基于DFOT熱脈沖法的堤壩整體滲流監測

厲建陽

（蒙陰縣水利局，山東 臨沂 276000）

1996 年以來，分布式光纖溫度測量（DFOT）技術的應用得到了極大發展[1]。光纖傳感技術已成功應用于許多水工建筑物中，應用的重點在于溫度傳感和泄漏檢測。如果有大量的水通過土壤基質遷移，土壤中熱量傳遞的強度就會完全改變。即使是大壩或地基中很小的流體流動，也會導致土壤溫度適應滲濾水的溫度。由此產生的溫度異常和熱輸運異常是泄漏檢測的敏感標志。

堤岸大壩必須不斷地、仔細地監測。除了必不可少的目測和滲流測量外，還使用不同的監測系統來評估結構的水力和靜力性能[2]。大壩監測系統通常采用不同類型的儀器，這些儀器可以獲得有關壓力、應力、應變、位移或溫度等不同物理量變化的重要信息。然而，這些儀器測量的值主要表示他們的位置。根據其性質，代表了結構或多或少擴展體積的物理行為。在儀器的位置之間，必須估計所測物理參數的分布。不可避免的是，使用這些數據來評估整體結構的狀況包含不確定性。與使用傳統儀器的測量相比，分布式光纖測量允許沿電纜進行連續測量，確保極高的信息密度。

1 分布式光纖溫度測量

1.1 分布式溫度傳感（DTS）

分布式溫度傳感主要代表基于本身傳感器的光纖溫度敏感特性。使用強大的激光將光脈沖發送到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。除了背向散射光（瑞利波）的主要部分之外，還有其他低強度的峰值。布里淵光的頻移和一定量的強度取決于散射點的溫度和應變。廣泛使用的拉曼系統正是基于這樣一個事實，即拉曼光中所謂的反斯托克斯部分的強度取決于散射點的溫度，因此在纖維中不允許出現應變。被測點到激光器的距離可由運行時間（時域OTDR）或光脈沖的頻率（頻域OFDR）確定。一次分布式溫度測量的周期時間從幾秒到幾分鐘不等。一次測量提供沿電纜分布的溫度值，間距為0.25~1.0 m，讀數精度可達±0.2 ℃。在大壩工程中，使用拉曼效應的光纖測量系統已成功運行了十多年。

1.2 DTS性能

DTS 儀器可從眾多分銷商處買到，但在價格和性能上有很大不同。在水利工程中，可靠性、測量范圍（光纖的最大長度）以及溫度和數據點間距的分辨率是值得重點關注的地方。

如果設備用于固定安裝（如報警系統），可靠性是特別重要的。其標準測量范圍為4~10 km，絕對溫度精度（在整個光纖上的恒定偏移量）大約是相對精度的10倍。后者通過一組測量值（時間步長分辨率）或沿光纖的多個數據點（空間分辨率）的標準偏差來量化。分辨率對周期時間、光纖長度和數據點間距的主要依賴關系，如圖1 所示。使用高端DTS 設備（如傳感器哨點DTS-LR），分辨率可降至0.05 K。一些DTS 設備沿光纖獲取多個數據點，以顯示陡峭的溫度梯度或階梯如圖2所示。

圖1 分辨率對周期時間、光纖長度和數據點間距的主要依賴關系

圖2 DTS結果與某大壩試驗真實溫度分布比較

1.3 泄漏檢測應用

由于其高信息密度，DTS 技術非常適合監測水利工程結構中的溫度場，已成為堤壩和堤壩滲漏檢測的標準工具。該系統通常通過2 種主要方法實現：①梯度法（被動法），使用溫度作為示蹤劑來檢測流型中的異常；②加熱法（主動溫度法），通過評估熱脈沖引起的熱響應來描述土壤中水的存在和移動。這些側重于量化泄漏，而不僅僅是定位泄漏。

1.3.1 梯度法（被動法）

在土石壩和堤壩等水工建筑物中，內部溫度場是流場的函數。梯度法是DFOT 測量的一種應用，通過使用自然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有溫度，不會主動改變其周圍的熱條件。對具有防滲要求的河堤或水壩進行泄漏檢測是被動法應用的典型。

溫度梯度可能以永久性或季節性溫差的形式存在，或以可能的滲漏源處的顯著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到結構中，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，而且可以對受泄漏影響的區域進行相當精確的劃分。該方法允許通過異常溫度與外部溫度歷史比較來確定異常源，可通過給定位置的時間滯后和溫度異常強度來估計泄漏的大小和范圍，如圖3所示。

圖3 利用溫度波動追蹤熱異常，并估算某泄漏渠道堤壩中的滲流速度

1.3.2 熱脈沖法（主動法）

最初，熱脈沖法是為梯度法不適用的應用而開發的。若水庫水與測溫地點（如地表下）之間既沒有足夠的溫度梯度，也沒有足夠的季節性水庫水溫度變化，則會使用這種方法。

該方法要求在一定的時間間隔內沿電纜提供足夠的分布式熱輸入。若在加熱電纜中集成的銅線上施加交流或直流電壓，則產生所需的線性熱輸入（線性歐姆電阻）。

電纜dTi中的熱響應取決于電纜橫截面（直徑、材料）和電纜壁的熱傳輸，主要由部分至完全飽和土壤中的傳導或流速超過10~5 m/s 時的對流控制，分別如圖4左、右側所示。因此，初始狀態T∞和加熱狀態Ti之間的溫差dTi由電纜芯和電纜壁dTc之間的差值加上無限矩dTs之間的差值組成。

圖4 具有瞬態傳導和穩態對流的電纜截面上的溫度分布

1.4 分布流速測量

在土壤中存在滲流的情況下，壁面處的流速和傳熱系數之間的關系適用于加熱圓柱體的傳熱，這使得熱脈沖法能夠測量達西流速。流動邊界層和壁上的熱邊界層的厚度隨著速度的增加而減小。這種強制對流效應使加熱電纜的熱響應取決于流速。其僅在滲透性很強的土壤（即滲透系數≥10-2m/s）中存在對流，如圖5所示。

圖5 60 min后的不同電纜直徑下流速與dTs變化

2 泄漏檢測和內部侵蝕

2.1 綜述

首先，內部侵蝕的檢測應回答“內部侵蝕發生在何處以及在何種程度上影響大壩穩定性”的問題。因此，應重點關注內部侵蝕對滲流模式的影響。由于內部侵蝕的持續和發展通常與泄漏的增加同時進行，因此內部侵蝕的檢測通常被視為等同于泄漏檢測。通過可靠的泄漏檢測，證明沒有任何泄漏異常，可以排除過度的內部侵蝕。

然而，與內部侵蝕相關的風險水平僅通過泄漏檢測很難來量化。即使沒有任何明顯的滲漏異常，侵蝕過程可能已經開始了。估計實際無泄漏階段與內部侵蝕不同階段之間的余量，需要更詳細地考慮控制潛在顆粒運移的參數。將探測得到的顆粒的水力載荷與其理論阻力進行比較，可以幫助估計不同侵蝕階段發生和持續的可能性。若已經在時間和地點檢測到泄漏，則需要類似的概念。

最后，控制內部侵蝕的參數，如粒徑、黏聚力、過濾性能、水力梯度、滲透率、流速等，即使在一個大壩內也會發生很大變化。故障發生在隨機點，當這組參數超過臨界極限時，盡管已知堤壩的某些區域具有高風險區域，但仍需要對整個結構檢測，保證有足夠的檢測點空間分辨率才能準確判斷故障滲漏發生位置。

2.2 泄漏檢測

近10 a 來，分布式光纖測溫已成為堤壩滲漏檢測的標準工具，在堤壩建設中應考慮安裝相應的監測系統。在許多情況下，內部侵蝕的檢測與泄漏檢測是同等重要的。因此，該方法在泄漏檢測應用中具有明顯優勢，對內部侵蝕的檢測也是有效的。采用熱脈沖法進行泄漏檢測必須考慮以下情況：觀測結構的長度使得標準檢測方法（如滲水流量測量）不可行或效率低下；任何對現有大壩進行重新檢測的要求都不允許使用傳統的檢測策略；現場條件（如大壩結構、潛在破壞）需要特別的措施，如自動報警系統；主動溫度法固有的高空間分辨率有助于評估更精確和可靠；梯度法不適用，因為既沒有給出足夠的水庫水與測溫位置（地表密封下或下游趾端）之間的溫度梯度，也沒有給出足夠的水庫水的季節性溫度變化；需要飽和度和流速的局部信息，而不是被動法提供的泄漏異常的整體信息。

3 應用實例

3.1 瀝青表面密封

在1996 年國外某大壩修復過程中，首次在新瀝青表面密封下方安裝了光纖電纜，用于泄漏檢測，采用被動法對渠道堤壩進行監測。張少杰等[3，4]在2010 年使用主動法對大壩滲漏進行模型試驗，同年其團隊使用主動法對大壩滲漏進行了數值模擬。

3.2 混凝土表面密封

上述大壩修復過程中，其中的一部分已經用混凝土表面密封進行了修復，因此混凝土表面密封下方的第一次應用與瀝青表面密封下方的應用是同時進行的。

3.3 土工膜

土工膜監測的第一個應用是在國外某實體工程，隨后在2004 年，隨著我國相關技術的發展，劉建國等[5]為改進填埋場防滲層系統結構設計，建立三種襯層中水分與污染物遷移的數學模型。2017年，屈曉禾等[6]研究了土工膜等諸多防范措施來消除因滲漏對環境尤其地下水的污染。該應用領域運用的一個特殊之處是德國的貝弗塔爾大壩，其中由鋼板組成的中央密封使用PE-HD 土工膜延伸到壩頂。鋼板和土工膜之間的接頭通過光纖電纜進行監控。

3.4 壩趾

在所有上述應用示例中，在密封元件的基本修復或新結構的過程中安裝了監控系統。在不需要或預計不需要修復的建筑中，監控系統可以安裝在下游大壩趾部的排水裝置或護堤上。代表工程包括錦屏一級水電站雙曲拱壩、溪洛渡拱壩、大朝山水電站大壩等。

3.5 施工縫

另一個應用領域是監測施工縫，特別是具有表面密封的大壩中的周邊接縫（底座）。壩體內的不均勻沉降可能對底土密封與面封接縫造成破壞。在毛里求斯的米德蘭大壩上實現了基于光纖的泄漏檢測系統的首次應用，用于監測基座。電纜直接安裝在防滲墻和瀝青表面密封之間的接縫處。我國研究人員近年來為研究混凝土面板堆石壩的滲漏量和滲透坡降的變化規律，采用有限元法模擬了不同縫、不同高程發生的滲流[7]。

4 結論

DFOT 具有許多技術優勢，如信息密度高、適用于惡劣的現場條件以及安裝簡單靈活。目前DFOT被視為大壩監測的最先進工具，其應用范圍從面板堆石壩和渠道堤壩的滲漏檢測到碾壓混凝土壩的溫度監測。分布式溫度傳感儀器和方法本身的進一步發展使DFOT 成為大壩監測的關鍵技術。尤其是加熱法的進一步發展，為分布式測定土壤中的含水量和流速帶來了一種新的獨特工具。