劉海洋

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

土石壩是水利工程大壩中最常見(jiàn)的類型，由于設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)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(wèn)題一直是威脅土石壩安全的重要因素，因此對(duì)土石壩滲漏情況進(jìn)行及時(shí)探測(cè)對(duì)保證大壩的運(yùn)行安全具有十分重要的意義[2]。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)土石壩滲漏監(jiān)測(cè)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(duì)土壤的多物理參數(shù)的連續(xù)定位測(cè)量一直是土壤研究的難點(diǎn)問(wèn)題[4]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)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(shí)域反射技術(shù)相結(jié)合，提出了熱脈沖時(shí)域反射技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤進(jìn)行水、熱同時(shí)測(cè)量[6]。該技術(shù)具有數(shù)據(jù)連續(xù)性好，自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)勢(shì)，不僅可以測(cè)量滲流量的大小，還可以準(zhǔn)確測(cè)量滲流點(diǎn)位的位置，因此在水利工程滲流監(jiān)測(cè)中發(fā)揮出重要作用。顯然。要利用該技術(shù)對(duì)土石壩滲流預(yù)警提供強(qiáng)有力的支持，熱脈沖探針的布置是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。因?yàn)樵摷夹g(shù)主要適用于一維流場(chǎng)，如果傳感器所處的位置不同，對(duì)測(cè)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(duì)土石壩進(jìn)行滲流模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行技術(shù)方案優(yōu)化，為高精度測(cè)量提供支持。

1 工程背景

郭臺(tái)子水庫(kù)位于遼寧省喀左縣白塔子鎮(zhèn)郭臺(tái)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(kù)的設(shè)計(jì)庫(kù)容為4500萬(wàn)m3，其灌溉區(qū)面積為8666.67 hm2。水庫(kù)修建于上世紀(jì)七十年代，由于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)較低，加上長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，水庫(kù)的病險(xiǎn)問(wèn)題日漸突出。因此，遼寧省朝陽(yáng)市決定對(duì)其進(jìn)行除險(xiǎn)加固施工，加固后的大壩為混合壩型，主壩的軸線長(zhǎng)369.57 m，其中混凝土壩段長(zhǎng)42.95 m，土壩段長(zhǎng)326.62 m，壩頂高程為350.30 m。郭臺(tái)子水庫(kù)的電站為軸流定漿式機(jī)組，初始裝機(jī)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(jì)引用流量0.60 m3/s。

2 研究方法

2.1 模型簡(jiǎn)介

HYDRUS-3D軟件是由美國(guó)國(guó)家鹽改中心開(kāi)發(fā)的一款土壤水分、溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬軟件，主要由主程序模塊、項(xiàng)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(yùn)移、溶質(zhì)的輸移以及熱傳導(dǎo)進(jìn)行良好模擬。該軟件憑借其精確的模擬結(jié)果以及強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)移、熱輸運(yùn)、根系吸水等四種基本的計(jì)算功能[9]。由于本次研究?jī)H對(duì)大壩土體中的水流運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬，并不考慮熱運(yùn)移的影響，因此研究中僅采用HYDRUS-3D軟件中的滲流計(jì)算功能。在模擬計(jì)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(tái)子水庫(kù)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?jiǎng)澐?/h3>

在HYDRUS-3D模擬計(jì)算中，需要將對(duì)模型的試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，也就是有限元模型空間網(wǎng)格化，通過(guò)網(wǎng)格劃分，將模型劃分為相連的網(wǎng)格，對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格單元進(jìn)行近似求解，然后再獲得整個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕猓詈螳@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?jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及計(jì)算的規(guī)模產(chǎn)生直接影響。所以，在保證模擬計(jì)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(yùn)算的規(guī)模。因此，在模型的網(wǎng)格劃分中，需要對(duì)波動(dòng)性較大的區(qū)域使用尺寸較大的網(wǎng)格，對(duì)波動(dòng)性相對(duì)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(jìn)出口部位的水流運(yùn)動(dòng)速度快，變化比較劇烈，因此需要對(duì)模型的上述部分進(jìn)行加密處理，模型上遠(yuǎn)離進(jìn)出口區(qū)域的水流運(yùn)動(dòng)速度較慢，變化比較平緩，因此應(yīng)該對(duì)該部分區(qū)域進(jìn)行稀疏化處理。最終，整個(gè)模型劃分為8076個(gè)網(wǎng)格單元，5796個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

2.4 模擬時(shí)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(yàn)過(guò)程中將模擬時(shí)間設(shè)定為120 min。利用上節(jié)構(gòu)建的模型對(duì)模擬時(shí)段中的滲流情況進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)而獲得大壩滲流運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。模擬過(guò)程中的時(shí)間間隔為5 min，也就是每5 min提取一次模擬計(jì)算結(jié)果。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 熱脈沖加熱時(shí)間優(yōu)化

圖1 加熱時(shí)間8 s的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

為了研究滲流熱脈沖時(shí)域反射技術(shù)的郭臺(tái)子水庫(kù)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(jì)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(gè)不同的滲流流速水平，熱脈沖的加熱時(shí)間設(shè)定為8 s；根據(jù)郭臺(tái)子水庫(kù)土壩的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，大壩土體的壓實(shí)密度設(shè)置為1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3三個(gè)不同數(shù)值。利用上節(jié)構(gòu)建的模型對(duì)上述工況下的水流通量進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖1所示。由圖可知，在不同的壓實(shí)密度條件下，模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果均呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，說(shuō)明滲流熱脈沖時(shí)域反射技術(shù)可以較好監(jiān)測(cè)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(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值之間的誤差相對(duì)較大，也就是在8 s熱脈沖測(cè)量時(shí)，大滲流情況下的監(jiān)測(cè)精度相對(duì)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(jìn)而影響到測(cè)量精度。顯然，要提高大滲流量條件下的滲流精度，可以通過(guò)熱脈沖時(shí)間的調(diào)整以適應(yīng)不同滲流量的測(cè)量要求，但是，受到其他因素的制約，加熱時(shí)間也不宜過(guò)長(zhǎng)。因此，研究中在其他條件不變的情況下，將熱脈沖加熱時(shí)間調(diào)整為15 s，然后利用上節(jié)構(gòu)建的模型對(duì)上述工況下的水流通量進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖2所示。由圖可知，熱脈沖加熱時(shí)間調(diào)整后的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果更為接近，不同流速條件下的模擬值和實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)性更好，因此，加熱時(shí)間為15 s的測(cè)量準(zhǔn)確性更高。

圖2 加熱時(shí)間15 s的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

3.2 傳感器布設(shè)位置設(shè)計(jì)

利用上節(jié)構(gòu)建的模型，結(jié)合郭臺(tái)子水庫(kù)的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)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(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出圖3和圖4所示的不同模擬時(shí)長(zhǎng)下的壩內(nèi)含水率分布圖。由圖可知，隨著模擬時(shí)間的增加，壩體的含水率也逐漸增加和擴(kuò)散，在10 m和15 m水頭條件下，分別在38.4 h和28.8 h達(dá)到整體含水率擴(kuò)散均勻。由此可見(jiàn)，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(shí)間變短，同時(shí)，壩體的浸潤(rùn)線有所上升，而下游的滲出面位置也會(huì)有所上移。因此，在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，可以將傳感器埋設(shè)到大壩壩體浸潤(rùn)線以下或者滲出面以下位置，以檢測(cè)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(tái)子水庫(kù)大壩土壩段為例，利用HYDRUS-3D軟件進(jìn)行了土壩壩體滲流模擬研究，根據(jù)研究結(jié)果對(duì)滲流熱脈沖時(shí)域反射技術(shù)檢測(cè)技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)不同流速和不同土體壓實(shí)度條件下的模擬值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)性進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示加熱時(shí)間為15 s的測(cè)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(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，可以通過(guò)模擬計(jì)算結(jié)果將傳感器埋設(shè)到大壩壩體浸潤(rùn)線以下或者滲出面以下位置，以檢測(cè)出壩體滲漏的實(shí)際情況。