寒区大坝心墙土料冻融监测技术及误差分析

张振宇，俞祁浩，方德扬，岳 攀，王新斌，陈 坤, 2

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，兰州 730000; 2.中国科学院大学， 北京 100049; 3.雅砻江流域水电开发有限公司 两河口建设管理局，成都 610051)

1 研究背景

土料冻结后物理力学性质发生改变，强度、变形模量等可增加1～2个数量级[1-3]。冻结后，土料难以压实[4]。对于已填筑的压实土料，冻融作用可使其压实度降低，渗透性增大[5-7]。因此，防渗土料冻结严重影响工程的安全性。我国《碾压式土石坝施工规范》明确要求，心墙防渗土料在填筑时，已填筑土料不得出现冻结情况[8]。快速判断心墙场地内填筑土料的冻融情况，是保证工程质量和快速施工的重要条件。然而，目前对于心墙施工现场的土温检测多以某点的温度代替整个仓面的温度，但是，对于大面积的心墙仓面(超过10 000 m2)，不同区域之间的土温存在较大的差异[9-10]，因此该方式用于判别心墙全仓面防渗土料的冻融状态存在较大误差。在两河口大坝心墙施工现场实践中发现，常规接触式的测温方法对大面积的土温检测较困难。并且，利用接触式温度传感器测土温时，受环境温度的影响，需将温度传感器放置在土料中，避免传感器与空气接触，以达到精确测温。接触式测温方式破坏了原地表的热状况，且接触式传感器灵敏度、自身的尺寸及自身温度等都会对测温结果造成误差。对于含砾石的土料难以保证传感器上覆土厚度，长时间的测温操作会使土料与周围环境热交换较大，从而产生较大测量误差。对于已碾压的土料，更是难以将接触式温度传感器放置在土料中。

为解决这一工程难题，本文提出一种利用红外热成像测温技术进行大面积土温观测的方法。该方法可快速检测大面积地表温度，进而判断土料是否冻结。但是，红外热成像测温技术受被测物体表面发射率、环境温度、大气温湿度等因素的影响，使得其测温存在误差[11-12]。物体表面发射率是其本身的热物性参数，常用的测定方法有量热法、反射率法、能量法等[13-16]，但是这些方法不适用于心墙施工现场松散、密实等不同压实状态防渗土料发射率的测量。远距离测温时大气透过率影响红外辐射在空气传播过程中的衰减程度，进而影响测温精度[17-18]。被测物体附近存在高温物体时，环境条件对红外测温的精度影响较大[19-20]。虽然红外热成像仪在出厂前进行了标定，但仅适用于一些特定的情况[12]。对于野外影响因素复杂、远距离和大面积的测温条件下，其测温结果与真实地表温度之间存在较大的差值。目前，对红外热成像仪的研究主要围绕特定影响因素下测温误差分析及减小误差方式等开展[21-24]，这对于大坝心墙多因素条件下辐射温度的修正不适用。因此，为得到心墙现场土表精确的辐射温度，需结合现场状况，对心墙红外测温中的主要影响因素进行分析，进而修正地表辐射温度。

本文基于现场观测试验，确定了利用红外热成像技术检测土料冻融状态的方法，并根据热辐射理论和红外热像仪测温原理，结合现场红外测温条件，分析了红外热像仪观测地表辐射温度的主要影响因素。利用现场试验得到的长波辐射值计算了地表发射率，并基于辐射定律建立了适用于寒区心墙施工现场的多因素条件下的地表辐射温度的修正模式。

2 试验介绍

为验证红外测温技术对心墙土料测温的可实施性及误差分析，本文在两河口水电站大坝心墙施工现场开展了远距离、大范围、全仓面的大面积土温红外检测试验，以及近地表红外测温与接触式测温试验、地表发射率测试试验研究工作。

2.1 试验场地

两河口水电站位于四川省西部雅江县境内(30°12′N, 101°00′E)，海拔3 000 m，属于季节性冻土区，极端最低气温可达-15.9 ℃。该水电站为砾石土心墙堆石坝，坝高295 m, 是国内第二、世界第三高的土石坝。考虑到雨季对两河口水电站大坝心墙施工进度的影响，冬季施工是必要的，按计划冬季的工程量约为30%。因此，大坝心墙的防渗土料在冬季填筑过程中，面临着严峻的冻结的问题。为判断施工时防渗土料是否处于冻结状态，在两河口水电站心墙施工现场开展了土料冻融检测试验及检测方式研究。为了快速对大范围全仓面土温进行检测，采用了红外热成像测温技术。该土料测温试验是2018年冬季施工过程中进行的，此时心墙填筑面沿河流方向长约80 m, 左右岸混凝土盖板之间长度约为200 m，整个心墙仓面的面积约为16 000 m2，如图1所示。同时，为对红外热像仪测量的地表辐射温度进行校正，地表发射率测试试验在2018年冬季心墙停工期进行了连续的观测。

图1 大坝心墙填筑仓面和左岸总体照片及红外测温 拍摄位置Fig.1 Photos of core wall and the left bank and the observation location of the infrared temperature measurement

2.2 试验方法及观测设备

图2 左岸远距离心墙仓面红外温度检测结果Fig.2 Distant observation results of infrared tempera- ture of core wall surface observed on the left bank

土温红外检测试验时间是2018年12月1日至2019年3月1日。利用Testo890高清红外热像仪(德国Testo SE & Co. KGaA生产)对心墙施工仓面进行地表温度检测，从而得到地表的辐射温度。Testo890红外热像仪配备42°×32°广角镜头，测量波长范围8 ～ 14 μm，热灵敏度(NETD)<0.04 ℃，透光率自动修正，红外热成像照片像素为640×480 px。由于心墙面积较大，为了得到较大范围的拍摄面，观测点选在位于心墙两侧的左、右岸混凝土盖板，高度约10～15 m的脚手架上(图1)。在观测点正对大坝心墙，手持Testo890红外热像仪俯视拍摄，拍摄时镜头取景尽可能大范围覆盖心墙仓面，并稍微覆盖对面混凝土盖板底部，在左岸观测点对心墙仓面的红外测温结果如图2所示。为了方便下文分析，在红外照片中选取地表不同温度区域内、呈现明显温度变化处(如点M5)及场地上具有明显特征的事物(如人体、机械)处进行了温度标注。由于拍摄角度问题，靠近混凝土盖板处存在拍摄盲区，可通过调整拍摄角度对盲区进行补拍。虽然远处心墙仓面能拍摄到，但是其显示在照片中的区域较小，不易分辨，可以通过左、右岸交替观测的方式弥补该缺陷，同时进行测温的相互验证，达到全仓面较为准确观测的目的。为提高心墙防渗土料温度检测的准确性，在大面积红外测温结果中选取土温较低的区域进行局部近地表红外测温，如图2中M9附近区域。具体操作方法为：与可见光照片对比，找出其在心墙对应的位置。然后，对较低土温区域进行局部近地表红外温度检测，进而精准判断该区域土料的冻融状态。进行局部红外测温时，只需操作人员根据被选区域大小，手持红外热像仪在选定区域附近对选定区域进行热红外拍摄即可。若需要判断土工布下土料的冻融状态，则应选择土工布表面温度较低以及较高的区域进行局部测温。这是因为土工布表面温度较低可能是由于其下部的土料温度较低；土工布表面温度较高可能是由于该区域土工布保温性能较差，使其下部土料散失热量较大造成的。

图3 土工布表面局部温度检测Fig.3 Local temperature detection for geotextile surface

为了便于红外热像仪测温误差分析，在局部测温试验中，除了选取上述温度较低(高)的区域，还任意选取了其他局部区域进行红外及接触式测温。图3与图4为土工布表面及土料表面局部红外测温及接触式测温试验。为了便于对红外热像仪测温进行误差分析，在局部测温试验中，除了选取上述的温度较低(高)的区域，还任意选取了其他局部区域进行红外及接触式测温。为保证接触式测温的准确性，在同一个小区域中(图3与图4中矩形框内的区域)，利用接触测温探头进行多点测温。并将测温小区域在图片上标记出相应的位置，方便与红外照片上对应点的温度对比。为了避免接触式探头自身温度的影响，在测温前，将试验所需的探头长时间置于试验测温区附近土工布表面或土料中，保证其自身温度与试验区温度一致。为了避免环境温度的影响，在土工布表面接触式测温时，将接触式测温探头用隔热性较好的材料覆盖(图3(c))。且该隔热材料长时间在试验区附近放置，温度与土工布表面温度基本一致。在土料表面接触式测温时(图4(c))，采用针式探头，该探头易插入土料中，方便土料温度测量。测量土料表面(0.5 cm土厚度)的温度，所用探头如图5(a)所示，探头前端金属部分长度为0.5 cm，温度传感器在探头最前端。为避免人体温度对测温造成的误差，该探头末端安装绝热手柄。为保证传感器与土料或土工布之间温度达到平衡，传感器放置完成60 s后，再进行温度数据记录。

图4 土料表面局部温度检测Fig.4 Local temperature detection for soil surface

图5 地表接触式测温探头及地表发射率测试Fig.5 Probes used in contanct surface temperature measurement and surface emissivity observation test

地表发射率测试试验。该试验用于获取密实土料、松铺土料及土工布覆盖等不同地表条件下地表的发射率。图6为地表发射率测试试验的场地照片。该试验在冬季停工时在心墙区进行连续观测，观测时间为2019年1月27日至2019年2月13日。针对试验场地气象条件，在试验场地布设了简易气象站，用于监测空气温湿度、总辐射、风速、风向、气压等气象要素。为获取不同地表条件下辐射参数，试验场地架设多台四分量传感器(荷兰KIipp & Zonen；型号：CNR4)。该四分量传感器测量短波光谱范围为300～2 800 nm，长波为4.5～42 μm。其灵敏度在短波段为5～20 μV/(W·m2)，在长波段为5～15 μV/(W·m2)。试验中，四分量传感器水平架设，距离地表1.5 m，可同时测量向上的短波、向上的长波辐射、向下的短波及向下的长波辐射。同时，对四分量传感器正下方土料及土工布表面进行接触式温度观测。接触式测温采用热敏电阻式传感器(冻土工程国家重点实验室研制)，其精度为±0.05 ℃。为保证土表温度测量精确性，对传感器表面结构进行了处理，外侧使用导热性较好的金属壳密封，如图5(b)所示。这保证了地表与传感器之间良好的热传递，同时避免了土中水分对传感器的破坏。且该探头直径约为3 mm，试验中水平放置，较大程度地减小了自身厚度对地表测温的影响。为了避免太阳及环境辐射对地表测温的影响，在测量密实及松铺土料地表温度时，测温探头上覆盖3 mm的细粒土；在测量土工布表面温度时，现场使用多层结构土工布，将土工布表面破坏，并将测温探头水平放置在土工布表层结构下(试验中使用的土工布表层厚度约2 mm)。所有试验观测数据使用自动数据采集仪CR3000(美国Campbell公司生产)，每10 min记录一次。

图6 地表发射率测试试验场地Fig.6 Photo of the surface emissivity observation test site

3 大坝心墙红外测温可行性分析

红外测温技术在诸多领域已开展广泛的研究与应用[25-27]，但是，对大坝心墙施工现场远距离、大范围、全仓面地表温度检测是首次应用。本文结合红外检测结果，从分辨率、精度、有效性等方面对其现场应用进行可行性分析。由图2看出，Testo890红外热像仪可同时得到被测区域的红外照片及可见光照片。从红外照片中可以清楚地看出心墙仓面辐射温度的分布情况，同时通过与可见光照片对比可确定不同红外温度分布区域对应的心墙仓面具体位置。由图2(a)的红外照片可看出，土工布表面温度低于土料表面温度。受土工布搭接影响，土工布表面的温度主要呈条形分布，两块土工布搭接区域(M1)的表面温度较低，非搭接区域 (M2、M3和M4)的表面温度较高，两者温差约为2 ℃。土料表面温度分布较均匀，但是，受土料所在位置及表面形状(如凸起、碾压等)影响，仍存在差别，如图2(a)中M5处的温度比M6处低0.6 ℃。由不同位置地表温差得出，红外测温技术测得的辐射温度可分辨出地表温差较小的区域，其测温分辨率可满足现场对不同位置温度的识别。在图2(a)中，M7、M10及椭圆标识区为现场工作人员，其距离左岸混凝土盖板的水平距离约为25、85、70 m。从红外照片中可清楚分辨出现场工作人员所处的位置，并可从图中分辨出人体表面温度与周围地表温度的差异。同时，与左岸的水平距离约为200 m的施工机具(图2(a)左上角M11)可在红外照片中清楚识别，其表面温度为16.7 ℃。这些位置的温度与周围地表温度存在显著差异，即红外照片中的辐射温度可分辨出远距离尺寸较小的温度异常物体。

由于拍摄角度问题，靠近右岸混凝土盖板的心墙仓面在照片中显示的区域较小，不易分辨。因此，仅对图2(a)中心墙左半仓面(从左岸混凝土盖板至心墙中心的仓面)地表红外温度分布进行了统计，其结果如图7所示。在该次红外测温中，心墙左半仓面温度最小值为-12.0 ℃，最大值为5.4 ℃，平均值为-7.5 ℃。经统计，该次红外测温中共获取心墙左半仓面262 172个温度值，温度分布主要集中在-10.5～-5.5 ℃之间。按该次观测的心墙左半仓面面积为5 000 m2计算，热成像仪在每平方米内约有52个测温点，即每个测温点的范围约为14 cm×14 cm。由此表明，红外测温技术可识别出心墙较小异常温度区域、低温土块及土工布未完全覆盖等易出现土料冻结的情况。此外，由本文2.2节所述的试验方法可以看出，利用红外测温技术进行土温检测的方法操作简单，可快捷地判断心墙防渗土料的冻融状况，且可很大程度上减少人为操作误差。

图7 左岸观测的心墙左半仓面红外温度统计结果Fig.7 Statistical results of infrared temperature on the left half of core wall observed on the left bank

由图3与图4看出，红外测温技术测得的地表辐射温度与接触式测得的地表温度存在较大误差，对局部温度检测试验结果的统计表明在现场不同环境条件下检测结果存在2～8 ℃的误差。但是，上述地表辐射温度测温误差是由外界环境造成的系统误差，可根据红外测温原理及辐射定律进行修正。因此，利用红外测温技术对大坝心墙地表温度检测是可行的。

4 影响因素分析

4.1 红外测温原理及影响因素

利用红外热像仪进行物体表面测温时，需要考虑多重因素。红外热像仪的成像原理直接反映各个因素之间的关系，可表示为[11,28]

Lλ=A0d-2[τaλελLbλ(T0)+

τaλ(1-αλ)Lbλ(Tu)+εaλLbλ(Ta)] 。

(1)

式中:Lλ为红外热像仪的辐射照度;ελ为表面发射率;αλ为表面吸收率;τaλ为大气的光谱透射率;εaλ为大气发射率;Lbλ(T)为温度为T的黑体的辐射照度;T0为被测物体的表面温度;Tu为环境温度;Ta为大气温度;d为该目标到测量仪器之间的距离;A0为热像仪最小空间张角所对应的目标可视面积。通常一定条件下，A0d-2为一常值。

根据热像仪的成像原理，在红外热像仪测温过程中，其接收到的辐射包括目标物本身发射的红外辐射及环境辐射。同时，目标物体发射的红外辐射会被大气吸收。基于地表的发射率等于吸收率，以及大气的发射率与透射率之和为1[29]。因此，红外热像仪对大坝心墙地表的测温误差主要受地表发射率及环境辐射影响。

4.2 地表发射率的影响及计算

在心墙现场利用红外热像仪测温时，红外热像仪中的发射率和环境温度均使用出厂设置的默认值。该默认值与现场地表的发射率不同，因此需要确定现场不同地表结构的发射率。

基于辐射定律，利用四分量传感器测量的长波辐射及接触式测量的地表温度数据，计算地表的红外发射率。本文以松铺土料地表为例说明计算过程，图8给出了向下的长波辐射(DLR)、向上的长波辐射(ULR)及松铺土表面接触式温度(Ts)。计算地表发射率选用时段与检测时间相同，即上午8时左右，由于四周山体的遮挡，此时段心墙区没有太阳直接辐射，这使得接触式地表温度测量受太阳辐射的影响很小。同时，现场四分量传感器的观测也表明，此时心墙现场的太阳短波辐射为0。

图8 试验场地的长波辐射及松铺土接触式地表温度Fig.8 Long-wave radiation and contact surface temperature of loose soil on test site

在心墙施工现场，心墙防渗土料向上发射红外辐射，该部分辐射会被四分量传感器接收。同时，周围环境向四周发射红外辐射。环境发射的向下的长波辐射(DLR)接触到地表后，一部分辐射被地表反射，被反射的环境辐射也会被四分量传感器接收。由此分析可得出，四分量传感器接收到的向上的长波辐射(ULR)包括两部分：土料本身发射的红外辐射及土料反射的环境红外辐射。地表反射的辐射为环境投射到地表的总辐射与地表反射率的乘积。根据参考文献[29]，可认为心墙防渗土料的反射率与发射率之和为1。因此，向下的长波辐射(DLR)与向上的长波辐射(ULR)之间的关系可表示为

(1-ε)DLR+Ras=ULR 。

(2)

式中:Ras为地表的长波辐射力;ε为地表面发射率。考虑到四分量辐射传感器的测量波长范围是4.5～42 μm，在计算地表辐射能量时应采用所测波长范围内的辐射力，即对该波长范围内的光谱辐射力进行积分得到总辐射力。光谱辐射力随波长变化，根据普朗克定律[29]，黑体光谱辐射力可表示为

(3)

式中:Ebλ为黑体的光谱辐射力(W/m3)；λ为波长(m)；T为黑体热力学温度(K)；c1为第一辐射常数(3.741 9×10-16W·m2)；c2为第二辐射常数(3.741 9×10-2W·K)。对式(3)在波长4.5～42 μm范围内积分，并考虑到地表的发射率ε，从而得到该波长范围内的地表辐射力为

(4)

式中:λ1、λ2分别表示波长积分范围。本文为四分量辐射传感器的波长测量范围，即分别取为4.5 μm及42 μm。

由式(2)和式(4)得到地表长波发射率计算式为

(5)

利用式(5)计算松铺土表面发射率时，该式中黑体热力学温度(T)的取值为松铺土表面接触式温度(Ts)。计算中，选取不同日期冻融检测时段(上午8时左右)的数据进行地表发射率计算，根据不同的计算时刻对应的松铺土表面温度，从而得到不同温度条件下松铺土表面发射率分布，其结果如图9所示。由图9可以看出，计算得到的松散砾石土表面的发射率在0.86～0.89之间，其离散型很小，可取其平均值作为松铺土的发射率。经计算，其平均值为0.88。同理，得到密实土地表发射率为0.91；土工布表面发射率为0.67。

图9 不同温度条件下松铺土表面发射率分布Fig.9 Distribution of surface emissivity of unconsolidated soil under different temperature conditions

图10 混凝土盖板漫反射示意图Fig.10 Schematic diagram of diffuse reflection of concrete slab

4.3 环境辐射

进行心墙土料红外测温时，由于心墙施工区不存在高温物体,因此，主要分析混凝土盖板及大气辐射对地表红外温度的影响。

4.3.1 混凝土盖板的影响

心墙土料红外测温时(上午8时左右)，混凝土盖板没有受到太阳照射，气温在0 ℃左右。虽然，混凝土盖板比与心墙仓面温度高，但它们之间差值很小。已有研究表明，当高温物体温度低于100 ℃，且与被测物体温差较小时，高温物体对使用波长为8～14 μm测温的热像仪的测温误差影响很小，可忽略不计[19]。另外，混凝土盖板可视为灰体，其辐射发射情况可用图10表示。混凝土盖板倾斜向上，斜率约为3∶1。混凝土盖板在整个空间均匀发射红外辐射，盖板上某点(如图10中点O1)向下的辐射约占其总量的40%，且在较高位置(如图10中点O2)向下的辐射不能达到仓面，故混凝土盖板发射的红外辐射能量到达心墙仓面的强度很小。因此，忽略混凝土盖板的影响，将环境辐射的影响仅考虑大气辐射。

4.3.2 大气辐射计算

在不同的气温条件下，大气辐射强度不相同。冬季心墙的空气湿度较低，且空气质量较好。因此，本文计算大气影响时忽略大气吸收的影响。野外测量时，环境辐射就是大气向下的长波辐射Rld(W/m2)，可按式(6)计算[21]。

(6)

式中:εa为天空发射率；σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数(5.67×10-8W/(m2·K)；Ta为空气温度(K)。其中，天空发射率(εa)可按式(7)计算[30]。

εa=C0(ea/Ta)1/7。

(7)

式中:C0为常数(1.24)；ea为水汽压(hPa)。由此，得到天空辐射的经验公式，即

(8)

其中，水汽压(ea)为空气相对湿度与饱和水汽压的乘积，其计算式为

ea=RH×E×100%。

(9)

式中:RH为空气相对湿度，可利用现场气象站获取；E为饱和水汽压(hPa)，本文使用Magnus公式[31]计算，即

E=6.11×107.45(Ta-273.15)/(Ta-38.15)。

(10)

由式(8)—式(10)可计算不同空气温湿度条件下大气的长波辐射Rld。

5 心墙地表辐射温度修正模式

通过以上影响因素分析，可得到心墙测温时热像仪接收到的辐射力为

E(T)=εE(T0)+(1-ε)E(Ta) 。

(11)

式中:E(T)表示温度为T的黑体的辐射力(W/m2)，即热像仪接收到的辐射力；ε表示地表的发射率；T、T0及Ta分别表示热像仪测得的红外温度、修正后地表辐射温度及大气温度。

将斯忒藩-玻尔兹曼定律(E=σT4)[29]代入公式(11)，得到地表辐射温度与修正后地表辐射温度之间的关系式

(12)

将式(8)—式(10)代入式(12)可得到修正后地表辐射温度T0表达式为

T0={[T4-1.605 9(1-ε)·Ta27/7·RH1/4·

107.45(Ta-273.15)/(Ta-38.15)+1/7]/ε}1/4。

(13)

6 地表辐射温度修正模式验证

基于心墙土料冻融局部检测试验及心墙区气象站测得的大气温湿度数据，对心墙地表辐射温度修正模式(式(12))进行验证，得到松铺土(图11(a))及土工布(图11(b))表面接触式温度、辐射温度及修正后辐射温度之间的关系。由图11(a)可知，修正前松铺土地表辐射温度与接触式地表温度的差值为3～4 ℃，修正后该差值在1 ℃以内。由图11(b)可知，土工布表面修正后的辐射温度与表面温度吻合较好，温度差值在1 ℃以内。心墙现场的密实土料使用接触式测温较困难，同一测温点测得的数据离散性很大，本文不再验证。但是，从修正模式来看，密实土与上述两种地表仅发射率不同。因此，在确定密实土发射率的条件下，该修正模式对密实土也是适用的。由验证结果看出，修正后的地表辐射温度与接触式地表温度之间仅存在较小的差值，其修正结果可满足实际工程应用。该修正模式仅利用现场的气象要素，参数获取简单，修正方便，可用于实际工程大面积土温检测及土料冻融判断。

图11 松铺土地表及土工布表面接触式温度、 修正前辐射温度及修正后辐射温度之间的关系Fig.11 Curves of contact temperature, radiation temperature and corrected radiation temperature of unconsolidated soil surface and geotextile surface

7 结 论

基于现场试验及理论推导，分析了利用红外热像仪对大坝心墙大面积土料温度进行检测及冻融进行判断的方法及影响因素，并建立了适用于心墙土料表面红外测温的修正模式，得到以下结论：

(1)利用红外热成像技术可以快速检测大面积心墙土料温度，进而判断土料的冻融状态。其操作简单，受人为操作影响因素较小，可有效地避免人为误差。为提高红外测温的效率和精度，后续研究或实际冻融检测应用中可以借鉴无人机，进行垂向仓面的连续拍摄。

(2)影响两河口心墙现场红外热像仪测温误差的主要因素为环境温度和地表发射率。其中，环境温度主要受气温控制，地表发射率受防渗土料松铺、压实以及土工布覆盖等不同地表结构形式的影响。

(3)利用现场简易气象站获取的气象参数及地表发射率建立了红外温度修正模式，并利用现场实测数据对该模式进行了验证。验证结果表明，修正后的地表辐射温度与接触式地表温度之间的差值在1 ℃以内，该修正结果能够满足实际工程应用。