從而研究應(yīng)力場(chǎng)條件下的溫度場(chǎng)示蹤滲流場(chǎng)的方法和規(guī)律特征。結(jié)合物理模型測(cè)值，對(duì)建立的數(shù)值模型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模型的正確性和適用性。

4）基于分布式光纖傳感技術(shù)的滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)機(jī)理研究。在分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)溫度、應(yīng)變?cè)淼幕A(chǔ)上，從三維微元體傳熱過程出發(fā)，推導(dǎo)出應(yīng)力條件下具有滲漏和內(nèi)熱源的多孔介質(zhì)傳熱微分方程，給出基于溫度示蹤原理應(yīng)力條件下的，分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的不同監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)方程；并從持續(xù)線熱源的角度，得出分布式光纖滲漏監(jiān)測(cè)機(jī)理。

4 結(jié)語

相比大壩滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)單一分析研究，目前針對(duì)土石堤壩溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合研究還相對(duì)較少且不成熟，應(yīng)在數(shù)學(xué)模型和數(shù)值解法等方面繼續(xù)研究3場(chǎng)相互影響機(jī)理和規(guī)律的揭示，同時(shí)引入新的監(jiān)測(cè)手段，從室內(nèi)外模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方面開展深入系統(tǒng)研究。

縱觀國內(nèi)外現(xiàn)狀，分布式光纖溫度傳感技術(shù)在滲漏監(jiān)測(cè)方面雖剛剛起步，但已顯現(xiàn)在滲漏監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于堤壩這類大型的線型工程，分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)線、面、體監(jiān)測(cè)，是對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的大突破。目前的大部分研究均局限于研究溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)2場(chǎng)的關(guān)系，堤壩滲漏（溫度）監(jiān)測(cè)考慮變形的影響，向基于3場(chǎng)耦合分析的分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方向發(fā)展及進(jìn)行相互作用的機(jī)理研究，有一定理論和應(yīng)用意義。

[1] 《中國水利年鑒》編纂委員會(huì).中國水利年鑒（2010年）[M].北京：中國水利水電出版社，2010: 1-2.

[2] 周春熙.土石壩滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合研究[D].南京：南京水利科學(xué)研究院，2008: 1-4.

[3] 韋立德，楊春和.考慮飽和-非飽和滲流、溫度和應(yīng)力耦合的三維有限元程序研制[J].巖土力學(xué)，2005,26（6）:1000-1004.

[4] Barton N,Bandis S C.Strength,deformation and conductivity coupling of rock joints[J].Int.J.Rock Mesh.Min.Sci.& Geomech.Abstr.,1985,22（3）: 121-140.

[5] Jing L.Tsang C F.Stephansson O.DCOVALEX-an international co-operative research project on mathematical models of coupled THM processes for safety analysis of radioactive waste repositories[J].Int.J.Rock Mech.Min.Sci.& Geomech.Abstr.,1995,32（5）: 399-408.

[6] 白蘭蘭.裂隙巖體熱流模型研究[D].南京：河海大學(xué)，2007: 35-36.

[7] 王新建，陳建生.溫度探測(cè)土壩圓柱狀集中滲漏模型研究[J].水文地質(zhì)與工程地質(zhì)，2006（4）: 31-36.

[8] 陳建生，董海洲等.虛擬熱源法研究壩基裂隙巖體滲漏通道[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,24（22）: 4019-4024.

[9] 蔡德所.光纖傳感技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2002: 22-23.

[10] 蔡德所，戴會(huì)超，蔡順德，等.分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)三峽大壩混凝土溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào)，2003（5）:22-26.

[11] 李端有，陳鵬霄，王志旺.溫度示蹤法滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)江堤防滲流監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用初探[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2000（增刊 1）: 32-33.

[12] 冷元寶，朱萍玉，周楊，等.基于分布式光纖傳感的堤壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)及展望[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007（3）:12-14.

[13] 望燕慧，蔡德所，肖衡林，等.DTS 監(jiān)測(cè)混凝十面板堆石壩壩體滲漏應(yīng)用研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2006（8）:101-102.

[14] 肖衡林，鮑華，王翠英，等.基于分布式光纖傳感技術(shù)的滲流監(jiān)測(cè)理論研究[J].巖土力學(xué)，2008,29（10）:94-97.

[15] 周柏兵，萬永波，徐國龍，等.分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在混凝土壩的研究與應(yīng)用[J].水利信息化，2010（6）:38-41.