楊瑞琦

(南昌市城市防洪事務中心，江西 南昌 330038)

大壩等大型混凝土結(jié)構(gòu)由于其質(zhì)量較大，通常在溫度變化方面表現(xiàn)出非常緩慢的行為，為了觀察水化熱的發(fā)展，必須在混凝土壩中進行溫度測量。此外，滲流會影響大壩及其基礎(chǔ)內(nèi)的溫度場[1]。分布式光纖溫度DFOT測量被認為非常適合監(jiān)測大壩的溫度場，用于泄漏檢測和混凝土溫度觀測[2]。近十年來，DFOT測量已被證明是檢測和定位水工結(jié)構(gòu)泄漏的有力工具[3]。水壩和堤壩必須受到持續(xù)和仔細的監(jiān)測。除了必不可少的目視檢查和滲流測量外，還使用不同的監(jiān)測系統(tǒng)來評估結(jié)構(gòu)的水力和靜態(tài)性能[4]。通常情況下，大壩監(jiān)測系統(tǒng)采用基于電氣、液壓或氣動原理的常規(guī)儀器，這些儀器可產(chǎn)生關(guān)于不同物理量變化的重要信息，如壓力、應力、應變、位移或溫度[5]。不可避免的是，使用這些數(shù)據(jù)來評估整體結(jié)構(gòu)的狀況時包含不確定性。與使用傳統(tǒng)儀器的測量不同，分布式光纖測量允許沿電纜進行連續(xù)測量，確保極高的信息密度[6]。DFOT基于光纖的溫度敏感特性，光纖本身代表傳感器。利用強大的激光將光脈沖送入集成在電纜中的光纖中。信號在每個光纖位置以低強度反向散射。從被測點到激光器的距離可以由光脈沖的運行時間(時域)或頻率(頻域)確定。一次分布式溫度測量的周期時間從秒到分鐘不等；一次測量可提供沿電纜分布的溫度值，間距為0.25～1.00 m。產(chǎn)生的溫度讀數(shù)可達到±0.2℃的精度。在大壩工程中，使用拉曼效應的光纖測量系統(tǒng)已成功運行近十年。DFOT被證明是RCC大壩中高度復雜的溫度監(jiān)測的合適工具。DFOT測量代表大體積混凝土通常需要的差異化質(zhì)量控制。通常，大體積混凝土溫度由常規(guī)熱電偶和熱敏電阻監(jiān)測，僅允許現(xiàn)場測量。相反，光纖電纜提供了沿著集成在大壩結(jié)構(gòu)中的電纜進行連續(xù)在線溫度測量的可能性。由于其準確性和高信息密度，DFOT測量允許詳細可靠地可視化RCC結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度梯度。

1 材料與方法

1.1 梯度法——被動法進行泄漏檢測

在土石壩和堤壩等水工建筑物中，內(nèi)部溫度場是流場的函數(shù)。梯度法是DFOT測量的一種應用，通過使用自然發(fā)生的溫度梯度和波動來檢測、定位和量化泄漏。這是一種被動方法，因為傳感器直接測量現(xiàn)有溫度，不會主動改變其周圍的熱條件。使用DFOT進行泄漏檢測的典型應用是必須監(jiān)測密封元件功能的運河堤壩或水壩。溫度梯度可以以永久性或季節(jié)性溫差的形式存在，也可以在可能的滲漏源處以顯著的溫度波動的形式存在。如果存在泄漏，溫度異常將通過平流傳輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)中，并在整個土體中傳播，從而扭曲溫度場。測量的分布特征允許對異常進行精確定位，相當精確地劃定受泄漏影響的區(qū)域。該方法還允許通過對比異常溫度和外部溫度歷史來確定異常源。泄漏的大小和范圍可以通過給定位置溫度異常的時間滯后和強度來估計(見圖1)。

圖1 利用溫度波動追蹤熱異常估算滲漏堤壩中的滲流速度

1.2 加熱法——加熱方法的主動方法功能

最初，熱脈沖法是為梯度法不適用的應用而開發(fā)的。如果水庫水和溫度測量位置之間既沒有足夠的溫度梯度也沒有足夠的水庫水季節(jié)性溫度變化，則會出現(xiàn)這種情況。最近的發(fā)展表明，DFOT熱脈沖法可以提供有關(guān)電纜直接周圍的含水量和運動的精確信息。因此，在獲得滲流和流速信息的同時，滿足了堤壩滲漏檢測的關(guān)鍵需求。該方法需要在電纜中分配足夠的熱輸入，持續(xù)約一小時。如果把交流或直流電壓放在集成在電纜中的銅線上，就會產(chǎn)生這樣的線性熱輸入。而對于泄漏檢測，3～5 W/m的熱輸入就足夠，分布式流速測量需要大約10 W/m。對于幾公里長的電纜段，除了足夠的功率外，還需要高壓(變壓器)或大銅橫截面積(受電纜直徑限制)。

1.3 飽和度分布式測定法

電纜中的瞬態(tài)熱響應主要由部分至完全飽和土壤中的傳導控制，因此由土壤導熱系數(shù)控制。土壤熱導率取決于顆粒熱導率、孔隙度n和飽和度S，這可以通過測試結(jié)果或理論方法來顯示。通過公式(1)來推導部分飽和土壤的有效導熱系數(shù)λeff。

λeff=(λeff，s-λeff,d)Ke+λeff,d

(1)

Ke=0.68ln(S)

式中：λeff，s為完全飽和土壤的熱導率，W/(m·℃)；λeff，d為干燥土壤導熱系數(shù),W/(m·℃)；Ke為顆粒熱導率系數(shù)；S為土壤飽和度。

土壤中加熱電纜上的瞬態(tài)傳導可通過使用具有無限熱導率的圓柱體的替代系統(tǒng)來描述，該圓柱體通過有限的表面電導ql與周圍耦合。之后的長加熱期的近似解允許輕松描述電纜壁和周圍之間的溫差dTc，見(2)式。

(2)

式中：ql為通過圓柱體的表面電導,s/m；t為時間，h;keff為有效熱擴散系數(shù)；ra是電纜半徑,m；t為時間，h。

2 結(jié)果與討論

2.1 梯度法應用

梯度法已經(jīng)成為泄漏檢測的標準工具。然而，為了改進該方法并定義應用和安裝標準，仍有一些問題需要解決。為進一步發(fā)展梯度法而進行的研究集中于使用耦合滲流和熱傳輸數(shù)值模擬，以便深入了解異常的傳播，確定傳感器的最佳位置和布置，并設計解釋測量結(jié)果的規(guī)則。采用的主要工具是三維有限元地下水流。圖2顯示了受滲流影響的均質(zhì)壩內(nèi)的溫度分布。圖中顯示了正常滲流條件下的溫度分布，以及壩下不透水層破裂引起的滲漏情況。很明顯，大壩上游側(cè)的泄漏甚至會影響下游壩址的溫度分布。

圖2 有無滲漏的均質(zhì)堤壩段數(shù)值模型中的溫度分布

數(shù)值模擬的經(jīng)驗可以描述熱異常的傳播過程，并確定參與該過程的關(guān)鍵水力和熱力參數(shù)。數(shù)值模擬和現(xiàn)場測量結(jié)果表明，溫度異常以與滲流速度相關(guān)的速率通過壩體。在模擬的幫助下，還可以驗證壩趾是泄漏檢測的有效電纜位置，因為泄漏產(chǎn)生的溫度場異常沿著壩體傳播，并且仍然可以在結(jié)構(gòu)的這一點上檢測到。

2.2 加熱法和飽和度分布式測定法應用

式(1)和式(2)中描述的理論熱響應與飽和程度之間的相互關(guān)系非常符合圖3所示的南昌工程學院水利工程實驗室的大壩模型，模型大壩為均質(zhì)土石壩，最大壩高2 m，壩頂長14 m，壩頂寬0.5 m。模型建立初期將電纜進行預埋上進行的DFOT熱脈沖試驗的測試數(shù)據(jù)。

圖3 12 W/m熱脈沖110 min后的熱響應dT與飽和度S

壁面流速與傳熱系數(shù)之間的關(guān)系適用于滲流條件下土壤中加熱圓柱體的傳熱，使DFOT熱脈沖法能夠測量達西流速。隨著速度的增加，壁面上的流動邊界層和相應的熱邊界層厚度減小。這種強制對流效應使加熱電纜的熱響應取決于流速。僅在滲透性極強的土壤(kf≥ 10-2m/s)中，它通過自由對流疊加，否則通過低速傳導(圖4)。

圖4 60 min后的dTs與不同電纜直徑D下的流速以及附加土工織物

雖然可以在試驗中量化電纜影響dTc，但可以使用無量綱傳熱系數(shù)從經(jīng)驗公式計算傳熱系數(shù)，從而計算dTs。在過去的三年里，實驗室進行了大量試驗，證明了理論熱力學基礎(chǔ)。關(guān)于熱力學背景的詳細信息，以及在水中和不同土壤(淤泥、沙子、礫石)中，使用不同電纜、DTS設備和熱輸入進行校準的數(shù)百項測試，包括和不包括額外的土工織物涂層，在不同流速和不同流向下，表明一下結(jié)果：

(1)DFOT熱脈沖法首次實現(xiàn)了分布式現(xiàn)場流速測量。滲透性小于或等于10-2m/s的不同土壤材料在熱響應對流速的依賴性方面僅表現(xiàn)出較小的變化(校準)。測量范圍從10-5m/s到103m/s不等，適用于檢測懷疑引發(fā)內(nèi)部侵蝕和窒息的速度。只要與垂直方向的偏差不超過±30°，那么，與電纜相對的流動角度對熱響應對流速的依賴性的影響可以忽略不計。

(2)隨著電纜直徑的減小、熱輸入的增加、DTS裝置精度的提高以及厚土工織物(3～8 mm)的額外電纜涂層，分布式流速測量的精度也隨之提高。

(3)當今大多數(shù)DTS設備(溫度分辨率0.5K)的溫度精度要求熱輸入不小于10 W/m，使用400 V 將量程限制在1/2 km，或如果電壓轉(zhuǎn)換為1000 V，則將量程限制在3/4 km。任何具有更好溫度精度的現(xiàn)有或未來設備將允許更少的熱輸入或更高的分布式流速測量精度。

3 結(jié) 論

根據(jù)溫度分布和分布的溫度梯度，可以直接得出本征應力的結(jié)論。測量的分布特征允許對異常進行精確定位，相當精確地劃定受泄漏影響的區(qū)域。該方法還允許通過對比異常溫度和外部溫度歷史來確定異常源。泄漏的大小和范圍可以通過給定位置溫度異常的時間滯后和強度來估計。

實踐經(jīng)驗表明，與安裝單個儀器相比，在施工現(xiàn)場鋪設光纖電纜的勞動強度更小，更靈活。分布式光纖測量具有許多重要的技術(shù)優(yōu)勢，例如信息密度高、適用于惡劣的現(xiàn)場條件以及電纜的簡單靈活安裝。就目前而言，DFOT必須被視為大壩監(jiān)測的最先進工具，其應用范圍從CFRD和渠道堤壩的泄漏檢測到RCC大壩的溫度監(jiān)測。分布式溫度傳感儀器和方法本身的進一步發(fā)展使DFOT測量成為大壩監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)。尤其是加熱法的進一步發(fā)展，為土壤含水量和流速的分布式測定帶來了一種新的獨特工具。作為施工期間監(jiān)測大壩溫度發(fā)展的一部分，可以確定水化熱本身，從而清晰地顯示大壩中混凝土的現(xiàn)場成熟度。大壩設計中規(guī)定的許多施工相關(guān)參數(shù)的假設也可以控制。DFOT測量系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是傳感器的魯棒性。由于碾壓混凝土壩的快速施工過程涉及重型土方設備，因此傳感器會承受高負荷，因此使用堅固的光纖電纜比傳統(tǒng)儀器更合適。