（岩土工程专业论文）土石坝渗流场与温度场耦合研究.pdf

摘要 摘要 土石坝为连续介质，其渗流场与温度场是相互作用和相互影响的。渗流场的变化 将促进大坝内部的热量传递与交换而影响大坝温度场的分布；同时温度场的变化将会 引起水的粘度及坝体渗透特性的变化，继而改变土石坝渗流场分布。基于温度场反馈 渗流场的特征是近年来的热门研究课题之一，因此研究两场的耦合效应具有重要的理 论价值和实用价值。 本文主要采取理论分析、物理模拟试验和数值模拟分析等方法研究分析渗流场与 温度场的耦合变化规律。首先探讨了渗流场和温度场的耦合基本理论，在此基础上， 进行了不同水力条件、环境条件下的渗流场和温度场的一维普圆筒和二维水槽模型试 验，将分布式光纤温度测量系统( d t s ) 应用到模型试验的温度测量工作中。基于渗 流水头、渗透坡降和渗流量以及温度、温度梯度对比分析研究渗流场和温度场的空间 分布规律和时间序列变化趋势以及两者之间的耦合规律及内在联系，重点研究温度场 特征指标反馈渗流场特征指标的方法与规律，探索利用分布式光纤温度监测技术反馈 大坝渗漏的定量评估方法。 本文基于渗流场与温度场耦合数学模型，利用伽辽金法导出两场耦合的有限元法 计算公式，采用g e o s t u d i o 软件的渗流模块和温度模块对上述室内试验模型进行了数 值模拟研究。通过数值模拟研究分析了渗流场特征参数( 渗透系数、渗流水头等) 和 温度场特征参数( 比热容、热传导系数等) 对温度场时空分布的敏感性影响，研究了 温度场反馈渗流场的方法和规律特征，揭示了渗流场与温度场的耦合规律。 关键词：渗流温度d t s 圆筒试验水槽试验耦合数值模拟 a b s t r a e t a b s t r a c t e m b a n k m e n td a m sa r ec o n s t r u c t e db yc o n t i n u o u sm e d i u m ，i nw h i c ht h es e e p a g ef l o w a n dt e m p e r a t u r ea r em u t u a l l yi n f l u e n c e d t h ec h a n g eo fs e e p a g ef i e l dw i l la c c e l e r a t et h e h e a tt r a n s f e ri nt h ed a mb o d y ，w h i c hm a ya f f e c tt h ed i s t r i b u t i o no fd a mt e m p e r a t u r e m e a n w h i l et h ev a r i a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l dc a u s e st h ec h a n g eo fw a t e rv i s c o s i t ya n d h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y ，w h i c hm a yl e a dv a r i a t i o no fd i s t r i b u t i o no ft h es e e p a g ef i e l d s oi t i sw i t hi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e st os t u d yt h ec o u p l i n gb e t w e e nt h e s e e p a g ef i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d n o wr e s e a r c ho ft e m p e r a t u r ef i e l dt of e e d b a c kt h e s e e p a g ef i e l di nt h ed a m h a sb e e nah o ti s s u e i nt h ep a p e r ，t h e o r e t i c a lm e t h o d ，l a b o r a t o r yt e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i sa r e a d o p t e df o rt h es t u d yo ft h ec o u p l i n gb e t w e e ns e e p a g ef i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d t h e c o u p l i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e nf i r s t l ye s t a b l i s h e di nt h ep a p e r t h eo n e d i m e n s i n a l s e e p a g ec y l i n d e ra n dt w o - d i m e n s i o n a lc h a n n e ls e e p a g ee x p e r i m e n t a lm o d e lt e s t sh a v e b e e n d o n ei nt h el a b o r a t o r yf o rd i f f e r e n th y d r a u l i cc o n d i t i o n sa n de n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s t h et e m p e r a t u r ef i e l di so b s e r v e db yd i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m w i t hah i g hr e s o l u t i o na n da c c u r a c yi nt h et e s t s t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sw i t ht i m eo ft e m p e r a t u r ef i e l da n ds e e p a g ef i e l df o rt h es e e p a g ec y l i n d e r a n dc h a n n e lm o d e la r es t u d i e dw i t hc o m p a r i s i o no fs e e p a g ep a r a m e t e r ss u c ha sh y d r a u l i c h e a d ，s e e p a g ef l u x ，s e e p a g eg r a d i e n ta n dt e m p e r a t u r ep a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r ea n d t e m p e r a t u r eg r a d i e n t f u r t h e r m o r e ，t h ec o u p l i n go ft h et w of i e l d sh a sa l s ob e e ns t u d i e d ， w h i c hf o c u s e so nt h ee f f e c to ft h ec h a r a c t e r i s t i ci n d e x e so ft h et e m p e r a t u r ef i e l do nt h e s e e p a g ef i e l da n dt h es e n s i t i v i t yo ft e m p e r a t u r ef i e l dt ot h es e e p a g ev a r i a t i o n i no r d e rt of u r t h e rs t u d yo nt h ec o u p l i n go ft h et w of i e l d s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n f e e d b a c ka n a l y s i sm e t h o di sa p p l i e dw i t ht h es o f t w a r eo fg e o s t u d i o w i t ht h et e m pa n d s e e pm o d u l e s ，t h el a b o r a t o r ym o d e lt e s t sa r es i m u l a t e da n ds e n s e n t i v ea n a l y s i so ft h e p a r a m e t e r s i nt h et w of i e l d sh a sb e e ns t u d i e d t h e q u a n t i t a t i v em e t h o d sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es e e p a g ef e e d b a c kf r o mt e m p e r a t u r ef i e l dh a v e b e e np u tf o r w a r d k e y w o r d s ：s e e p a g e ，t e m p e r a t u r e ，d t s ，s e e p a g ec y l i n d e rm o d e lt e s t ，s e e p a g ec h a n n e l e x p e r i m e n tt e s t ，c o u p l i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n - 1 1 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 8 年0 6 月 南京水利科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部 或部分内容的公布( 包括刊登) 授权南京水利科学研究院研究生处办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 8 年0 6 月 第一章综述 1 1 选题背景及研究意义 第一章综述 近2 0 年来，工程实践渐趋复杂，如石油、天然气、地热等能源的开发，水利水 电工程的高坝建设、深埋长大隧道和引水隧洞的开挖，核废料的安全填埋、贮存以及 环境工程中污染物的迁移等实际工程问题难度都相应增加，促使了岩土工程问题从单 一的研究向两场或多场( 温度场、渗流场、变形场) 耦合方向发展，从相关联的视角 去剖析工程安全问题的机理和发展趋势，从而更好地对工程问题进行预测预报，并为 工程的安全运行提供科学依据。 ( 1 ) 渗流的危害及其分析和预报的重要性 渗流是水利工程较为重要的荷载，渗流稳定是大坝设计、施工及运行的最主要问 题。国内外大坝失事实例统计结果表明，大坝的失事大都由渗流引起。如法国 m a l p a s s e t 拱坝在1 9 5 9 年初次蓄水时就发生溃决，其失事原因是：“由于渗透压力引 起岩土体变形，而变形又使岩土体渗透性能发生变化，但该坝设计并没有考虑岩土体 渗流与变形的相互作用，最终导致了大坝的溃决”。我国沟后水库1 9 9 3 年溃决，其溃 决过程及原因为坝顶防浪墙底板与钢筋混凝土面板间的水平接缝橡胶止水失效，在水 位超出防浪墙底板时，库水经该缝大量深入坝内，而由于设计不周、填筑不当，坝体 质量欠佳，造成坝壳排水不畅，渗流从下游坝坡高处逸出，引发上部坝体首先滑动， 形成溃口口门，导致大坝的完全溃决【1 1 。 由表1 1 可知，国外垮坝事故中，管涌和渗漏造成安全事故或垮坝最多，占5 2 5 。 表1 2 是国内2 4 1 座大型水库发生的1 0 0 0 宗工程事故分析【2 】，渗流管涌塌坑占3 4 2 ， 占据1 3 。 表1 1 国际大坝安全事故或垮坝统计表【3 l 表1 2 国内1 0 0 0 宗工程事故不同破坏类型所占比例【3 l 大量的工程资料和实践经验表明【3 】：大坝在汛期发生的各种险情中，天部分是由 南京水利科学研究院硕士论文 于渗透破坏造成的。渗流造成管涌险情等局部稳定隐患和滑坡等整体稳定隐患。因此， 须对大坝的渗流状况进行监控与分析，并对其渗流发展态势及时预测与预报，防忠于 未然。 工程实践表明4 h 6 1 ，大坝安全是渗流场与应力场、温度场等共同作用的结果，单 一研究渗流场分析大坝安全存在一定的局限性。因此，考虑多场影响下的大坝安全是 今后的研究趋势。 ( 2 ) 利用温度场来探测和预报渗流场是重要的新手段 大坝渗流场的工程实际研究都采用监测手段，对监测资料进行统计分析和反馈模 拟来评价大坝渗流安全性。但是，由于大坝工程问题的复杂性和渗流场自身的地下隐 蔽性，常规点式渗流监测由于测点分布的局限性可能不够全面。因此寻求更多或更完 整的监测手段和分析技术是渗流场监测和评价所需要努力的方向。 近年来，国际上逐渐将连续性的温度示踪技术引入渗流场监测领域，应用效果表 明，利用大坝温度场反馈大坝渗流场将是一种很好的辅助手段。这种方法主要依据于 大坝的渗流场和温度场是相互依存、相互作用和相互影响的事实。渗流场的变化尤其 是渗透流速的改变将促进大坝内部的热量传递与交换而影响大坝温度场的分布；同时 温度场的变化将会引起水的粘度及坝体渗透特性的变化，还可能引起水的相变，这些 都会改变土石坝渗流场分布。因此，利用温度场反馈分析大坝渗流状况，揭示渗漏隐 患是可行的。 目前，国内外学者已经有将此技术应用于工程实践的报道【7 】- 【1 2 】。应用结果都说明 可利用温度场来评估渗流场和渗漏状态。国内外对大坝温度场的监测和研究大都针对 混凝土坝开展，而对土石坝温度场的系统测量和分析研究较少，且大都限于定性分析。 基于以上考虑，本文将重点针对面大量广的土石坝开展分析研究，尝试利用分布 式光纤温度监测系统，从土石坝渗流场与温度场基本参数入手，通过室内模型试验和 数值模拟研究两场耦合变化规律，探索土石坝渗流场与温度场耦合方法反馈分析土石 坝渗流状况，期望及早发现土石坝渗漏隐患。 1 2 渗流场与温度场的耦合分析研究现状 1 2 1 土石坝渗流场研究现状 自1 8 5 6 年达西实验定律创立以来，渗流场的研究手段主要有现场监测、室内外 第一章综述 测试和室内模拟试验、数值模拟计算和理论分析计算。从连续的多孔介质到离散的裂 隙介质，从饱和渗流到饱和非饱和渗流，目前都可以对其渗流场进行分析研究。研究 的关键是岩土体的基本参数的正确测定和研究范围的边界条件。其中试验模拟技术和 现场监测技术以及模拟方法都决定了渗流场研究的可信度和研究精度。 工程实际应用中，渗流场的安全监测主要包括渗流量和渗流压力监测。总体上， 常规的测压管和渗压计监测本质上都是点式监测，且对大坝重点部位进行监控，无法 做到空间连续式监测，在监测中尚存在一定盲区。因此，寻求空间渗流场的连续性监 测是今后重点发展趋势和有待突破的技术。 近几年发展起来的分布式光纤温度监测技术以温度示踪技术为基础，利用光纤高 精度、分布式的特点，在大坝安全渗流监测中得到了一定的应用【1 3 1 【17 1 。但是，用温 度示踪技术监测渗流在国内外还处于探索研究阶段，需要加以详细试验，探讨反馈技 术的适用性和具体要点，并进行现场监测对比，以便于该技术的深入推广。 1 2 2 土石坝温度场研究现状 目前，国内外对大坝温度场的研究仅局限于对混凝土坝的研究上，对该类大坝的 现场监测和室内外实验以及模拟分析开展较多，也取得了很多实质性成果，解决了不 少工程实际问题。而对土石坝温度场则没有开展系统的测量研究工作，只是基于地球 物理场的基础上对其进行了一般性的描述【1 2 j 。 1 2 3 温度场与渗流场耦合分析研究与进展 ( 1 ) 耦合模型和模拟分析 耦合理论在上世纪7 0 年代由美国科学家w i t h e r s p o o n 的正式提出，经过8 0 年代 的完善与发展，其研究主要都局限于工程岩体地下水渗流场与应力场之间的耦合作 用。在此期间b a r t o n 1 8 】对工程岩体地下水渗流场、应力场与温度场之间的耦合作用 进行了初步的研究。进入9 0 年代，瑞典学者j i n g 1 9 】给出了相对较系统的岩体地下水 渗流场、应力场和温度场耦合作用的研究模型，但从模型的简化实用角度还研究不够。 我国对该领域的研究始于8 0 年代末期，刘继山f 2 0 】、仵彦则2 1 】【2 2 1 、柴军瑞【2 3 】 2 6 1 等学者对此较早地进行了探讨和研究。目前，多场耦合研究成为国内各工程领域的研 究热点。与国外研究情况类似，国内耦合研究还是侧重于渗流场一应力场、温度场应 力场、渗流场应力场温度场之间的耦合作用研究，而且各种耦合研究基本都是侧重 数学物理方程的推导和有限元程序的建立。李宁等根据静力平衡方程、质量和能量 守恒原理推导出寒区复合地基的温度场、水分场与变形场的三场耦合控制方程，并在 南京水利科学研究院硕士论文 此基础上开发了三场耦合的有限元软件。韦立德等口8 在探索多场耦合理论的基础上， 开发出了考虑渗流场温度场应力场耦合的三维弹塑性有限元程序。吉小吲2 9 】对饱和 多孔岩体中温度场渗流场应力场耦合进行了理论分析与有限元程序算法推导 目前，大坝工程中有关渗流场应力场、应力场温度场之间的耦合研究比较多， 在工程实践中也得到了较好的应用。对于温度场与渗流场的耦合研究，国内人员也进 行了有益的探讨。王如宾【3 0 】提出了单裂隙岩体温度渗流场与温度场耦合数学模型，柴 军瑞3 1 1 提出了大坝周围岩体渗流场与温度场的耦合数学模型。董海州将渗漏通道 看作是一个线热源，利用虚拟热源法推导出土中温度公式，提出了利用钻孔测温探测 堤坝渗漏的模型。陆艳梅【3 2 】提出了大坝渗漏传热模型，并在模型的基础上对影响温度 场分布的因素( 土体水流速、土体热物理性质) 进行了定量的分析研究。白兰兰【3 3 】 提出了裂隙热流模型，对利用钻孔温度分布探测裂隙渗漏及定量计算渗漏量进行了研 究。陈建生，董海洲等【3 4 】利用虚拟热源法研究坝基裂隙岩体中存的集中渗漏的情况， 提出了堤坝渗漏量的虚拟热源法模型。王新建【3 5 】等根据能量守恒原理和质量守恒原 理，对大坝集中渗漏通道进行简化，并根据钻孔测温建立了圆柱状堤坝渗漏温度示踪 模型。 ( 2 ) 温度示踪反馈渗流场 利用温度场与渗流场的相互影响关系，可对温度场进行详细监测、模拟和分析， 继而反馈和预测渗流场的变化，国内外在混凝土工程中已有不少研究。工程技术人员 也有应用温度这一良好的示踪参数来预报渗流场的特征以及渗漏情况。 瑞典s a mj o h a n s s o n 9 】根据现场坝体埋管监测到的长期温度数据定性分析了瑞典 多座水库大坝的渗流状况，并为一些水库的除险加固效果做出了有益的评估工作。周 志芳等【3 6 】采用数值模拟、类比和回归等方法对电站峡谷地区地下水温度场作了系统的 分析，根据地下水温度异常特征，定性研究了区域地下水的渗漏状况。肖才忠i l l j 等通 过对坝基和库水温度在建坝前后的对比分析，以及三维有限元模拟技术对坝基渗漏进 行了定性研究，结果表明利用温度场探测坝基渗漏是可行的。王志远等人【3 。7 】利用在帷 幕后排水孔中周期性测量水温研究坝基渗流场，其结果表明，坝基温度稳定但分布较 不均匀，与库水温度、地质条件和施工质量有密切关系，证实了利用温度监测渗流的 可行性。董海洲等1 3 8 】利用钻孔中周期性温度监测结果，应用对比分析技术，发现了深 基坑地下连续墙裂缝位置，解译出基坑渗水的原因。刘建刚掣”】利用平面热源法分析 北江石角段堤基内地下水实测温度场，判断出岩层中断层的位置、产状和渗透性，并 第一章综述 认为断层是强透水通道。陈建生等【4 0 】根据地下水温度长期监测结果，分析研究堤防的 集中渗漏通道，认为温度是地下水运动的良好的天然示踪剂，通过钻孔测温可以反馈 分析堤防渗漏情况。 近几年发展起来的分布式光纤温度监测技术以温度示踪技术为基础，利用光纤 高精度、分布式的特点，在大坝安全渗流监测中得到了一定的应用【1 3 】。【17 1 。望燕慧等 【4 l j 利用分布式温度光纤系统，将系统温度变化后的测温曲线与初始温度曲线对比分 析，定性确定了混凝土面板堆石坝趾板渗漏位置。结果表明，温度曲线上降幅最大的 位置处就是渗漏点。利用温度示踪技术监测渗流在国内外还处于探索研究阶段，需要 加以详细试验，探讨反馈技术的适用性和具体要点，并进行现场监测对比，以便于该 技术的深入推广。 尽管国内外学者对渗流场与温度场的耦合进行了大量的研究，但其研究工作大 都集中在两场耦合数学模型及其数值解的建立上，而且这些模型大多建立在理想的条 件下，远不够成熟，加上模型中的参数实际难以测得，因此，在利用其分析解决实际 工程问题时只作为一项辅助手段。最近陈建生、董海洲【1 2 】等提出了定量评估大坝渗漏 的热源模型。该模型以能量守恒计算渗漏量，以图示法计算渗漏通道半径，实现了温 度场定量探测堤坝渗漏模型的实际工程应用，但其精度和实际效果还不甚理想。该方 法中的测温采钻孔点式测温，测值易受钻孔位置、钻孔内水体流动和测温方法精度等 因素的影响。该模型基于堤坝存在稳定集中管涌渗漏的情况而建立，因此对于渗漏破 坏( 流土、接触冲刷) 的其他情况则不适用。在大坝安全监测中，利用温度场探测渗 流场，关键是要实现温度对大坝渗流状况的实时监测、实时分析，相比较而言，该方 法仅仅适用于探测大坝存在集中渗漏的情况。因此，该方法存在很大的局限性。 相比大坝渗流场、温度场单一分析研究，目前针对土石坝渗流场和温度场的耦 合研究还相对比较少且不成熟。另外，因监测仪器精度和监测方法的局限，土石坝渗 流场和温度场的耦合研究还有待进一步深入。对于渗流场与温度场的耦合分析，除了 在数学模型和数值解法等方面加强工作外，还需从室内外模拟试验、现场监测等方面 开展深入系统研究。重点对两场相互影响机理和相互规律的揭示进行研究，为工程实 践上利用温度场示踪和反馈渗流场提供技术支撑。同时，在监测仪器和监测方法等手 段上还需进一步研究创新。 南京水利科学研究院硕士论文 1 3 本文的主要研究内容及研究方法 本文在阅读了国内外大量文献，在总结分析国内外对土石坝渗流场与温度场耦合 研究现状的基础上，针对目前两场耦合研究方法和测温手段的局限，提出本文的研究 内容和技术方法。 1 3 1 主要研究内容 本文在阅读了国内外大量文献的基础上，进行了以下几方面的研究工作： 给出了渗流场和温度场的耦合数学模型，在分析其变化规律的基础上，利用高精 度分布式光纤测温系统( d t s ) ，进行了不同工况下的渗流场和温度场的一维渗流( 圆 筒模型) 温度场分布和二维渗流( 水槽模型) 温度场分布的两场耦合试验。从渗流水 头、渗透坡降和渗流量以及温度、温度梯度等来分析相应渗流场和温度场的各自变化 特征和规律，重点研究温度场特征指标变化对渗流场的影响和敏感性。另外，根据两 场耦合数学模型推导出两场耦合有限元数值解公式，进行了相应条件下的数值模拟反 馈分析研究，还通过数值模型对渗流场基本参数( 渗透系数、渗流水头等) 和温度场 基本参数( 比热容、热传导系数等) 进行了敏感性分析，最后对温度场示踪渗流场的 方法和规律特征进行了分析研究。 ( 1 ) 建立两场耦合数学模型。分析渗流场与温度场两场相互作用的机理，建立 渗流场影响下的温度场分布数学模型和温度场影响下的渗流场分布数学模型。 ( 2 ) 分布式光纤测温系统( d t s ) 测量方法验证试验。在实验室内对分布式光 纤测温系统( d t s ) 进行测温试验，根据试验结果制定出圆筒和水槽模型试验温度测 量方法和光纤布置方案。 ( 3 ) 一维渗流( 圆筒模型) 温度场分布的两场耦合试验。在2 5 c m 、3 5 c m 、4 5 c m 三组水头差下，热水从直径2 0 c m ，高4 0 c m 圆筒底部进入，经桶内填砂溢出圆筒项 口，在此过程中，通过测压管读数和埋设在砂土内的光纤自动测温值，建立渗流场与 温度场之间的耦合关系。通过对d t s 系统温度测值的解译，建立砂土内5 点温度变 化过程线，并根据温度变化过程提出温度场反馈渗流场的方法。根据圆筒顶部溢流口 渗流量，研究温度作用下砂土渗透系数的变化规律。 ( 4 ) 二维渗流( 圆筒模型) 温度场分布的两场耦合试验。在2 0 c m 、4 0 c m 、6 0 c m 三组水头差下，3 0 热水从长宽高为4 5 m 0 3 m 0 3 m 的水槽上游侧流入，经槽内 第一章综述 填砂从水槽下游顶端流出，在此过程中，通过水槽底部、侧部的测压管读数和埋设在 槽内砂土中的光纤自动测温值，建立渗流场与温度场之间的耦合关系。通过对d t s 系统温度测值的解译，建立不同时刻的水槽测压管等值线图和温度变化等值线图，并 根据等值线图分析温度场反馈渗流场状况的可行性，提出温度场解译渗流场的方法。 ( 5 ) 渗流场与温度场耦合数值模拟研究。利用g e o s t u d i o 建立试验圆筒和试验水 槽渗流场与温度场两场耦合有限元模型，对渗流基本参数( 渗透系数、渗流水头等) 和温度场基本参数( 比热容、热传导系数等) 进行了敏感性分析，从而研究温度场示 踪渗流场的方法和规律特征。结合物理模型测值，对建立的数值模型进行对比，验证 数值模型的正确性和适用性。 1 3 2 主要技术路线 本文主要采取理论分析、实验室物理模型试验、数值模拟分析等方法分析研究了 渗流场与温度场的耦合变化规律。进行了不同参数条件下的一维渗流( 圆筒模型) 温 度场分布和二维渗流( 水槽模型) 温度场分布的两场耦合试验。利用分布式光纤温度 测量系统和渗流监测系统，试验测定了在不同水力条件、不同环境条件下的圆筒模型 和水槽模型内温度场以及渗流场的空间分布规律和时间序列变化趋势，从而研究温度 场与渗流场的耦合变化规律，探索利用分布式光纤温度监测技术反馈大坝渗漏的定量 评估方法。 基于质量守恒和能量守恒原理，在一定假设条件的基础上，给出了土石坝渗流 场与温度场的耦合方程，并应用伽辽金法导出了耦合问题的有限元法计算公式。 本文利用g e o s t u d i o 建立试验条件的数值反馈模型，对渗流场基本参数( 渗透系 数、渗流水头等) 和温度场基本参数( 比热容、热传导系数等) 进行了敏感性分析， 从而研究温度场反馈渗流场的方法和规律特征。 南京水利科学研究院硕士论文 第二章土石坝渗流场与温度场耦合基本理论 到目前为止，国内外不少学者数值模拟分析了混凝土坝的渗流场和温度场的变 化，如柴军瑞【3 0 】，朱岳明【4 2 】等研究了混凝土坝渗流场对温度场的变化影响，朱伯芳 等( 1 9 7 6 ) 以考虑渗流的一维导热方程的解析解为基础，分析了坝体渗流随坝高、水头 与渗透系数的变化对坝体稳定温度场的影响。但是对于土石坝的类似研究尚未开展， 既没有系统地测量过土石坝的温度场，也没有从理论上研究过渗流对土石坝温度场的 影响。为了解决这一工程实际问题，客观地反映渗流场与温度场之间的相互作用关系， 研究土石坝渗流场与温度场耦合分析的数学模型具有重要的理论意义和实用价值。本 章由土石坝渗流理论和热传导理论，分析了渗流场与温度场之间的相互影响机理，给 出了土石坝渗流场与温度场的耦合数学模型。 2 1 土石坝温度场对渗流场影响的机理 土体渗透特性决定于土的介质特征( 颗粒大小、结构排列和孔隙率等) 和土体内 流体的特征。一般有式【4 3 】 尼：g n d 2 0( 2 1 ) t z 2 3 2 v 式中：k 为土体渗透系数，c m s ； g 为加速度，m s 2 ；刀为土体孔隙率；d o 为土体的有效孔隙直径，c m ； 1 ，为液体的运动粘滞系数，c m 2 s ； ( 1 ) 温度对液体运动粘滞系数的影响 由式( 2 1 ) 可见，土体的渗透系数与流体的运功粘滞系数成反比，而流体的运 动粘滞系数又是温度的函数。一般的，水的运动粘滞系数按下列经验公式计算 4 4 1 ，画 出图2 1 所示的关系曲线。 1 ，： q ：旦! z z ! =t，22)1 ，= z - z ， 第二章土石坝渗流场与温度场耦合基本理论 图2 1 运动粘滞系数与温度的关系曲线 从图2 1 可知，o 。c 时的v 是5 0 时的3 2 倍，是1 0 0 的6 5 倍，水温的变化对运动粘滞 系数v 影响较大。说明温度场是通过影响土体内液体介质的运动粘滞系数来改变渗流 场分布的，这就是温度场影响渗流场的一个主要方面。 ( 2 ) 温度对液体密度的影响 温度变化会引起水流密度变化，参见表2 1 ，影响渗流在土体中的速度，从而影 响渗流场的分布。由表2 1 可知，温度越高，水体密度降低，5 1 3 0 水体密度比4o c 水 体密度降低0 4 3 。可见，温度对水体密度的影响并不是很大，其影响在两场耦合时 可忽略。 表2 1不同温度下纯水的密度【4 5 1 温度( ) 密度( g m 1 )温度( ) 密度( g m 1 )温度( ) 密度( g m 1 ) 4 1 0 0 0 0 0 01 30 9 9 9 4 0 62 20 9 9 7 8 0 l 50 9 9 9 9 9 21 40 9 9 9 2 7 32 30 9 9 7 5 6 9 60 9 9 9 9 6 81 50 9 9 9 1 2 92 40 9 9 7 3 2 7 70 9 9 9 9 31 60 9 9 8 9 7 22 50 9 9 7 0 7 5 8 0 9 9 9 8 7 71 70 9 9 8 8 0 4 2 60 9 9 6 8 1 4 9 0 9 9 9 8 0 91 80 9 9 8 6 2 52 70 9 9 6 5 4 4 1 00 9 9 9 7 2 81 90 9 9 8 4 3 22 80 9 9 6 2 6 3 1 10 9 9 9 6 3 42 00 9 9 8 2 3 42 90 9 9 5 9 7 6 1 20 9 9 9 5 2 62 l0 9 9 8 0 2 23 00 9 9 5 6 7 8 ( 3 ) 温度对水体和土体的热胀效应 土体处于饱和状态，温度的变化会引起土体和孔隙水的体积发生变化。对水而言， 当温度大于4 。c 是，其体积膨胀，孔隙水压力增大。在土体总应力不变的情况下，孔 隙水压力上升将直接导致土体有效应力减小，进一步引起水体体积及土体体积的变 化。因此，当温度变化时，土颗粒体积、孔隙体积、土体有效应力、孔隙水压力会白 南京水利科学研究院硕十论文 动做出相应的调整，在温度变化过程中达到动态平衡。在动态平衡过程中，土体满足 总体积不变和质量守恒定律，且在实际土石坝工程中，大坝温度变化不大，因此在某 种程度上可以忽略水体和土体的热膨胀效应。 ( 4 ) 温度差形成的温度梯度引起水的流动 另外，根据现有研究表明，温度差形成的温度梯度会引起水的流动，但这个问题 较为复杂，为简单起见，一般仅用温度梯度的经验表达式表示【4 6 1 。 q r ：乜罢一q 娶砬i c a t ( 2 - 3 ) o ：x a y c 7 z 式中：g r 为温度梯度引起的水流通量； d r ，d 一口为温差作用下渗流主轴方向的扩散率； 娶，娶，娶分别为三个方向上的温度梯度。 o o y 必 因此，土石坝温度场对渗流场的影响机理：温度的改变引起水体运动粘滞系数 的变化，从而引起土体渗透系数的变化而影响渗流场分布；另外，温度场的分布不均 导致的温度梯度也会引起的水体的流动，而且温度梯度越大，对渗流场的影响越大。 2 2 土石坝渗流场对温度场影响的机理 在渗流作用下，热量会随着渗流而传递，水流速度越快，温度( 热流) 传递速度 越快。另外，温度( 热流) 传递也会随着渗流方向的不同而有所改变，即沿渗流方向 大。土体本身的热传导的能量等于一胛丁；而渗流所传递的热量为p v t ，因此土 石坝内总热流量为： q=cwpvt-avt(2-4) 单位时间流入单位体积土体的净热量为： 一鲁= 一气风v ( v 聃v ( 名v 丁) ( 2 _ 5 ) 而该热量与单位时间内单位体积土体温度升高所吸收的热量相等，有 c p - = a t _ = - c p w v ( v 丁) + v ( 五v r ) ( 2 6 ) o t 由上式( 2 6 ) 可以看出，温度变化与渗透流速呈负相关，流速越大，温度变化 也就越大，同时当流速大到一定程度时，温度变化仅决定于流速大小，而自身的温度 扩散较小，可以忽略。 第二章土石坝渗流场与温度场耦合基本理论 2 3 土石坝渗流场与温度场耦合数学模型 2 3 1 模型基本假定 土石坝属于连续介质，其渗流场与温度场是互相依存、互相作用和互相影响的。 渗流场的变化尤其是渗透流速的改变将促进大坝内热量的传递与交换而影响温度场 的分布；同时温度场的变化将会引起水的粘度及坝体渗透特性的变化，还可能引起水 的相变，这些都会改变土石坝渗流场分布。两场之间就是这样变化一平衡再变化一再平 衡的循环往复的过程。为简单起见，本文作如下基本假定： ( 1 ) 土石坝属于连续介质，渗流为连续介质渗流； ( 2 ) 土石坝渗流服从达西定律 ( 3 ) 温度的变化不引起水的相变。 ( 4 ) 忽略摩擦生热的影响。 2 3 2 连续介质模型 在大坝研究区域q 内，土石坝渗流场与温度场耦合分析的三维连续介质数学模型 表示为： ( 1 ) 考虑温度场影响的渗流场数学模型 渗流区域q 内任一点p ( x ，y ，z ) 的总水头函数h 满足以下方程【4 7 】： 去他蚤+ 否a 嗨帮o h + 夏0 魄掌a h + 夏0 似孛f f i 0 哆影o t 气0 孛+ g = s 鲁 t - t o ，b 弘z ) q j l z ( 五弘z ，岛) = ( 五弘z ) t - t o ，( 五乃刁q h ( x , y , z , t ) = j i j l ( 五乃z ) t _ t o ，( 五弘z ) r i ( 2 7 ) 七( 刁罢= q ( x , y , z , 0 t - t o ，( 五弘力r 2 概剖+ 阿+ 矧嘞如球l 式中，h 为总水头，m ； 戤，匆，乜分别为x ，y ，z 渗透主轴方向的渗透系数，州s ； h o ( x , y , z ) y gt o 时刻初始渗流场的分布，m ； d x ，d y ，d z 分别为温差作用下x ，y ，z 渗流主轴向的水流扩散率； 魏为渗流源汇项；s s 为储水系数；为给水度；t o 为初始时刻； 南京水利科学研究院硕士论文 丁为该点温度；5 为第一类边界条件，办j 为其上水头分布； 乃为第二类边界条件， 2 为乃法线方向，g 为乃上流量分布； 乃为第三类( 渗流自由面) 边界，抛为乃法线方向。 ( 2 ) 考虑渗流场影响下的温度场数学模型 温度区域q 内任一点p ( x ，y ，z ) 的温度函数瞒足以下方程【4 8 】： 去专+ 罢一锨降掣+ 掣卜鳄 t _ t o ，( x , y , z ) e l l 嬲f 0 3 - r o ( ，x , e , z 、) = t o ( ，x , y , z 、) e t l ( 2 - 8 ) 玎五彭互乇) = 石( 五乃力t _ t o ，( 葛乃刁5 ： 磋刮梆f ) 嘲捌逻 恤，曲罢+ 毗，力多+ 毗，力訇+ 肛咖“圳s 式中，丁为温度函数，； 以，知，疋分别为x ，y ，z 主轴方向的导热系数，k d l ( m k k ) 。 妍为温度源汇项； c 为介质比热，材( 堙) ；c w 为水比热，材( 堙) ； p w 为水密度，姆i m 3 ；p 为介质密度，姆i m 3 ； 喙，w ，屹为渗透流速，m s , t o 为初始时刻； t o ( x ，y ，z ) 为t o 时刻初始温度场的分布； s 为已知温度边界，互( x ，y ，z ，t ) 为s 上的已知温度分布； 是为已知热流量边界，吃为最法线方向，q ( x ，y ，f ) 为是上的已知热流量( 绝 热边界q = 0 ) ： s 为第三类边界条件，传为墨法线方向，为表面放热系数，乃为气温。其 余符号意义同前。 式( 2 7 ) 与式( 2 8 ) 联立构成了土石坝渗流场与温度场耦合分析的连续介质 数学模型。 2 3 3 耦合方程分析 从耦合方程可以看出，方程与单独考虑渗流场和温度场的偏微分方程有一定区 第二章土石坝渗流场与温度场耦合基本理论 别。在描述渗流场的数学模型中，与一般渗流方程相比增加了 - 未( d , a t - ) + 瓦a 【q 面o t ) + 瓦a o 化r ) ，该项考虑了温度变化对渗流场的影响，因此可以准 确描述温度变化下的渗流场。而在描述温度场的数学模型中与一般介质的温度场微分 方程相比增加了_ 成i 亟婴+ 下o w r ) + 堕婴j ，该项描述了在渗流梯度值和渗流方向 优 卵 位 l 影响下的温度场变化，因此可以准确描述渗流作用下的温度场分布。 需要注意的是，耦合模型中的土体渗透系数是温度的函数，随着温度的变化而变 化。因此，在耦合模型中，土石坝介质是非均质的，相应有后= k ( r ) = k ( x ，y ，z ，丁) 。 因此，耦合方程能客观反映土石坝渗流场与温度场之间相互作用、相互影响、相互渗 透的特性。 2 4 本章小结 本章分析了温度场对渗流场影响的机理和渗流场对温度场的作用机理，提出了土 石坝渗流场与温度场耦合的数学模型，并分析了模型的特性。 南京水利科学研究院硕士论文 第三章一维圆筒模型渗流场与温度场耦合试验研究 日前，国内外对上体渗流场与温度场的祸台研究大多为理论建模及数值计算分 析，开展物理模型试验较少。本文根据渗流场与温度场耦台的基本理论，开展了土体 渗流场与温度场祸合的物理模型试验，本章主要叙述了渗流场与温度场耦台一维圆筒 模型试验成果及其分析。进行了不同水头差和不同进水温度条件下渗流场特征指标与 温度场特征指标测试。祸合模型试验主要是利川温度场的变化米反馈渗流场的变化， 囚模型尺寸小，对温度测量精度要求较高。本试验尝试采用分布式光纤温度测量系统 一s e n t l n e l - d t s 进行小尺寸模型试验温度测量。该系统以光纤为载体，同时感测信号 和传输信号，实现连续分枷式测量，可得到光纤沿程的所有信号，具有测温灵敏度高 ( 00 0 1 ) 和精度( 00 1 ) 高的特点。 3 1 试验温度测量方法 3 1 1 温度测量系统简介 本试验温度测量系统采用英困s e n s o r n e t 公司生产的分椰式光纤温度测量系统 s e n t i n e l d t s ，该系统主要包括主机和传感光纤两部分。该系统除具有测温灵敏度高 和测温精度高的特点外，还具有自动采集功能，且数据采集问隔范围广，可根据实际 需要人为设置，晟短阳j 隔可达1 0 s ，能够灵敏地探测温度变化。 传感光纤集传感与数据传输于一体，是系统的重要主成部分，其结构如图3 1 ， 主要包括二氧化硅纤芯、裹在纤芯外围的涂覆层和塑料保护层。 保护最 5 0 1 纤 5 0 剀3 1 试验鹳堪光纤圭占构崮 第三章一维圆筒模型渗流场与温度场襁合试验研究 3 1 2 系统测温原理 分布式光纤测温主要是利用光纤中光脉冲激发的拉曼散射光谱中的反斯托克斯 光携带光纤各点处温度信息的原理，并利用特殊的光时域后向散射( 0 t d r ) 技术逐点 获取光纤中拉曼散射信息来实现的【4 9 1 。 ( 1 ) 温度测量 s e n t i n e l d t s 从主机激光注入端向光纤内发射激光，光脉冲引起光纤内分子热 振动，产生一个比光源波长长的光，称为斯托克斯( s t o k e s ) 光，和一个比光源波长短 的光，称为反斯托克斯( a n t i s t o k e s ) 5 9 _ , t 5 们，如图3 2 。 戈殴f钮 光强差 f 当某点温度发生变化时，光纤中的反斯托克斯( a n t i s t o k e s ) 光光强会发生相应变化， 根据a n t i s t o k e s 与s t o k e s 的光强比值就可以求出该点的温度【5 l 】，如式( 3 1 ) ，利用这 一原理可以实现对光纤沿程温度的分布式测量。 譬= ( v - - v ，i14 p 一筹) is t o k s l， j 式中：v 是激发光的频率，m 是振动频率，h 、七为常数，丁是绝对温度。 ( 2 ) 测点空间定位 光脉冲沿光纤传输时，在光纤内每一点都会产生散射，且该散射是各向同性的， 其中一部分将沿光纤返回。如果从光脉冲进入光纤时开始计时，则不同时刻t 在注入 端收到的散射回波信号便表征着该信号是由距注入端为处的光纤处所产生： 三：丝 2 一( 3 2 ) 式中：三为产生散射的位置，即散射点距注入端的距离；v 为光在光纤中的传播速度， ，为从光脉冲进入光纤到接收到回波信号的时间差。 南京水利科学研究院硕士论文 3 1