基于热脉冲法的水电站坝体渗流检测试验及模拟研究

秦 伟

（洛阳水利工程局有限公司，河南 洛阳 471000）

0 引言

土石坝是一种常见的大型水工建筑物，我国建造土石坝的历史悠久，全国各地都建造有各种高度的土石坝，很多建成土石坝的设计、施工及维护都不到位，坝体渗漏的问题也比较普遍。大量资料显示，由于坝体渗流引发大坝溃坝失事的案例占到了土石坝总失事案例的三分之一以上，所以能够运用工程检测手段来监测土石坝渗流情况是保证大坝安全运行的关键[1,2]。

常规的坝体渗流检测的方法有电场法、流场法、温度法和高密度电法等[3]，本文采用热脉冲法来直接测定土壤介质的热学特征，通过推演土壤内的水分迁移来确定坝体含水率，进而了解其渗流情况[4,5]。

1 渗流量的测定方法

在测定土石坝的渗流情况时，需要先向坝体预埋热脉冲探针，测得上、下游坝面热电偶温度增量，再与原热电偶温度做线性插值，得到增温率（温度增量与原温度的比值），进一步得出上、下游坝面增温率之比，即：

式中，TD、TU分别表示下、上游坝面的增温率；X0表示当上、下游坝面热脉冲探针为等间距布置时的探针间距；V为热脉冲发射速度；α为土石坝热扩散系数。实际安装时，无法等间距布置热脉冲探针，因此以下游、上游探针间距平均值XD、XU来代替，可以推导得到下式：

式中，J为渗流量；λ为材料热导率；CW为材料容积热容量。求得坝体对应位置的渗流量J，就能检测土石坝内部含水率的变化，从而检测坝体渗流情况。

2 试验结果

土石坝筑坝材料大多取自当地，坝体所用砂壤土对库水的阻流效果是影响坝体渗流安全的决定性因素，本节将测试不同密度砂壤土和壤土在不同入流流速下的阻流情况，具体地，在软件HYDRUS中建立如图1所示的土柱平面模型，将土柱渗流流速的模拟值与热脉冲探针测得的实测值做对比，推出模拟值与实测值之间的拟合曲线，作为下一步的数值模拟的基础，同时验证热脉冲法的精确度。

图1 试验土柱示意图

2.1 不同密度砂壤土的测试结果

如表1所示，试验研究了8 s热脉冲时长检测的三种密度砂壤土在不同入流流速下的出流流速值，将实测值与HYDRUS计算得到的模拟值做对比，得到图2。

表1 试验参数设置

图2 不同密度砂壤土渗流流速的模拟值与实测值

由图2可知，HYDRUS计算的渗流流速与试验得到的实测值较接近，二者呈现出明显的线性相关性，说明热脉冲法在渗流检测方面能取得不错的结果，热脉冲法和HYDRUS对计算一定入流流速下砂壤土的渗流流速能达到一定精度。

2.2 不同密度砂壤土阻流作用的测试结果

试验运用上、下游增温率之比TD/TU来计算渗流流速，将渗流流速与入流流速整理得到如图3所示的拟合曲线，进一步比较不同密度砂壤土的阻流作用。

图3 不同密度砂壤土模拟与实测渗流流速的拟合曲线

可以看出，试验得到的入流流速与渗流流速呈现出良好的线性关系，各密度砂壤土的相关系数较高，入流流速相同时，砂壤土的密度越大，渗流流速越小，拟合曲线的斜率越大，阻流作用越明显。造成这一现象的原因是：砂壤土的密度增大时，土壤颗粒级配更合理，颗粒之间空隙减少，土壤孔隙率降低，部分渗流通道被阻断，渗流流速受到了阻碍。

2.3 不同密度壤土阻流作用的测试结果

本次试验将砂壤土替换为壤土，同样运用上、下游增温率之比TD/TU来计算壤土密度对渗流流速的影响，与2.2节的结果对比后发现，壤土测试得到的拟合曲线依然表现出高相关性，壤土的阻流效果明显优于砂壤土，拟合曲线的斜率显著增大，越高密度壤土的斜率越大。壤土阻流效果如此显著的原因是：壤土中的沙质颗粒较少，黏质和粉质颗粒占比较多，这两种颗粒组成的土骨架遇水后极易坍塌、堵塞，绝大多数渗流通道因此被截断，所以壤土对渗流的阻碍效果更明显。

图4 不同密度壤土模拟与实测渗流流速的拟合曲线

由以上试验结果可以发现，基于热脉冲法对砂壤土和壤土的渗流检测结果有较高数学相关性，数值模拟和实测结果接近，实测结果也表现出一定规律，本文将继续运用数值模拟来研究热脉冲法在土石坝渗流检测方面的运用。

3 坝体渗流检测的数值模拟

以某心墙土石坝为对象建立模型，该大坝最大坝高84 m，坝顶宽8 m，上、下游坡降比均为1∶1.2。模型考虑65 m库水水位下的压力水头，以热脉冲法为基础的渗流检测方法用于计算壤土心墙和黏土心墙土石坝的含水率时间的变化情况，热脉冲探针均匀布置在坝顶及下游坝面。

3.1 65 m压力水头下的壤土心墙土石坝含水率变化

从图5可以看出，65 m压力水头下，壤土心墙土石坝下游坝面浸润线高度恒定，约为坝高的一半，浸润线的含水率最大且始终保持在0.430左右，坝顶含水率变化明显，从库水加载12～48 h间，坝顶最大含水率逐渐由0.324增至0.344，模型含水率梯度分布均匀，随坝高的增加呈线性减小的趋势。

图5 65 m压力水头下壤土心墙土石坝含水率随时间的分布

3.2 65 m压力水头下的黏土心墙土石坝含水率变化

将模型心墙材质替换为黏土后，同样以65 m库水水头对模型加载48 h，坝体含水率随时间的发展情况如图6所示，与3.1节的含水率分布对比后可以看出，粘土心墙土石坝的下游坝面浸润线高度有所下降，最大含水率的分布区域与浸润线重合，最大含水率为0.380，相比前者减小了11.6%，坝顶含水率由0.373发展至0.376，土石坝含水率分布的差距较小，黏土心墙对渗流的阻碍作用明显，其原因主要是黏土的压实度较壤土高，心墙内空隙更少，孔隙率原本就不高，而且渗流通道受到了阻断，黏土板结形成的阻水屏障还能进一步阻挡库水的渗透。

图6 65 m压力水头下黏土心墙土石坝含水率随时间的分布

4 结论

以对某心墙土石坝进行渗流检测为出发点，首先针对不同密度的砂壤土和壤土的实验土柱进行了数值模拟和试验的对比，又测试了不同密度土柱的阻流效果，推出了入流流速与渗流流速的拟合曲线，在此基础上展开了65 m压力水头下土石坝含水率变化的研究，得到以下结论：

（1）不同密度土柱阻流效果的试验结果和模拟结果接近，说明热脉冲法在试验和仿真计算中都能保持一定精度。

（2）对不同密度砂壤土和壤土的阻流试验结果表明，相同材料土柱的密度越高，热脉冲法测得的渗流流速就越低，阻流效果越好。由于土壤颗粒特质、孔隙率和级配等原因，密度相同时，壤土的阻流效果优于砂壤土。

（3）心墙土石坝坝顶及下游坝面的含水率计算结果表明，粘土心墙的阻流效果比壤土心墙显著，前者的含水率明显小于后者，其浸润线也较后者更低。实际工程中，可以事先将热脉冲探针埋入土石坝的潜在渗漏区或已暴露的渗漏区，从而实时检测土石坝的渗流情况，达到监测大坝安全的目的。