（岩土工程专业论文）堤坝集中渗漏温度场探测模型及数值实验.pdf

摘要 摘要 针对以往温度场探测堤坝集中渗漏研究之不足，着重独立地运用温度场，高度模型 化，高度定量化探测堤坝集中渗漏研究。并从简单到复杂、系统分析和研究该问题：从 稳态到瞬态、从一维到多维、考虑渗流影响、不同边界类型、运用回归和优化分析方法 以及进而采用优化设计完成复杂问题的优化达到探漏的目的。本文主要工作如下： 1 ) 依照本研究领域的发展历史，把以往的研究分为三个阶段，其发展趋势是朝着定 量和数值方法计算的方向，从而确立了本文的建立数学模型、理论推导和数值计算为工 作方向和目标。也说明在科学研究中，考察研究领域的研究背景是有必要的。 2 ) 借鉴已有的理论和方法，提出了温度探测集中渗漏的理论和方法，其包含了两个 基本过程正分析和反演。为以后章节建立数学模型和计算提供理论和方法。 3 ) 建立了稳态温度场探漏模型以及更实用的修正模型。从稳态温度场探漏模型研究、 数值实验和工程应用来看，利用稳态温度场探测集中渗漏是有效的手段。并且相对其它 方法其优点是模型最简洁，计算量小，稳定程度高。由于考虑因素不多和诸多的简化， 实践中的误差可能比较大。 4 ) 建立了瞬态温度场探漏模型。瞬态温度场探测集中渗漏，不但计算模型复杂，由 于增加了回归变量，计算不如稳态温度稳定，距离的和时间的探测相对通道方位精度要 低。 5 ) 鉴于瞬态探漏的不稳定性，建立了有渗漏影响的稳态温度场探漏模型。研究结果 表明，渗流对稳定温度场的分布有很大的影响。受渗流影响，离渗漏通道相同距离的温 度曲线已经完全不同。数据和渗流的相对位置将严重影响探测渗漏的有效性和精度。 6 ) 由于解析解的局限性，对难以得到解析解的问题，提出了数值优化方法研究堤坝 渗漏。并建立了该方法的概念性模型，详细论述了实现之具体方法和步骤。 7 ) 最后，给出了本研究领域最终要达到目标温度场探测集中渗漏仿真模型。其 中建立了多渗漏通道温度探测模型，工程实例表明了该模型十分有效。 总之，本文提出利用温度场研究探漏的理论和方法，建立不同情形下的数学模型， 理论推导了诸多模型的解析解，为实现各种模型反分析奠定了基础。基于m a t l a b 编制 了回归和优化程序。对典型的模型进行了数值实验，利用圆柱状稳态轴对称模型做了工 程实践。进一步提出针对复杂边界和初始条件，甚至是非线性模型及耦合模型都能解决 的数值优化方法。为本领域研究打开了广阔的前景。最终提出了该模型研究的仿真模型 和工程应用研究的目标专家系统。即做了大量的实际工作，同时又从整体上确立了 进一步系统研究本领域的轮廓及整体规划。 关键词：集中渗漏，温度场，堤坝安全，数值实验，反分析，回归分析，仿真模型 河瘁土学博士论文j 堤坝霉中拳瞒温度惦谍 _ 挂型敏盘值实齄 a bs t r a c t i nt h ed o c t o r a ld i s s e r t a t i o n ，b a s e do nl i m i t a t i o no ft h ep r e v i o u sw o r k ，t e m p e r a t u r et r a c i n g c o n c e n t r a t e ds e e p a g el e a k a g ei sf u r t h e rs t u d i e db ye s t a b l i s h i n gm o d e l s q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s a n dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o ns y s t e m a t i c a l l y t h ec o n t e n tr e s e a r c h e di n c l u d e s ：s t a b l ea n d t r a n s i e n th e a tt r a n s f e ri nd a m ，o n ea n dm u l t i d i m e n s i o n sm o d e l s ，t h ee f f e c tf r o ms e e p a g e ，t h e d i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt od i f f e r e n tm o d e l s ，t h er e g r e s s i o no ro p t i m i z a t i o n s a r es e l e c t e d t h es p e c i f i cw o r ki nt h i sp a p e ri ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sw o r k , i n v e s t i g a t i o nh i s t o r yi sd i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ，f r o m w h i c ht h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o na r et h et e n d e n c yt os t u d yt h i s q u e s t i o n s oe s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c lm o d e l ，t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n dn u m e r i cc o m p u t a t i o n a r et l l er e s e a r c hm e t h o d sa n da i m s 2 】t h et h e o r ya n dm e t h o da r ep u tf o r w a r df o rt h et e m p e r a t u r et r a c i n gl e a k a g ei nd a m t h e s o l v i n gp r o c e s si n c l u d e st w ob a s i cs t e p s ：f o r w a r da n di n v e r s ea n a l y s i s 3 1l e a k a g e - d e t e c t i n gm o d e l sa n dam o d i f i e dm o d e lo fs t a b l eh e a tt r a n s f e ra r es e tu p t h e n u m e r i ce x p e r i m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o ni n d i c a t et h o s em o d e l sh a v ee f f e c t ，t h ea d v a n t a g e sa r e t h em o d e li sc o n c i s e ，c o m p u t a t i o ni ss m a l l ，a n dt h er e g r e s s i o ni ss t a b l e b u tt h es l i g h tl a r g e r e r r o rm a yr e s u l tf r o mh y p o t h e s i z e sa n ds i m p l i f i c a t i o n s 4 1d e t e c t i n gm o d e l sb yt r a n s i e n th e a tt r a n s f e ra r es e tu p s u c hm o d e l sa r el e s ss t a b l ea n d p r e c i s ed u et ot o om a n yv a r i a b l e s ，a n dt h ed i r e c t i o nv e c t o rc a l c u l a t e di sm o ea c c u r a t et h e nt h a t o f r e g r e s s e di n t e r c e p to f t h el e a k a g ep l a n ei nd a ms p a c e 5 1l e a k a g e - d e t e c t i n gm o d e l so fs t a b l eh e a tt r a n s f e ra f f e c t e db ys e e p a g ea r ee s t a b l i s h e d t h es e e p a g ea f f e c t i n gt h et e m p e r a t u r ei sd i s t i n c t 6 、t h en u m e r i c a lo p t i m i z a t i o ni se m p l o y e dt os o l v et h ee q u a t i o n so ft h em o d e l st h a tc a n t b es o l v e db ya n a l y s i s t h ew a ya n dt h es t e p st os e tu pt h i sm o d e la r er e p r e s e n t e di nd e t a i l s 7 ) i no r d e rt od e t e c tc o n c e n t r a t e dl e a k a g em o r ea c c u r a t e l y , t h es i m u l a t em o d e li sa d v i s e d t os e tu p a n ds o m ed e t a i l sa r ed i s c u s s e d i nb r i e f , al o to fs p e c i f i cw o r ki sd o n ei n c l u d i n ge s t a b l i s h i n gm a n ym o d e l s ，d e r i v a t i o no f t h ea n a l y t i ce x p r e s s i o n s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i n ga n dt e s t ，a p p l i c a t i o no fam o d e l ，c o m p i l i n g m o d e lc o d e so fr e g r e s s i o na n do p t i m i z a t i o na n ds oo n t h em o d e le m p l o y i n gn u m e r i c a l o p t i m i z a t i o na n ds i m u l a t i o nm o d e ld e t e c t i n gc o n c e n t r a t e dl e a k a g ea r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ef i e l d ，c o n c e n t r a t e dl e a k a g e ，d a ms a f e t y , n u m e r i c a le x p e r i m e n t ， i n v e r s ea n a l y s i s ，r e g r e s s i o na n a l y s i s ，s i m u l a t i o nm o d e l 】厶一 刖蟊 土石堤坝是由土石料构筑的，而土石料具有一定程度的透水性，特别是在持续高水位 下，如果填筑的土料选择不当或夯压不实，渗透到坝体内部的水分即会相应增加，浸润 线和逸出点也会明显抬高。土石坝体土质抗渗能力极其不均匀，在上下游水位差形成的 压力作用下，渗流作用相当普遍。在长期复杂的自然环境条件影响、各种内外力和强大 的渗透力作用下，堤坝中天然地质结构构造、整治施工中的质量缺陷、生物破坏引起的洞 穴、各种裂缝以及建设时人为薄弱环节往往会导致堤坝渗漏破坏。堤坝渗漏是严重影响 坝体安全的主要形式，渗漏的进一步发展就形成集中渗漏通道，将可能导致坝体或坝基 的塌陷或坍滑。堤防和土石坝破坏实例调查结果表明，由于渗透稳定性造成的破坏与失 事占整类事故的4 0 以上。 为了有效治理堤坝渗漏，首先要查明堤坝渗漏的位置，渗漏强度和渗漏范围。温度场 属于天然物理场，在探漏中，不需要人工形成特定的物理场，减少了探测工序的环节， 不需要人工形成特定物理场的设备和装置，同时也不需要象同位素示踪法进行昂贵的同 位素测定，也不需要象地震和电法一样做复杂的信号处理，温度场测试不会给地质体产 生附加效应。所以利用温度场探测堤坝的渗漏有成本低廉，高效，节能环保等突出优点。 本文在阅读大量有关文献的基础上，针对研究领域的不同特点，划分了研究阶段。鉴 于该领域的研究不足：模型化程度低、独立进行渗漏通道探测程度低、研究以定性分析 为主、模型也仅集中在热源法。由于理论研究的不成熟直接导致在应用上不能独立的计 算渗漏通道的各种参数，或模型严重依赖其它方法的测试数据，对勘察孔有要求严格， 参数难以确定等缺点。本文在高度模型化，定量化和独立化方面做了深入研究。 首先提出利用温度场研究探漏的理论和方法，建立不同情形下的数学模型理论推 导了诸多模型的解析解，为实现各种模型反分析奠定了基础。基于m a t l a b 编制了回归 和优化计算程序。对典型的模型进行了数值实验，利用圆柱状稳态轴对称模型做了工程 实例。进一步提出针对复杂边界和初始条件、甚至是非线性模型及耦合模型都能解决的 数值优化方法。为本领域研究打开了广阔的前景。最终提出了温度探漏仿真模型和工程 应用研究的目标专家系统。即做了大量的实际工作，同时又从整体一t - _ 确立了进一步 系统研究本领域的轮廓及整体规划。 本研究获如下基金项目资助： 国家自然科学基金重点项目：重大水工混凝土结构隐患病害检测与健康诊断研究( 同 位素示踪研究部分) ( 5 0 1 3 9 0 3 0 ) ； 国家自然科学基金：裂隙岩体渗流能量传递热源法及示踪理论研究( 5 0 1 7 9 0 0 9 ) 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 以年，只 河海大学、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) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 0 6 年f ，真旷日 柯奄太学博士论文二堤坝集宁摩镰温度刍撼邂模型反数值窭骚 第一章绪论 1 1 课题研究意义 1 1 1 理论意义 长期以来，对堤坝集中渗漏探测的理论研究主要集中在传统物探方法，例如电法，地 震，磁等，而温度场探测仅仅是作为一种辅助手段。能否从理论上证明独立地利用温度 场探测堤坝集中渗漏( 以下简称探漏) 成为这一领域研究的前提和基础。建立可靠、实 用的温度场探测物理模型成为研究主要内容和研究焦点。由于堤坝存在渗流，其传热偏 微分方程具有了特殊的物理含义，丰富和扩展了数学物理方程的内容。对如何研究和求 解这种新类型方程提出了理论要求。同时，温度场探漏成为堤坝渗漏研究的一个延伸， 丰富该领域的理论和扩展岩土体热物理特性的研究都很有意义。在探索新方法，理论的 新应用上具有启发作用。 1 1 2 实践意义 土石堤坝是应用最广泛的挡水建筑物之一，土石坝具有可就近就地取材、对地质、 地形条件要求不高、构造简单、施工技术易于掌握、具有一定的抗震性等优点。我国有 2 6 1 1 万余公里堤防和数万座小水库土坝，在蓄水灌溉、防洪、发电等方面都发挥了巨大的 作用。每年汛期主要凭借这些堤坝挡御洪水。由于土石质堤坝是由土石料构筑的，而土 石料具有一定程度的透水性，特别是在持续高水位下，如果填筑的土料选择不当或夯压 不实，渗透到坝体内部的水分即会相应增加，浸润线和出逸点也会明显抬高。土石坝是 由松散颗粒的集合体土石料填筑而成，而土石料间的联结强度低，同时由于工程场 地条件的限制，土石坝体土质抗渗能力极其不均匀，在上下游水位差形成的压力作用下， 渗流作用相当普遍。在长期复杂的自然环境条件影响、各种内外力和强大的渗透力作用 下，堤坝中天然地质结构构造、整治施工中的质量缺陷、生物破坏引起的洞穴、各种裂缝 以及建设时人为薄弱环节往往会导致堤坝渗漏破坏。堤坝渗漏是严重影响坝体安全的主 要形式，渗漏的进一步发展就形成集中渗漏通道。 堤坝形成集中渗漏通道后，由于土体结构已经遭受破坏，在较强的类似于管道流的水 体冲刷下，对周围土体迸一步掏蚀，会导致这些土体进一步向管道内部坍塌，并被带走， 致使通道越来越大。管道半径增大将进一步导致管道内的流速加大，从而对周围土体的 冲蚀相应增加，将可能导致坝体或坝基的塌陷或坍滑。其演变过程通常是从润湿一散浸 一流土、管涌一集中漏一塌陷或坍塌一溃决”3 。 堤防和土石坝破坏实例调查结果表明，由于渗透稳定性造成的破坏与失事占整类事 故的4 0 以上“1 。根据我国近期堤防险情的分析“，其中渗漏是最主要隐患之一，因而 渗透作用对土质堤坝的安全和稳定危害很大。 诗论 因而管涌和集中渗漏通道形成后，必须及时进行抗渗处理，以防止集中渗漏继续发展 造成的堤坝险情。但是在实施抗渗措施之前，对堤坝中的渗漏通道的位置，流量大小，渗 漏范围必须有比较准确探测。只有在准确探测以上渗漏通道特性的前提下，才能设计出合 理抗渗处理措施以及抗渗措施范围，抗渗力度等，以达到事半功倍，减少工程实践的盲目 性。长期以来，堤坝探漏研究已经成为水利工程和岩土工程的一个重要研究课题。 温度场探漏是该领域的新课题，属于天然示踪法的范畴。天然示踪是区别于人工示踪 法而提出的，它通过地下水温度，电导，磁场、天然同位素等天然存在的物理场特征以及 这些物理场因渗漏通道存在时的异常特征对比研究，分析计算堤坝中的渗漏通道位置及 其它特性，从而达到探渗目的。 从阻上分析可以看出，温度场属于天然的物理场，因而在探漏中，不需要人工形成特 定的物理场，减少了探测工序的环节，不需要人工形成特定物理场设备和装置，同时也 不用象同位素示踪进行昂贵的同位素测定，也不象地震和电法一样做复杂的信号处理， 进行温度场测试不会给地质体产生附加效应，特别是相对于人工同位素，不会对人体产 生任何辐射，在地质体中产生遗物等。所以利用温度场探测堤坝的渗漏有成本低廉，高 效，节能环保等突出优点。 本文在以往研究的基础上，在温度场探渗的定量化，模型化和独立化上做迸一步深化 工作，推动本领域理论研究发展和实践应用，为有效治理堤坝渗漏设计、施工提供科学依 据和建议。 1 - 2 堤坝渗漏探测方法概况 按照探测过程提取信息前对地质体产生的影响，探测的方法可分为有损法和无损法。 有损法包括坑探、槽探、井探和钻探等。无损法中有电阻率剖面法、自然电场法等常规 电法勘探方法，近年来较多地采用了高密度电阻率法，并开发应用了探地雷达法、瑞雷波 法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁测深法、以及微波遥感、红外测温、地层测温等 探测方法。按照测试物理场对象的来源可以分为天然示踪法和人工示踪法，前者主要包 括水化学聚类法，温度场法，天然同位素法；后者主要包括上述的物探方法。 i 2 1 国内堤坝渗漏探测技术发展简介7 1 1 9 7 4 年，山东省水利科学研究所采用电法进行堤坝灌浆效果评估，在国内首先开展 了堤防隐患探测技术的应用与研究，并于1 9 8 5 年研究形成了一套电法综合探测系统。 1 9 9 2 年，黄河水利委员会物探总队承担了国家“八五”重点科技攻关课题“堤防隐患探 测技术研究”，进行浅层地震反射法、探地雷达、电测深、电剖面、高密度直流电阻率 法、瞬变电磁法、天然电磁场选频法、瞬态瑞雷波法等试验研究。1 9 9 6 年，底青云等将 高密度直流电阻率法用于珠海堤防隐患探测。1 9 9 7 年，吴相安等研究了探地雷达探测堤 坝隐患的可行性。1 9 9 8 年，水利部国际合作与科技司“9 8 8 ”科技计划将堤防隐患探测课 题列为首要任务，并开始组织有关单位开展攻关研究。1 9 9 9 年1 1 月，水利部重大科技 钶海大学博士论文? 婕埙集卞拳；镰度蝰攘潮挂型反a c t 实齄 项目“堤防隐患和险情探测仪器开发”正式启动。2 0 0 0 年8 月，国家防汛抗旱总指挥部办 公室等单位在郑州召开了“全国堤坝隐患及渗漏探测技术研讨会”。此外，国家防总办公 室于1 9 9 9 年先后在湖南益阳和北京大兴建立了堤防隐患探测仪器试验场。并1 9 9 9 年3 月和 2 0 0 0 年7 月，分别在益阳和大兴举行了堤防隐患及险情快速探测仪器场测评会。测评结果 表明，国内堤防隐患及险情快速探测技术得到了快速发展，各种探测方法均有较明显的 进步，特别是硬件水平提高较快。 1 2 2 主要探测方法简介 1 2 2 1 高密度电阻率法 利用的是渗漏通道电阻率“异常”，即渗漏通道电阻率与正常堤坝电阻率有差异，对 渗漏通道进行探测的。可探测电阻率沿水平方向和垂直方向的变化情况，来确定异常体的 水下位置和垂直埋深。该方法采样密度高，具有一定的二维地电断面成像功能，可直观反 映地下不同性质介质变化及异常体的产状和深度。当坝体均匀时，由于浅表部干燥密实、 下部水分增加，视电阻率等值线呈层状分布，从地表( 坝顶) 向下呈降低趋势。当坝体内 存在不均匀土体、裂缝、渗漏通道等隐患时，则视电阻率等值线梯度变化大，成层性差， 出现高阻或低阻异常闭合圈。因此，可依据视电阻率等值线的变化情况及曲线形态，结 合地质情况和坝体结构特征，推断隐患的性质、产状和埋深等情况。 该方法较适用于堤坝裂缝、洞穴、松软层、高含砂层以及其它土质不均等隐患的详查。 对浅部缺陷比较敏感，随着深度的增加，其分辨率( 特别是纵向分辨率) 急剧降低。据电 法勘探的理论，一般只能探测洞径与埋深之比为1 ：1 0 的洞穴。1 。 1 2 2 2 电磁法 瞬变电磁法是时间域瞬变电磁测深法的简称( t e m ) ，它基于电磁感应原理，即以介 质的电( 磁) 差异为基础，通过不接地回线或接地电极向地下发射垂直方向的一次脉冲 磁场，使地下低阻介质产生感应涡流，进而产生二次磁场，观测并研究该磁场的时空分 布特征，以探查地下介质的性质及分布特征嘲。 由于t e m 方法是在没有一次场背景的情况下观测研究二次场( 纯异常场) ，大大简化 了对地质对象所产生异常场的研究。它具有勘探深度大，体积效应小，工作效率高，纵 向分辨率高，受地形影响小等优点。 中国水乖j 水电科学研究院房纯刚“”教授等率先将该方法应用于土坝和堤防渗漏隐患 探测，既可用于堤防和土坝渗漏隐患探测，又可用于渗漏通道定位。 频率域电磁法通过探测堤身填筑材料及基础的电导率是否存在异常区，从而判断堤 防是否存渗漏及其所在位置，频率域电磁法是探测堤防和土坝渗漏的一种有效方法，该 法具有探测深度深、位置分辨率高、操作简便迅速、可以在地面任意移动、不受接地电 阻影响，可作大面积长距离堤防普查，可以直接读取电导率等优点。其缺点是深向分辨 率较低，难以发现埋深较浅和体积较小的异常体，在管涌通道定位准确度方面不如瞬变 电磁法有效。 绪 论 1 2 2 3 探地雷达法 该法是利用高频电磁波( 主频i o 1 0 3 m h z ) 以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线 送入地下，经地下地层或目标体反射后返回地面，为另一天线所接收。当地下介质的波 速已知时，可根据测得的脉冲波传播时间，求出反射体的深度，电磁波在介质中传播时， 其电磁波强度与波形将随所通过介质的电性及几何形态而变化。因此，根据接收到波的 传播时间( 亦称双程走时) 、幅度及波形等资料，可推断介质的结构1 。探地雷达法的应 用前提是能够达到一定的探测深度并获得可分辨的反射波，而其探测效果主要取决于分 辨率。 坝体常由粘土、砂砾石、块石、混凝土等材料筑成。对于土坝，当坝体防渗物质物 性均一，土质干容重较大，碾压密实时，雷达反射波很弱，反射波同相轴连续视频率 均一。当坝体发生渗漏时，局部介质含水量增大，使电导率也增大而产生明显的电性界面 在雷达图像中常表现为低频高强度，并有较强的多次反射。在散浸区，雷达图像常表现 为零星的条带状或断续强反射，以及杂乱反射。探地雷达法适用于堤防隐患普查和详测， 可以探测洞穴、松软层、砂层、护坡或闸室底板脱空以及其它与堤身填筑材料有明显电 性差异并具一定规模的异常体等。在隐患埋深小于1 0 米时，探测效果较好“”。 1 2 2 4 瑞雷波法 该法是利用瑞雷波在层状介质中的传播速度随激发频率而变化的频散特性，对地下介 质进行探测的一种地震勘探方法。瞬态瑞雷波法适用于探测堤坝松软层、洞穴、护坡或闸 室底板脱空以及堤身或堤基的加固效果评价等，也可测定堤坝介质的动弹性力学参数，并 对饱和砂土液化进行初判o “。该方法一般在检测堤坝松软层时效果较好。在洞穴、裂缝及 渗水等隐患探测时，尚应加强频散曲线正演分析反演解释研究，并进行激发和接收条件的 改进，以及检波距的试验选取。探测结果表明，当深度小3 0m i n i ，频散曲线与介质弹性界 面有较好的对应关系“”可直接推断界面位置，且可据异常幅值判断软弱层的强度特性和 范围。 1 2 2 5 浅层地震法 浅层地震法主要指浅层地震折射波法和浅层地震反射波法。前者是指利用地震波折射 原理对具有波速差异的介质层进行探测的方法。后者是指利用地震波反射原理对具有波阻 抗差异的介质层进行探测的方法。基于堤坝隐患与正常堤坝的波速及波阻抗差异，可以采 用浅层地震折射波法和浅层地震反射波法等浅层地震技术进行堤坝隐患探测。浅层地震反 射波法适用于探测松软层、洞穴、高含砂层、护坡或闸室底板脱空以及堤身或堤基加固效 果评价等；除了要求隐患与其周围介质之间有明显的波阻抗差异、性质稳定外，隐患埋深 应在该方法探测深度范围内，且其厚度或规模要大于有效波长的1 4 “。探测深度较大时， 宜选用纵波反射法；反之，宜选用横波反射法。现场工作时，同样应重视激发、接收条件 以及检波距的试验研究。 1 2 2 6 同位素示踪法 4 何谆土学博士论文j 堤幢杂中摩漏温度场攮谢挂型反抠值实晗 在放射性探测技术中，同位素示踪技术是探测堤坝渗透性及其管涌的一种有效方法。 所谓同位素示踪法就是利用放射性同位素做标记物，研究地下水渗流运动规律的方法，包 括单孔稀释法、单孔和多孔示踪法。河海大学陈建生等o ”唧在这方面作了许多研究和实践 工作。该方法可通过天然示踪方法测出地下水中的溶剂强度、电导率、p h 值等参数，然后 利用同位素示踪单孔稀释法测定各地层渗透流速、利用同位素示踪单孔示踪测定水平流 向、利用同位素多孑l 示踪测定注水和不注水条件下的垂向流，进而确定堤坝管涌及管涌区 的渗透性。此外还用于区域地下水运动的研究。 国际上与同位素渗漏有关的研究主要有：p a y n e l 3 0 用于分清湖和泉的水力联系； s t i c h l e r l 3 1 】用于判断对谷地、地下水的水力联系，并计算流速；a k o s y 3 2 1 ，b u r g m a n n 3 3 垮用 于对水库中和下游水间联系的研究，此外德国【3 q 墨西哥【3 5 l 法国3 q 突尼斯相继采用了该方 法判断水库的漏水情况。还有大量的研究【”。4 2 】表明，该方法能够有效的探测和分析地下 水和地表水间的诸多水文地质参数。 1 2 2 7 流场法 流场法是中南大学何继善院士教授等提出的一种测漏新方法，其实质是通过测定 水中人工发送的伪随机电流信号电流场的电流密度模拟异常水流场，以确定堤防渗漏、 管涌的进水部位以及渗漏相对强弱。探测时，要求水深应大于0 5 m 。 1 2 2 8 综合法 综合示踪是利用多种渗漏探测手段对堤坝渗漏探测，对测试结果进行比较，以达到相 互印证目的，从而更大程度上保证了渗漏探测的准确程度。目前综合示踪主要是利用地 下水的温度、电导、天然环境同位素或水化学分等天然示踪法和人工示踪相结合进行渗 漏测试。 水中化学成分分析对于水库或堤坝的渗漏调查有很重要的意义。水中化学成分的形成 是水与地层间长期相互作用的结果，它包含了地下水运移历程以及地层等方面的诸多信 息，是分析地下水补给排的重要依据。由河、湖或水库逃逸出来的水进入地层后化学成 分的变化可以知道水渗漏过的一些地层的天然性质，在许多情况下对下游钻孔或泉中水 的化学成分进行测量可以探明已存在的渗漏路径。通过水化学可以知道钻孑l 与泉水是来 自于地下水还是库水，因而在堤基渗漏评价时，可以利用地下水化学成分特征分析堤基 渗漏的部位、强度等。1 。 堤坝孔隙水主要是库水通过缓慢渗流作用形成的，其次是降水通过垂向渗透缓慢渗入 到含水层中，在长期运移过程中，堤坝孔隙水与地层中的矿物质作用发生溶解、物理化学 反应、蒸发浓缩等作用，水中的矿化度不断提高，从而使地下水具有较高的电导值。电导值 的大小与地下水在地层中的停留时间有关，停留时间越长，其电导值也越高；另外电导值 大小还与地下水流经地层的岩石成分与污染源影响有关。通过测定天然流场中地表水与地 下水电导分布，可以定性分析地层中不同位置地下水电导率变化规律。地下水补给源、赋 存形式和运动方式不同，形成的电导率分布特征也不同。水的电导值可以作为一种天然示 砖论 踪剂，进行地层渗流通道测定，从而确定出地表水对地下水的补给关系。该法不但有助于 查清地下水的渗流情况，而且还可以确定地下水渗漏分布及变化情况。用电导作渗漏示踪 研究仍然停留在定性分析阶段。 1 2 3 国际温度探渗技术现状 通过观测温度分布及其变化来监测坝体、坝基渗流( 简称“渗流热监测”技术) ，是 一项很有发展前途的技术，在美、苏、瑞典等国得到了成功的应用。这一方法是从勘探地 下水所进行的地温研究“4 “得到启发而开始的。1 9 6 5 年起在美国加利福尼亚州塞米诺土坝 上首次进行了一项为期3 年的实测研究。此坝高仅8 m ，地基为砾岩侵入砂岩。沿坝轴线埋 设了3 0 支温度计，下游护坦处也布置了温度计网。通过观测发现，温度计6 月份测出的 低温区正是沿下游坝面可以观察到的渗流量较大区。低温和大量渗漏存在联系，温度测值 和抽水试验所得到的渗透系数间有很好的负线性相关关系。由此可以认为，温度分布图像 可以帮助发现渗漏较严重部位。同时，通过长时间观测掌握了各支温度计的正常变化规律 后，当温度测值一旦偏离正常值时，可以当作是渗流异常的警报而加以注意。关于渗流热 监测的原理，美国“”的研究认为，地下( 坝内) 渗流的存在将对热环境产生明显影响。由于 水的热传导系数和比热与岩土不同，岩土中如有渗水其热学参数必然会改变。如果地下水 不流动，这种影响较小，而流动的地下水会产生冷却的效果。因而地温相对低的部位可能 存在流动的地下水。俄国( 及前苏联) 在渗流热监测上，也做了大量研究。高8 0m 的 明盖恰乌尔冲填式土坝，运行中发现测压管水头有反常变化，说明坝体和坝基内防渗在弱 化。为此除对测压管网观测资料进行定期分析外，还对渗水作了温度监测。在测压管、排 水并和地面出水口等处布置了热敏电阻温度计。通过温度监测，找出了按温度规律与平均 指标间有重大差别的渗流异常区段。研究认为，温度监测费用不大，但能有效地评价心墙 的工作性态，确定最软弱区段的位置( 与施工中用土工仪器发现的“被侵蚀层”位置一致) ， 并证明在一些测压管水位异常升高的部位，坝体内没有形成集中的渗流途径( 因未发现温度 异常) 。后一结论通过重新设置测压管而得到证实( 发现部分原有测压管已老化失灵，其水 位升高的测值是不真实的) 。位于第聂泊河上的俄国罗捷尔任斯克土坝，运行中发现测压管 水位明显异常。1 9 8 4 年以后开展了对坝体坝基测压管内水温的长期观测，根据温度变化曲 线确定了断面测压管内水位出现最大值的时间，并据此计算出了实际的渗透流速。此外所 绘制的渗水等温线与渗流地下水位等高线有良好对应关系。还有研究呻3 结论指出：定期测温 资料不仅能用来可信地评估建筑物目前的性态，还是今后评估建筑物性态的可靠基础。俄 国学者还提出了兼用温度观测结果和指示剂试验( 放水孔和观测孔法) 两者结合的监测渗 流的复合方法。认为水温是渗流路径的集合特性，水温数据可用来评价被研究块体的渗流 不均一性，而指示剂方法可以用来确定渗流速度特性。复合方法的研究始于1 9 7 0 年，以后 曾对布拉茨克水利枢纽两岸土坝基础的渗流条件及伊尔库茨克水利枢纽土坝心墙和防渗帷 幕性态进行实例研究，证明是一种行之有效的方法。在多年工作基础上，俄国学者1 5 1 提出 “将温度状态作为观测土石坝性态的指示因子”的学术观点。认为揭示土石坝缺陷源点的 6 河海土学博士论文? 堤h 集寸拳谒温度惦探 - j 挂型反叛值实骚 最实际方法是观测防渗体心墙、斜墙) 内的温度变化。防渗体温度变化能以相当高的精度 确定局部的渗流流速及渗透系数值，是一个很好的指示因子。乌斯特汉泰1 5 2 】水电站土坝温 度观测所推算出的心墙渗透系数和土工试验值一致。瑞典学者针对测温监测土坝渗流的方 法f 5 3 1 ，研究了土坝中热水力学( 热力学一渗流水力学) 的过程。由能量守恒方程、质量守恒 方程、渗流运动方程及初始条件、边界条件，可以定量描述坝及地基中的热流和渗流场， 据此导出了有关计算公式，设计了数据计算方法及程序。模拟计算表明【5 4 - 5 7 ，当心墙渗透系 数小于( 2 6 ) x1 0 。7 m s 时，坝体温度变化几乎是常数。当渗透系数大于上述值时，可分析温 度的变化较准确地估计其渗透性。此外还有利用温度变化计算地下水与地表水之间交换量 的研列5 8 5 9 1 。 1 3 温度探测渗漏研究现状 温度场探测堤坝渗漏是从无到有的渐进发展的过程。本质上，它是物探技术探测和检 测堤坝安全的发展和延伸。文献幽把这种方法分类为天然示踪法的一种，并给出了天然 示踪法的定义。显然这种定义是借助于分子扩散运动研究领域专业术语，同时也表明了温 度探测渗漏研究的起源。 综观温度场探漏的研究成果，大致可分为以下几个阶段： 1 3 1 完全定性分析 这个阶段是温度用于探测渗漏的启蒙探索阶段，其中不少文献通过简述温度在堤坝 中的异常特征1 6 0 - 6 5 ，绘制反映堤坝异常的温度曲线唧- 6 9 1 ，再参考堤坝环境( 库水或江水， 天气) 温度变化特征，从反映的堤坝场址的地下水的运动特性 7 0 - 7 3 1 判断堤坝中可能存在渗 漏撕0 - 6 4 1 。其中曲线的绘制有两类：a 是绘制垂向温度变化曲线【6 0 粕“9 】；b 是绘制水平温度 变化曲线【6 “吲。为了充分证明温度异常的可靠性，文献【6 7 】并作了不同深度的温度曲线， 某一位置存在渗漏通道，则在曲线的同一水平位置就有不同程度的温度异常。后来的研 究增加了温度平面示意图来分析渗漏性西3 彤“。6 9 ；文献 6 6 ，6 8 ，6 9 1 基于感性认识简单 地阐述了温度探测渗漏的原理。 在这个研究阶段，由于对温度探渗没有提出和建立可靠理论依据和计算模型，因而 常把温度异常曲线和其它物探曲线作定性对比分析，一是和电磁，地震波的测试结果作 对比【6 9 l ；二是和电导值测试结果作对比，或者联合起来作渗漏分析【6 0 捌“8 l 。温度异常的 应用目的也有两种：a 用于定性分析地下水渗漏的流速口2 j ：b 是判定堤坝渗漏的位置。在 对比研究上，文献 6 5 ，6 6 把渗流速度与温度异常作了对比分析。文献 6 0 ， 6 3 作了温 度异常和水位变化关系的对比研究，从图上看温度曲线在不同水位时期可以是截然不同 的形状，与水位升降有一定的相关性。由于渗漏通道和渗流有不同的性质，因而高水位 和低水位可能引起渗透流速的不同进而影响通过土体的水量，进一步导致热量传递和温 度异常的差异，图1 1 、1 2 是这种关系的图示。 在这个研究层次上，文献 6 7 ，6 9 是用温度独立研究堤坝渗漏的突出代表，并对温度 绪论 图1 1 文献6 0 水位升降时温度曲线特征 图1 2 文献6 3 不同水位下的温度曲线 数据的采集仪器采集方法，影响因素作了较为详细的论述，提出对温度数据进行了一系 列的校正，其中包括t n 温探头校正，日温变化校正；深度校正、地形校正、岩性和地貌 校正等。这些在没有温度探漏数学模型为基础的校正，有时是很难操作的，特别是校正的 幅度，各个因素的校正系数相对比例等的确定上；同时校正还要考虑热传导的滞后效应一 一时效问题等。 温度的采集手段主要分两类，一是 6 0 - 6 s 】来自于钻孔中的水温，这类情况下，温度异 常分析常常是作为补充手段，钻孔一般不是为研究温度异常而特别设置的。温度分析的 精度会受到钻孔自身对流换热的影响，分析误差随钻孔直径增大而增大。一般的勘探钻 孔孔径都比较小，孔内流体自身换热很慢，同时这类研究区域是在饱和土体中才是可行 的，因而有渗流的存在，渗流携带大量的热在钻孔和土体之间达到平衡，能保持水体和 士体基本相似的温度分布。测量工具是带有电缆的温度仪，每隔一段测量一个数据，优 点是采集速度快；缺点是，当测量孔很深的时候电缆太长，重量大，不断改变深度不方 便。二是温度是来自土体，文献【6 7 】是用一种管子楔入土体，在管子内部插入一连窜的温 度测试探头，等温度稳定后可读取数据。另一种方式是：在测点上用直径2 0 m m 、长1 5 0 c m 的钢钎打入土体并形成l m 深小孔，插入澳4 温探头，封好孔口，约过l o 分钟待孔内温度平 衡后读数，在饱和土区域，这种方法同样是由孔内水体的温度代表土体的。文献 7 4 详 细介绍了应用光纤进行堤坝温度测量设置和数据处理方法，在温度数据收集上可做参考。 总之，这个研究阶段的显著特点是没有建立数学模型，在应用上更没有计算结果。 理论的感性认识和探测结果的定性分析是主要方法和手段。 1 3 2 原理模型与结果定性分析 温度探测堤坝渗漏的第二个研究阶段是借鉴了热传导部分理论建立了土体温度探测 理论模型。由于这些模型是基于原理性的，建立在十分理想条件下，远不成熟，加之所 需要的热物理参数实际测得很困难，在实际应用上，并没有利用这些模型计算结果，而 是利用原理模型定性分析实例。 热源法是这时期的原理模型的主要理论基础。严格的讲热源法就是格林函数法，格 林函数法指对偏微分方程一种解法【7 2 1 ，热源仅仅是其中一种特殊物理现象，数学上瞬时 或者点热源都可以用狄拉克( d i r a c ) 分布函数简称j 函数来表示，定义为： 鼐熟军蚕 阿海土学博士论文? 堤坝集中摩漏温度哂探溯模型反矗值实验 瞰卅= 嚣篓 ， b 指热源位置。虽然热传导都是由热引起的，但由于模型复杂程度和特殊情况不同，可 以采用不同解法，热源法只是常见的一种。 这里的热源形式主要有面热源【7 3 】和线热源 7 4 - 7 6 。前者借鉴热传导理论引进了平面持续 热源法的温度分布方程，并作了放热和吸热情况下的土体中不同时刻温度分布特征曲线 和某点在两种情况下的温度随时间变化的曲线。但都是基于温度分布方程的定性分析作 图。后者研究较多，文 7 3 】给出了土体热传导方程，严格根据格林函数作了解析；文 7 5 】 引进了土体在热传导过程中带有渗流项的传热方程，在此基础上探讨了利用钻孔中的温 度分布判断不同岩性地层中垂向流的方法，定性分析了大尺度范围内有局部热源时地温 分布特征。 在线热源模型研究中，逐渐形成了虚拟热源的概念，这是从理论到实践一种过渡。 数学模型中简化处理的热源在实际上是不存在的，把实际中的热源作处理后代替模型中 的热源项，作等效处理是虚拟热源的基本原理。实际中，无论是面热源还是线热源，都 是有大小或者宽度的，而本文至今所提及的热源法模型都是建立在狄拉克( d i r a c ) 分布 函数对实际热源【7 9 - - s 3 1 的假设上的，因而这样的模型即使能够用于实际计算，但无法直接 求取渗漏通道的大小( 半径) 。 这一阶段的特点是，依照热传导理论，建立了温度分布的方程，加深了对土体换热 理论的认识，丰富了分析方法。但仍没有把这些应用到计算结果上。 1 3 3 模型初步应用阶段 这一阶段研究文献不多，其中的理论模型都是热源法模型。文献 7 6 7 8 主要是应用于 计算渗漏通道的渗漏量或者流速。 7 7 】是基于镜象法推导温度方程，考虑了实际中地面可 能对温度分布的影响，先通过已知管涌( 渗漏通道) 引起的温度场的数据，求得模型中 的参数，再用模型计算其它渗漏。适合热源埋深浅的情况，在计算上突破了定性分析结 果的传统。局限性是对勘测有特殊的要求，比如在测定系数上，要求勘测线揭露管涌( 渗 漏) 通道，实际操作很难做到；其次是管涌通道的直径是根据温度曲线估计的，温度数 据是来源于没有经过校正( 井水对流换热对曲线的影响) 的井水水温等。 文【7 8 主要基于能量守衡热源法，即渗漏通道从土体中带走的热量等于引起土体温度 变化所损失的能量，q 水= q 地，q 水表示渗漏水吸收的热量；q k 表示地层释放出的热量。 并建立用于计算渗漏通道的半径的虚拟热源法模型。可以计算渗漏通道的半径，渗漏流 量；其次通过这个模型图示，还可以方便地判断地层中的渗漏通道的个数。缺点是必须 有一个要揭示与渗漏通道相近的温度，在确定渗漏通道的温度时采用的是图示法，实际 应用很方便，但是缺乏精度。 在堤坝渗漏研究中，确定渗漏通道的位置是进行堤坝渗漏整治的前