高填方引調水工程滲漏連續監測方法研究

關鍵詞：高填方；引調水；滲透破壞；分布式光纖；溫度場

中圖分類號：ＴＶ６８；ＴＵ４１１．４ 文獻標志碼：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．高填方引調水工程滲漏連續監測方法研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：１５７－１６２．

０引言

南水北調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。由于高填方渠道內水面高程一般高于渠外地面高程，因此若結構安全性不足［２］導致渠道“跑水”，則不僅會影響供水安全，而且會危及渠道沿線人民生命財產安全［３］ 。

目前在高填方工程健康診斷和安全監控方面，常用的探測方法包括探地雷達法［４］ 、電阻率法、高密度電法［５－６］ 、瞬變電磁法、地震勘探法等，這些方法各有優劣［７］ 。大多數堤防滲漏隱患探測采用物探方法，其通過探測地層物理參數存在的差異，發現地質異常。探測結果存在多解性，所以常采用幾種物探方法進行綜合探測，如采用探地雷達進行快速普查，劃定異常區，再用瞬變電磁法或高密度電法或表面波法進行詳查。幾種儀器組合進行比測，可以提高探測的準確性。但是，目前關于高填方渠道正常運行條件下不同水位、流量對相應檢測方法的影響的基礎研究成果很少。中國水利科學研究院結構材料所研發的用于堤防工程質量檢測的電位映像法，獲批了國家專利，為相關研究的開展奠定了基礎［８－１１］ 。

由于高填方工程分布距離長，采用工程無損檢測和典型斷面監測［１２］ 的方法都存在一定盲區，因此需要研發時空連續的監控分析方法。光纖傳感技術［１３］ 是目前最有發展前景的用于時空連續的監控技術。自１９９０年開始，國外研究者嘗試將分布式光纖技術應用到滲流監測中。該技術被引入國內后，孫東亞等［１４］ 通過理論和試驗研究，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用于滲漏監測，李端有等［１５］ 則進一步探討了其在長江堤防滲流監測中的應用，有關學者［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行周邊縫的滲漏監測研究。這些研究和應用實例都是基于溫度示蹤方法［１９］ ，發生滲漏時滲流經過光纖會引起局部溫度或傳熱能力變化，通過測量溫度變化即可對滲漏點進行定位。

經過國內眾多水利科技工作者的努力，我國在大型引調水工程結構設計、新材料應用、工程施工技術等方面取得了巨大進步，為我國引調水工程建設提供了有力的支撐。隨著大量引調水工程竣工，工程安全運行管理的任務加重。因此，開發新的引調水工程健康診斷和破壞預警方法，實現對已知安全隱患的時空連續監控，在工程正常運行狀態下對未知隱患進行探測、診斷和高性能仿真分析，以便做到及時預警，支撐我國引調水工程結構的長效安全管理，具有重要的科技價值和廣闊的應用前景，同時也可為水生態文明建設［２０］和社會經濟可持續發展保駕護航，具有顯著的社會效益。

１試驗模型及取樣

試驗模型采用有機玻璃材料制作，主要包括砂槽、上游水箱（供水水箱）、下游水箱（穩壓室）、壓重蓋板、測壓管、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節的簡易鋼支架控制上游水位。各部分通過螺栓進行機械連接，并加玻璃膠等防水材料進行止水密封；主體結構通過有機玻璃專用膠進行連接，并在連接部位通過加筋構造對結構進行加固，防止整個模型在低溫凍融循環條件下產生開裂或變形。

試驗土樣取自堤防背水側原狀土，共取８００ ｋｇ 左右裝袋運往試驗基地。土樣的含水率、孔隙率、導熱系數等物理參數通過現場原位環刀試驗（取堤防表層土樣和堤防表層以下約４０ ｃｍ 的土樣）獲取。

２試驗過程

滲透破壞試驗模型裝置構造［２１］ 如圖２ 所示。砂槽前端連接水箱，在試驗中起到穩定水壓的作用，同時確保進入試樣的水流方向與試樣的頂面垂直，以模擬實際堤基中的滲流情況，同時方便數值計算；水箱右側設置隔砂濾網，確保水流盡可能均勻地通過隔砂濾網流入試樣中， 隔砂濾網為２００目（ 孔徑尺寸為０．０７４ ｍｍ）的不銹鋼濾網，起到反濾的作用，確保下伏砂層不會進入穩壓室中，阻礙水的流動。在穩壓室設置了一根測壓管，用來測量上游水頭值。砂槽的頂端設置可以移動和拆卸的活動蓋板，蓋板上有２ 個引水槽，引水槽上設置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，同時在蓋板周圍用軟質黏土和玻璃膠進行密封，防止邊壁發生側漏，影響滲流試驗結果。

本次試驗的透水層土樣全部由河砂組成，屬于中細砂，符合一般雙層堤基下伏強透水層的條件要求；上覆黏土層選取堤防原狀土樣，通過試驗測得黏土顆粒的密度Ｇ_ｓ ＝２．６３ｇ／ ｃｍ^３（李氏比重瓶－排水法，取３ 次測量結果的平均值），原狀土的含水率ｗ ＝２４．３２％。若按照孔隙率為ｅ 進行制樣，則該孔隙率對應的當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量，并壓實至目標體積。

試驗步驟如下：

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

２）制樣。參考相關學者研究成果［２２］ ，首先將試驗砂槽內注滿水，砂均勻分撒到槽內，砂層厚度達５ ｃｍ時將槽內水慢慢放掉。然后再次注水，分撒第二層砂，分撒完畢后再次放水。重復上述過程，直至砂層填充至預先確定的高度。最后封閉下游出水口及所有測壓孔口，通過供水系統向上游穩壓水區輸水，水流慢慢滲透到下游穩水區，不斷加水直至上下游穩水區水位高出砂層表面且相等。靜置２４ ｈ 后，將下游出水口及測壓孔口開啟，把砂槽中水放完。按照上述方法重復兩次，使砂層充分飽和排氣達到平整密實，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 層進行制樣，每層的厚度以及分布式光纖和電纜的布設位置如圖３ 所示，同時需要考慮土樣與模具交界處的滲漏問題，黏土層在制樣時還需要考慮與砂礫石層之間的接觸性及制樣時層間的接觸性，因此層間需要適當鑿毛來確保不透水層內部接觸良好。

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

５）黏土制樣完成后，在四周加玻璃膠進行密封，并在黏土層上方鋪設一層有機玻璃蓋板，見圖６。有機玻璃蓋板加上一定質量的蓋重，避免玻璃板與黏土之間產生側漏，同時防止黏土層被高水頭強制性頂破而非滲透性破壞。有機玻璃蓋板上開有５ ｃｍ 直徑的圓孔，為人工預留的滲流水流出部位。在圓孔上方增設２ 個水平走向槽，用于收集滲透破壞后的滲流水。

６）供水裝置為試驗裝置提供穩定的水頭，當水頭穩定后，相隔３０ ｍｉｎ 觀察測壓傳感器及上游水頭的測量結果，當產生穩定滲流時，水頭的測量結果趨于穩定（變化幅度在正常波動范圍內視為結果穩定），此時再繼續增大水頭，重復上述試驗步驟。在加水過程中，攝像機拍攝試驗裝置，觀察側壁及土層表面的變化。當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，弱透水層將發生明顯的流土破壞或其他形式的滲透破壞（側壁滲漏等），拍照記錄滲透破壞的位置，同時拍視頻記錄滲透破壞的動態狀態。記錄完畢后，打開試驗裝置上的閥門進行排水，并在發生滲透破壞時，測量滲流流量ｑ 和上游水頭Ｈ。

７）土樣拆除和裝置維護。當試驗結束且排水完成后，上層黏土層發生了滲透破壞，需要全部進行清理。上層黏土層清理完畢后，對砂礫石層表面進行拍照，并且清除上層１０ ｃｍ 厚的摻土砂礫石，保留下部砂礫石，并重新制樣進行下一次試驗。在試驗過程中以及結束后，觀察裝置整體是否變形以及是否出現滲漏，如果存在上述情況，應及時對試驗裝置進行維護和修復。

３試驗工況及結果

３．１試驗工況

在試驗過程中，考慮堤基土體分布不均勻及滲透路徑對試驗結果的影響，在強透水層（砂礫石層）與弱透水層（黏土層）之間增設不透水層（有機玻璃蓋板），見圖７。對比增設不透水層后滲透破壞試驗結果、現象及滲透路徑的變化。

雙層堤基滲透破壞試驗工況見表１。工況１與工況２ 加熱電纜埋設方式、尺寸和長度均相同，其功率變化作為改變土壤溫升的手段。由堤防發生滲透破壞的機理可知，加熱電纜的功率變化幾乎不會影響對堤基滲透破壞的監測結果，因此主要觀察不透水層對滲透破壞監測結果的影響。按照試驗流程和步驟，開始試驗的同時進行攝像記錄，獲取滲透破壞不同階段土層的變化情況。

３．２工況１ 試驗結果

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結果，見表２、圖８～圖１０。

當水頭為６．５ ｃｍ 時，有清水滲出，此時滲漏流量較小。當水頭為１１．５ ｃｍ 時，滲出水中挾帶部分細土顆粒。當水頭為１７．０ ｃｍ 時，滲出水中挾帶較多的土顆粒，光纖的溫度有兩處明顯下降，對應位置是可能存在集中滲漏通道或者滲流集中的區域，也是可能發生管涌的位置。當水頭為２４．０ ｃｍ 時，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１０ ｍ 處明顯下降，理論上表明該處測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域，也是管涌發生的高概率區域。當水頭為３０．０ ｃｍ 時，滲出水中挾帶大量土顆粒，形成大規模的集中滲漏通道，光纖的溫度在距離起點１０ ｍ 處明顯下降，理論上該處測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域，也是管涌發生的高概率區域；揭開蓋板后發現（見圖９），土體已經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域，與溫度變化反映的結果一致。

由圖８～圖１０ 和表２ 可以得到如下規律性結論：１）采用分布式光纖可以測量得到堤基土體的溫度場，根據溫度場可以判斷得到堤基可能發生管涌并且已經發生管涌的位置；２）不同程度的滲漏破壞（體現在滲流流量的差異），對應不同的溫度場，滲流流量越大，溫度場的差異越明顯。

３．３工況２試驗結果

工況２不同水頭的試驗結果見表３、圖１１。

當水頭為６．５ ｃｍ 時，有清水滲出，此時滲漏流量較小，光纖的溫度在距離起點６．５ ｍ 處相對周圍有０．６ ℃左右的降低，薄弱面處無明顯溫度變化。當水頭為１１．５ ｃｍ時，滲流水挾帶出部分細土顆粒，此時滲漏流量依然較小，光纖的溫度在距離起點６．５ ｍ 處相對周圍有１．０ ℃左右的降低，在距離起點１０ ｍ 即薄弱面處有０．５ ℃左右的降低。當水頭為１７．０ ｃｍ 時，滲流水挾帶出較多黏土粒，此時滲漏流量增大，光纖的溫度在距離起點６．５ ｍ處相對周圍有１．２ ℃左右的降低，在距離起點１０ ｍ 即薄弱面處與周圍有０．８ ℃左右的降低。當水頭為２４ ｃｍ時，滲流水挾帶出大量黏土粒，此時滲漏流量較大，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６．５ ｍ 處相對周圍有１．６ ℃左右的降低，在距離起點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域。當水頭為３０ ｃｍ 時，滲流水挾帶出大量黏土顆粒和砂粒，此時大規模的滲漏通道形成，滲流流量很大，在滲流出口處堆積的土顆粒和砂粒持續增多，光纖的溫度在距離起點６．５ ｍ 處相對周圍的溫差達到了２．６ ℃。

與工況１ 對比，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。

３．４小結

結合工況１ 和工況２ 的試驗結果，可以得到如下結論：１）采用分布式光纖，可以測量得到堤基土體的溫度場，根據溫度的差異，可以判斷得到堤基可能發生管涌并且已經發生管涌的位置；２）不同的水頭差對應不同的重現期，隨著水頭的逐步增大，會發生不同程度的滲漏破壞（體現在滲流流量的差異），對應不同的溫度場，滲流流量越大，溫度場的差異越明顯。按照上述試驗方案，不同試驗條件下堤基土發生滲流的位置并非一處，因此多個滲漏點的流量總和并不能單純與溫度變化結果對應，需要通過試驗進一步分析。

４滲漏識別定位方法

根據上述試驗結果，可以得到光纖溫度測值的時空分布圖，見圖１２，其中橫坐標表示光纖的監測距離，縱坐標表示監測歷時，根據不同時刻的溫度值進行染色，藍色表示低溫區（＜２５°），紅色表示高溫區（＞２９°）。

由圖１２可以看出，沿時間增大方向，由藍→綠→黃→橙→紅方向發展表示升溫，這是電纜加熱造成的，反之由紅→橙→黃→綠→藍方向發展表示降溫，這是滲漏引起的。關注圖中降溫區域，即可確定滲漏發生的位置、開始的時刻和發展過程。

５結束語

對于滲漏發生區域，現有理論和方法主要應用溫度分布曲線來識別，往往把溫度曲線下凹段作為潛在滲漏區域。但僅通過溫度分布曲線難以了解各點溫度變化情況，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性，干擾了滲漏識別效果，使得相關方法難以付諸于實際工程應用。因此，本文提出基于光纖溫度測值時空分布圖的滲漏識別定位方法，根據光纖溫度測值形成時空分布圖，在應用熱脈沖法的背景下，沒有發生滲透破壞的區域，受電纜加熱的影響，溫度隨時間增長而上升；而發生滲透破壞的區域，由于滲漏通道的形成，電纜加熱輸入的熱量被滲流帶走，因此溫度隨時間增長而下降。該方法可以簡單快捷地判斷出滲漏通道所處位置和發生的時段。

我國堤防隱患探測技術有了長足發展，但是已采用的探測技術大多是將物探技術移植應用到堤防隱患探測中，在堤防滲漏監測方面，常規的典型斷面監測方法在空間分布上存在大量的盲區，難以起到有效監控、及時預警的作用，分布式光纖監測技術可以實現堤防滲漏的連續監測，在應用理論、探測技術和儀器研制等各方面，還有大量問題需要研究。