基于熱脈沖法的水電站壩體滲流檢測試驗及模擬

2021-09-03 12:10:38張紅維

黑龍江水利科技 2021年8期

張紅維

(和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆和田 848000)

0 引言

土石壩是一種常見的大型水工建筑物，我國建造土石壩的歷史悠久，全國各地都建造有各種高度的土石壩，很多建成土石壩的設計、施工及維護都不到位，壩體滲漏的問題也比較普遍。大量資料顯示，由于壩體滲流引發大壩潰壩失事的案例占到了土石壩總失事案例的1/3以上，所以能夠運用工程檢測手段來監測土石壩滲流情況是保證大壩安全運行的關鍵[1-2]。常規的壩體滲流檢測的方法有電場法、流場法、溫度法和高密度電法等[3]，文章采用熱脈沖法來直接測定土壤介質的熱學特征，通過推演土壤內的水分遷移來確定壩體含水率，進而了解其滲流情況[4-5]。

1 滲流量的測定方法

在測定土石壩的滲流情況時，需要先向壩體預埋熱脈沖探針，測得上、下游壩面熱電偶溫度增量，再與原熱電偶溫度做線性插值，得到增溫率(溫度增量與原溫度的比值)，進一步得出上、下游壩面增溫率之比，即：

(1)

式中：TD、TU分別表示下、上游壩面的增溫率；x0當上、下游壩面熱脈沖探針為等間距布置時的探針間距；V為熱脈沖發射速度；α為土石壩熱擴散系數。實際安裝時，無法等間距布置熱脈沖探針，因此以下游、上游探針間距平均值XD、XU來代替X0，可以推導得到下式：

(2)

式中：J為滲流量；λ為材料熱導率；CW為材料容積熱容量。求得壩體對應位置的滲流量J，就能檢測土石壩內部含水率的變化，從而檢測壩體滲流情況。

2 試驗結果

土石壩筑壩材料大多取自當地，壩體所用砂壤土對庫水的阻流效果是影響壩體滲流安全的決定性因素，本節將測試不同密度砂壤土和壤土在不同入流流速下的阻流情況，具體地，在軟件HYDRUS中建立土柱平面模型，將土柱滲流流速的模擬值與熱脈沖探針測得的實測值做對比，推出模擬值與實測值之間的擬合曲線，作為下一步的數值模擬的基礎，同時驗證熱脈沖法的精確度。試驗土柱示意圖，見圖1。

圖1 試驗土柱示意圖

2.1 不同密度砂壤土的測試結果

試驗參數設置，見表1。試驗研究了8s熱脈沖時長檢測的三種密度砂壤土在不同入流流速下的出流流速值，將實測值與HYDRU計算得到的模擬值做對比，不同密度砂壤土滲流流速的模擬值與實測值，見圖2。

表1 試驗參數設置

圖2 不同密度砂壤土滲流流速的模擬值與實測值

由圖2可知，HYDRUS計算的滲流流速與試驗得到的實測值較接近，二者呈現出明顯的線性相關性，說明熱脈沖法在滲流檢測方面能取得不錯的結果，熱脈沖法和HYDRUS對計算一定入流流速下砂壤土的滲流流速能達到一定精度。

2.2 不同密度砂壤土阻流作用的測試結果

試驗運用上、下游增溫率之比TD/TU來計算滲流流速，將滲流流速與入流流速整理得到擬合曲線，進一步比較不同密度砂壤土的阻流作用。不同密度砂壤土模擬與實測滲流流速的擬合曲線，見圖3。

可以看出，試驗得到的入流流速與滲流流速呈現出良好的線性關系，各密度砂壤土的相關系數較高，入流流速相同時，砂壤土的密度越大，滲流流速越小，擬合曲線的斜率越大，阻流作用越明顯。造成這一現象的原因是：砂壤土的密度增大時，土壤顆粒級配更合理，顆粒之間空隙減少，土壤孔隙率降低，部分滲流通道被阻斷，滲流流速受到了阻礙。

2.3 不同密度壤土阻流作用的測試結果

本次試驗將砂壤土替換為壤土，同樣運用上、下游增溫率之比TD/TU來計算壤土密度對滲流流速的影響，與2.2節的結果對比后發現，壤土測試得到的擬合曲線依然表現出高相關性，壤土的阻流效果明顯優于砂壤土，擬合曲線的斜率顯著增大，越高密度壤土的斜率越大。壤土阻流效果如此顯著的原因是：壤土中的沙質顆粒較少，黏質和粉質顆粒占比較多，這兩種顆粒組成的土骨架遇水后極易坍塌、堵塞，絕大多數滲流通道因此被截斷，所以壤土對滲流的阻礙效果更明顯。不同密度壤土模擬與實測滲流流速的擬合曲線，見圖4。

(a)1.4g/cm3 (a)1.5g/cm3 (a)1.6g/cm3y=8.7x+3.4 y=8.8x+7.5 y=9.2x+10.8R2=0.976 R2=0.975 R2=0.977

(a)1.4g/cm3 (a)1.5g/cm3 (a)1.6g/cm3y=95.4x-130.8 y=108.8x-136.2 y=113.7x-112.1R2=0.965 R2=0.979 R2=0.977

由以上試驗結果可以發現，基于熱脈沖法對砂壤土和壤土的滲流檢測結果有較高數學相關性，數值模擬和實測結果接近，實測結果也表現出一定規律，文章將繼續運用數值模擬來研究熱脈沖法在土石壩滲流檢測方面的運用。

3 壩體滲流檢測的數值模擬

文章以新疆省內某心墻土石壩為對象建立模型，該大壩最大壩高84m，壩頂寬8m，上、下游坡降比均為1∶1.2。模型考慮65m庫水水位下的壓力水頭，以熱脈沖法為基礎的滲流檢測方法用于計算壤土心墻和黏土心墻土石壩的含水率時間的變化情況，熱脈沖探針均勻布置在壩頂及下游壩面。

3.1 65m壓力水頭下的壤土心墻土石壩含水率變化

65m壓力水頭下壤土心墻土石壩含水率隨時間的分布，見圖5。從圖5可以看出，65m壓力水頭下，壤土心墻土石壩下游壩面浸潤線高度恒定，約為壩高的1/2，浸潤線的含水率最大且始終保持約0.430，壩頂含水率變化明顯，從庫水加載12h-48h，壩頂最大含水率逐漸由0.324增至0.344，模型含水率梯度分布均勻，隨壩高的增加呈線性減小的趨勢。

圖5 65m壓力水頭下壤土心墻土石壩含水率隨時間的分布

3.2 65m壓力水頭下的黏土心墻土石壩含水率變化

65m壓力水頭下黏土心墻土石壩含水率隨時間的分布，見圖6。將模型心墻材質替換為黏土后，同樣以65m庫水水頭對模型加載48h，壩體含水率隨時間的發展情況。與3.1節的含水率分布對比后可以看出，黏土心墻土石壩的下游壩面浸潤線高度有所下降，最大含水率的分布區域與浸潤線重合，最大含水率為0.380，相比前者減小了11.6%，壩頂含水率由0.373發展至0.376，土石壩含水率分布的差距較小，黏土心墻對滲流的阻礙作用明顯，其原因主要是黏土的壓實度較壤土高，心墻內空隙更少，孔隙率原本就不高，而且滲流通道受到了阻斷，黏土板結形成的阻水屏障還能進一步阻擋庫水的滲透。