關(guān)鍵詞：高填方；引調(diào)水；滲透破壞；分布式光纖；溫度場(chǎng)

中圖分類號(hào)：ＴＶ６８；ＴＵ４１１．４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０２７

引用格式：田苡菲，尚海龍，楊璐菲，等．高填方引調(diào)水工程滲漏連續(xù)監(jiān)測(cè)方法研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：１５７－１６２．

０引言

南水北調(diào)中線工程高填方渠道總長約６３ ｋｍ［１］ ，沿線最大填方高度２３ ｍ。由于高填方渠道內(nèi)水面高程一般高于渠外地面高程，因此若結(jié)構(gòu)安全性不足［２］導(dǎo)致渠道“跑水”，則不僅會(huì)影響供水安全，而且會(huì)危及渠道沿線人民生命財(cái)產(chǎn)安全［３］ 。

目前在高填方工程健康診斷和安全監(jiān)控方面，常用的探測(cè)方法包括探地雷達(dá)法［４］ 、電阻率法、高密度電法［５－６］ 、瞬變電磁法、地震勘探法等，這些方法各有優(yōu)劣［７］ 。大多數(shù)堤防滲漏隱患探測(cè)采用物探方法，其通過探測(cè)地層物理參數(shù)存在的差異，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常。探測(cè)結(jié)果存在多解性，所以常采用幾種物探方法進(jìn)行綜合探測(cè)，如采用探地雷達(dá)進(jìn)行快速普查，劃定異常區(qū)，再用瞬變電磁法或高密度電法或表面波法進(jìn)行詳查。幾種儀器組合進(jìn)行比測(cè)，可以提高探測(cè)的準(zhǔn)確性。但是，目前關(guān)于高填方渠道正常運(yùn)行條件下不同水位、流量對(duì)相應(yīng)檢測(cè)方法的影響的基礎(chǔ)研究成果很少。中國水利科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所研發(fā)的用于堤防工程質(zhì)量檢測(cè)的電位映像法，獲批了國家專利，為相關(guān)研究的開展奠定了基礎(chǔ)［８－１１］ 。

由于高填方工程分布距離長，采用工程無損檢測(cè)和典型斷面監(jiān)測(cè)［１２］ 的方法都存在一定盲區(qū)，因此需要研發(fā)時(shí)空連續(xù)的監(jiān)控分析方法。光纖傳感技術(shù)［１３］ 是目前最有發(fā)展前景的用于時(shí)空連續(xù)的監(jiān)控技術(shù)。自１９９０年開始，國外研究者嘗試將分布式光纖技術(shù)應(yīng)用到滲流監(jiān)測(cè)中。該技術(shù)被引入國內(nèi)后，孫東亞等［１４］ 通過理論和試驗(yàn)研究，提出可以將分布式光纖埋置于土石壩防滲體的下游排水或反濾層內(nèi)用于滲漏監(jiān)測(cè)，李端有等［１５］ 則進(jìn)一步探討了其在長江堤防滲流監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，有關(guān)學(xué)者［１６－１８］ 在三板溪、思安江、老田庵等水利工程采用分布式光纖進(jìn)行周邊縫的滲漏監(jiān)測(cè)研究。這些研究和應(yīng)用實(shí)例都是基于溫度示蹤方法［１９］ ，發(fā)生滲漏時(shí)滲流經(jīng)過光纖會(huì)引起局部溫度或傳熱能力變化，通過測(cè)量溫度變化即可對(duì)滲漏點(diǎn)進(jìn)行定位。

經(jīng)過國內(nèi)眾多水利科技工作者的努力，我國在大型引調(diào)水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新材料應(yīng)用、工程施工技術(shù)等方面取得了巨大進(jìn)步，為我國引調(diào)水工程建設(shè)提供了有力的支撐。隨著大量引調(diào)水工程竣工，工程安全運(yùn)行管理的任務(wù)加重。因此，開發(fā)新的引調(diào)水工程健康診斷和破壞預(yù)警方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)已知安全隱患的時(shí)空連續(xù)監(jiān)控，在工程正常運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)未知隱患進(jìn)行探測(cè)、診斷和高性能仿真分析，以便做到及時(shí)預(yù)警，支撐我國引調(diào)水工程結(jié)構(gòu)的長效安全管理，具有重要的科技價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也可為水生態(tài)文明建設(shè)［２０］和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航，具有顯著的社會(huì)效益。

１試驗(yàn)?zāi)Ｐ图叭?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎糜袡C(jī)玻璃材料制作，主要包括砂槽、上游水箱（供水水箱）、下游水箱（穩(wěn)壓室）、壓重蓋板、測(cè)壓管、水壓力傳感器等，見圖１。砂槽長８０ ｃｍ、寬５０ ｃｍ、高３０ ｃｍ，上游水箱利用高度可調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)易鋼支架控制上游水位。各部分通過螺栓進(jìn)行機(jī)械連接，并加玻璃膠等防水材料進(jìn)行止水密封；主體結(jié)構(gòu)通過有機(jī)玻璃專用膠進(jìn)行連接，并在連接部位通過加筋構(gòu)造對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，防止整個(gè)模型在低溫凍融循環(huán)條件下產(chǎn)生開裂或變形。

試驗(yàn)土樣取自堤防背水側(cè)原狀土，共?。福埃?ｋｇ 左右裝袋運(yùn)往試驗(yàn)基地。土樣的含水率、孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)等物理參數(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)原位環(huán)刀試驗(yàn)（取堤防表層土樣和堤防表層以下約４０ ｃｍ 的土樣）獲取。

２試驗(yàn)過程

滲透破壞試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置構(gòu)造［２１］ 如圖２ 所示。砂槽前端連接水箱，在試驗(yàn)中起到穩(wěn)定水壓的作用，同時(shí)確保進(jìn)入試樣的水流方向與試樣的頂面垂直，以模擬實(shí)際堤基中的滲流情況，同時(shí)方便數(shù)值計(jì)算；水箱右側(cè)設(shè)置隔砂濾網(wǎng)，確保水流盡可能均勻地通過隔砂濾網(wǎng)流入試樣中， 隔砂濾網(wǎng)為２００目（ 孔徑尺寸為０．０７４ ｍｍ）的不銹鋼濾網(wǎng)，起到反濾的作用，確保下伏砂層不會(huì)進(jìn)入穩(wěn)壓室中，阻礙水的流動(dòng)。在穩(wěn)壓室設(shè)置了一根測(cè)壓管，用來測(cè)量上游水頭值。砂槽的頂端設(shè)置可以移動(dòng)和拆卸的活動(dòng)蓋板，蓋板上有２ 個(gè)引水槽，引水槽上設(shè)置５ｃｍ 高的水槽，用來收集滲流流量和滲流涌砂。在蓋板蓋上后，給試樣頂面施加一定的荷載，同時(shí)在蓋板周圍用軟質(zhì)黏土和玻璃膠進(jìn)行密封，防止邊壁發(fā)生側(cè)漏，影響滲流試驗(yàn)結(jié)果。

本次試驗(yàn)的透水層土樣全部由河砂組成，屬于中細(xì)砂，符合一般雙層堤基下伏強(qiáng)透水層的條件要求；上覆黏土層選取堤防原狀土樣，通過試驗(yàn)測(cè)得黏土顆粒的密度Ｇ_ｓ ＝２．６３ｇ／ ｃｍ^３（李氏比重瓶－排水法，?。?次測(cè)量結(jié)果的平均值），原狀土的含水率ｗ ＝２４．３２％。若按照孔隙率為ｅ 進(jìn)行制樣，則該孔隙率對(duì)應(yīng)的當(dāng)前含水率下的黏土密度為（１－ｅ）Ｇ_ｓ（１＋ｗ），按照該密度稱量黏土質(zhì)量，并壓實(shí)至目標(biāo)體積。

試驗(yàn)步驟如下：

１）模型搭建。將有機(jī)玻璃砂槽和供水水箱進(jìn)行搭建組裝，并檢查各處閥門是否正常，濾網(wǎng)是否固定好，玻璃膠密封性等。

２）制樣。參考相關(guān)學(xué)者研究成果［２２］ ，首先將試驗(yàn)砂槽內(nèi)注滿水，砂均勻分撒到槽內(nèi)，砂層厚度達(dá)５ ｃｍ時(shí)將槽內(nèi)水慢慢放掉。然后再次注水，分撒第二層砂，分撒完畢后再次放水。重復(fù)上述過程，直至砂層填充至預(yù)先確定的高度。最后封閉下游出水口及所有測(cè)壓孔口，通過供水系統(tǒng)向上游穩(wěn)壓水區(qū)輸水，水流慢慢滲透到下游穩(wěn)水區(qū)，不斷加水直至上下游穩(wěn)水區(qū)水位高出砂層表面且相等。靜置２４ ｈ 后，將下游出水口及測(cè)壓孔口開啟，把砂槽中水放完。按照上述方法重復(fù)兩次，使砂層充分飽和排氣達(dá)到平整密實(shí)，砂層厚度誤差不超過１ ｃｍ。

３）黏土層制樣方法。按照孔隙率ｅ ＝０．４０ 來制作黏土層，分３ 層進(jìn)行制樣，每層的厚度以及分布式光纖和電纜的布設(shè)位置如圖３ 所示，同時(shí)需要考慮土樣與模具交界處的滲漏問題，黏土層在制樣時(shí)還需要考慮與砂礫石層之間的接觸性及制樣時(shí)層間的接觸性，因此層間需要適當(dāng)鑿毛來確保不透水層內(nèi)部接觸良好。

４）分布式光纖和加熱電纜的埋設(shè)方法。制樣過程中，依次埋設(shè)加熱電纜和分布式光纖，布設(shè)方法如圖４ 所示。由于試驗(yàn)為縮尺模型試驗(yàn)，而光纖的空間分辨率無法滿足縮尺的要求，因此為了使現(xiàn)有的分布式光纖能有效分辨出空間溫度場(chǎng)的變化，對(duì)分布式光纖的鋪設(shè)形式在長度方向上進(jìn)行了處理，見圖５，將分布式光纖纏繞成直徑為５．５ ｃｍ 的圓環(huán)形，并且均勻形成垂直方向５ 層圓環(huán)，使分布式光纖在５．５ ｃｍ 長度范圍內(nèi)擁有原長度３．１４×５倍的距離，提高了分布式光纖的空間分辨率。分層埋設(shè)加熱電纜和分布式光纖后，按照預(yù)設(shè)值的孔隙率將黏土層夯實(shí)至既定高度。

５）黏土制樣完成后，在四周加玻璃膠進(jìn)行密封，并在黏土層上方鋪設(shè)一層有機(jī)玻璃蓋板，見圖６。有機(jī)玻璃蓋板加上一定質(zhì)量的蓋重，避免玻璃板與黏土之間產(chǎn)生側(cè)漏，同時(shí)防止黏土層被高水頭強(qiáng)制性頂破而非滲透性破壞。有機(jī)玻璃蓋板上開有５ ｃｍ 直徑的圓孔，為人工預(yù)留的滲流水流出部位。在圓孔上方增設(shè)２ 個(gè)水平走向槽，用于收集滲透破壞后的滲流水。

６）供水裝置為試驗(yàn)裝置提供穩(wěn)定的水頭，當(dāng)水頭穩(wěn)定后，相隔３０ ｍｉｎ 觀察測(cè)壓傳感器及上游水頭的測(cè)量結(jié)果，當(dāng)產(chǎn)生穩(wěn)定滲流時(shí)，水頭的測(cè)量結(jié)果趨于穩(wěn)定（變化幅度在正常波動(dòng)范圍內(nèi)視為結(jié)果穩(wěn)定），此時(shí)再繼續(xù)增大水頭，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟。在加水過程中，攝像機(jī)拍攝試驗(yàn)裝置，觀察側(cè)壁及土層表面的變化。當(dāng)上游水頭上升到一定高度、上層弱透水層的承壓水頭超過其自身的臨界值時(shí)，弱透水層將發(fā)生明顯的流土破壞或其他形式的滲透破壞（側(cè)壁滲漏等），拍照記錄滲透破壞的位置，同時(shí)拍視頻記錄滲透破壞的動(dòng)態(tài)狀態(tài)。記錄完畢后，打開試驗(yàn)裝置上的閥門進(jìn)行排水，并在發(fā)生滲透破壞時(shí)，測(cè)量滲流流量ｑ 和上游水頭Ｈ。

７）土樣拆除和裝置維護(hù)。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束且排水完成后，上層黏土層發(fā)生了滲透破壞，需要全部進(jìn)行清理。上層黏土層清理完畢后，對(duì)砂礫石層表面進(jìn)行拍照，并且清除上層１０ ｃｍ 厚的摻土砂礫石，保留下部砂礫石，并重新制樣進(jìn)行下一次試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中以及結(jié)束后，觀察裝置整體是否變形以及是否出現(xiàn)滲漏，如果存在上述情況，應(yīng)及時(shí)對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)。

３試驗(yàn)工況及結(jié)果

３．１試驗(yàn)工況

在試驗(yàn)過程中，考慮堤基土體分布不均勻及滲透路徑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在強(qiáng)透水層（砂礫石層）與弱透水層（黏土層）之間增設(shè)不透水層（有機(jī)玻璃蓋板），見圖７。對(duì)比增設(shè)不透水層后滲透破壞試驗(yàn)結(jié)果、現(xiàn)象及滲透路徑的變化。

雙層堤基滲透破壞試驗(yàn)工況見表１。工況１與工況２ 加熱電纜埋設(shè)方式、尺寸和長度均相同，其功率變化作為改變土壤溫升的手段。由堤防發(fā)生滲透破壞的機(jī)理可知，加熱電纜的功率變化幾乎不會(huì)影響對(duì)堤基滲透破壞的監(jiān)測(cè)結(jié)果，因此主要觀察不透水層對(duì)滲透破壞監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。按照試驗(yàn)流程和步驟，開始試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行攝像記錄，獲取滲透破壞不同階段土層的變化情況。

３．２工況１ 試驗(yàn)結(jié)果

逐漸提高上游水頭，收集滲漏流量，得到工況１在不同水頭下的試驗(yàn)結(jié)果，見表２、圖８～圖１０。

當(dāng)水頭為６．５ ｃｍ 時(shí)，有清水滲出，此時(shí)滲漏流量較小。當(dāng)水頭為１１．５ ｃｍ 時(shí)，滲出水中挾帶部分細(xì)土顆粒。當(dāng)水頭為１７．０ ｃｍ 時(shí)，滲出水中挾帶較多的土顆粒，光纖的溫度有兩處明顯下降，對(duì)應(yīng)位置是可能存在集中滲漏通道或者滲流集中的區(qū)域，也是可能發(fā)生管涌的位置。當(dāng)水頭為２４．０ ｃｍ 時(shí)，滲出水中挾帶大量的土顆粒，且在滲流出口處有大量土顆粒堆積，光纖的溫度在距離光纖起點(diǎn)１０ ｍ 處明顯下降，理論上表明該處測(cè)溫光纖受到了滲流水的影響，是可能的集中滲漏通道出口位置或者滲流集中區(qū)域，也是管涌發(fā)生的高概率區(qū)域。當(dāng)水頭為３０．０ ｃｍ 時(shí)，滲出水中挾帶大量土顆粒，形成大規(guī)模的集中滲漏通道，光纖的溫度在距離起點(diǎn)１０ ｍ 處明顯下降，理論上該處測(cè)溫光纖受到了滲流水的影響，是可能的集中滲漏通道出口位置或滲流集中區(qū)域，也是管涌發(fā)生的高概率區(qū)域；揭開蓋板后發(fā)現(xiàn)（見圖９），土體已經(jīng)形成一條的集中滲漏通道，并且光纖被水流沖出，滲流出口為光纖溫度降低幅度最大的區(qū)域，與溫度變化反映的結(jié)果一致。

由圖８～圖１０ 和表２ 可以得到如下規(guī)律性結(jié)論：１）采用分布式光纖可以測(cè)量得到堤基土體的溫度場(chǎng)，根據(jù)溫度場(chǎng)可以判斷得到堤基可能發(fā)生管涌并且已經(jīng)發(fā)生管涌的位置；２）不同程度的滲漏破壞（體現(xiàn)在滲流流量的差異），對(duì)應(yīng)不同的溫度場(chǎng)，滲流流量越大，溫度場(chǎng)的差異越明顯。

３．３工況２試驗(yàn)結(jié)果

工況２不同水頭的試驗(yàn)結(jié)果見表３、圖１１。

當(dāng)水頭為６．５ ｃｍ 時(shí)，有清水滲出，此時(shí)滲漏流量較小，光纖的溫度在距離起點(diǎn)６．５ ｍ 處相對(duì)周圍有０．６ ℃左右的降低，薄弱面處無明顯溫度變化。當(dāng)水頭為１１．５ ｃｍ時(shí)，滲流水挾帶出部分細(xì)土顆粒，此時(shí)滲漏流量依然較小，光纖的溫度在距離起點(diǎn)６．５ ｍ 處相對(duì)周圍有１．０ ℃左右的降低，在距離起點(diǎn)１０ ｍ 即薄弱面處有０．５ ℃左右的降低。當(dāng)水頭為１７．０ ｃｍ 時(shí)，滲流水挾帶出較多黏土粒，此時(shí)滲漏流量增大，光纖的溫度在距離起點(diǎn)６．５ ｍ處相對(duì)周圍有１．２ ℃左右的降低，在距離起點(diǎn)１０ ｍ 即薄弱面處與周圍有０．８ ℃左右的降低。當(dāng)水頭為２４ ｃｍ時(shí)，滲流水挾帶出大量黏土粒，此時(shí)滲漏流量較大，在滲流出口處堆積較多土顆粒和砂顆粒，光纖的溫度在距離起點(diǎn)６．５ ｍ 處相對(duì)周圍有１．６ ℃左右的降低，在距離起點(diǎn)１０ ｍ 即薄弱面處與周圍有１．４ ℃左右的降低，從溫差分析來看這兩處均存在潛在滲漏或滲流集中的區(qū)域。當(dāng)水頭為３０ ｃｍ 時(shí)，滲流水挾帶出大量黏土顆粒和砂粒，此時(shí)大規(guī)模的滲漏通道形成，滲流流量很大，在滲流出口處堆積的土顆粒和砂粒持續(xù)增多，光纖的溫度在距離起點(diǎn)６．５ ｍ 處相對(duì)周圍的溫差達(dá)到了２．６ ℃。

與工況１ 對(duì)比，因在上游砂層和黏土層之間增加了１０ ｃｍ 寬的不透水蓋板，故工況２ 滲透破壞的通道向下游移動(dòng)。

３．４小結(jié)

結(jié)合工況１ 和工況２ 的試驗(yàn)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：１）采用分布式光纖，可以測(cè)量得到堤基土體的溫度場(chǎng)，根據(jù)溫度的差異，可以判斷得到堤基可能發(fā)生管涌并且已經(jīng)發(fā)生管涌的位置；２）不同的水頭差對(duì)應(yīng)不同的重現(xiàn)期，隨著水頭的逐步增大，會(huì)發(fā)生不同程度的滲漏破壞（體現(xiàn)在滲流流量的差異），對(duì)應(yīng)不同的溫度場(chǎng)，滲流流量越大，溫度場(chǎng)的差異越明顯。按照上述試驗(yàn)方案，不同試驗(yàn)條件下堤基土發(fā)生滲流的位置并非一處，因此多個(gè)滲漏點(diǎn)的流量總和并不能單純與溫度變化結(jié)果對(duì)應(yīng)，需要通過試驗(yàn)進(jìn)一步分析。

４滲漏識(shí)別定位方法

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可以得到光纖溫度測(cè)值的時(shí)空分布圖，見圖１２，其中橫坐標(biāo)表示光纖的監(jiān)測(cè)距離，縱坐標(biāo)表示監(jiān)測(cè)歷時(shí)，根據(jù)不同時(shí)刻的溫度值進(jìn)行染色，藍(lán)色表示低溫區(qū)（＜２５°），紅色表示高溫區(qū)（＞２９°）。

由圖１２可以看出，沿時(shí)間增大方向，由藍(lán)→綠→黃→橙→紅方向發(fā)展表示升溫，這是電纜加熱造成的，反之由紅→橙→黃→綠→藍(lán)方向發(fā)展表示降溫，這是滲漏引起的。關(guān)注圖中降溫區(qū)域，即可確定滲漏發(fā)生的位置、開始的時(shí)刻和發(fā)展過程。

５結(jié)束語

對(duì)于滲漏發(fā)生區(qū)域，現(xiàn)有理論和方法主要應(yīng)用溫度分布曲線來識(shí)別，往往把溫度曲線下凹段作為潛在滲漏區(qū)域。但僅通過溫度分布曲線難以了解各點(diǎn)溫度變化情況，另外在電纜加熱條件下，光纖周邊土體受熱溫升并不均勻，從而放大了溫度分布曲線的波動(dòng)性，干擾了滲漏識(shí)別效果，使得相關(guān)方法難以付諸于實(shí)際工程應(yīng)用。因此，本文提出基于光纖溫度測(cè)值時(shí)空分布圖的滲漏識(shí)別定位方法，根據(jù)光纖溫度測(cè)值形成時(shí)空分布圖，在應(yīng)用熱脈沖法的背景下，沒有發(fā)生滲透破壞的區(qū)域，受電纜加熱的影響，溫度隨時(shí)間增長而上升；而發(fā)生滲透破壞的區(qū)域，由于滲漏通道的形成，電纜加熱輸入的熱量被滲流帶走，因此溫度隨時(shí)間增長而下降。該方法可以簡(jiǎn)單快捷地判斷出滲漏通道所處位置和發(fā)生的時(shí)段。

我國堤防隱患探測(cè)技術(shù)有了長足發(fā)展，但是已采用的探測(cè)技術(shù)大多是將物探技術(shù)移植應(yīng)用到堤防隱患探測(cè)中，在堤防滲漏監(jiān)測(cè)方面，常規(guī)的典型斷面監(jiān)測(cè)方法在空間分布上存在大量的盲區(qū)，難以起到有效監(jiān)控、及時(shí)預(yù)警的作用，分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)堤防滲漏的連續(xù)監(jiān)測(cè)，在應(yīng)用理論、探測(cè)技術(shù)和儀器研制等各方面，還有大量問題需要研究。