基于耦合分析的分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測研究進展

周柏兵，王偉杰，易長春

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；3.宜興市橫山水庫管理處，江蘇 宜興 214236；4.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北 石家莊 050021）

0 引言

堤防大壩歷來是防洪減災工程系統(tǒng)的重要組成部分之一，根據(jù)《2010年中國水利年鑒》，按水資源一級區(qū)劃分全國共有堤防長度 29.1420萬 km，其中重點堤防長度 11.6739萬 km，保護耕地 4.6547×107hm2，保護人口58978萬人，堤壩、大壩、海堤、海塘等工程在灌溉，防洪，航運，發(fā)電和供水等方面發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟和社會效益[1]。但由于早期堤防大壩在設計和施工方面的先天不足，以及管理、維護方面的后天失調，很多堤防大壩出現(xiàn)的問題日益增多，其中堤壩滲漏是最普遍、常見的問題，給工程效益和人民生命財產(chǎn)安全帶來了嚴重威脅。因此，深入研究堤防大壩的安全穩(wěn)定性和破壞機理，對指導堤防大壩的安全建設和運行，具有重大意義。同時促使堤防大壩工程問題從單一場的研究向2場或多場（溫度場、滲流場、應力場）耦合方向發(fā)展，從相關聯(lián)的視角去剖析工程安全問題的機理和發(fā)展趨勢。

滲流逐漸發(fā)展為大的堤壩滲漏甚至管涌屬于緩變過程，需要長期的實時監(jiān)測才能正確評估，通過監(jiān)測壩堤內溫度研究滲流是一種有效的手段。滲流引起壩體內溫度場的改變是大范圍的隨機事件，且滲流場自身的地下隱蔽性，傳統(tǒng)的點式監(jiān)測容易產(chǎn)生漏檢和對滲流難以定位的弊端，因此需要尋求更多或更完整的監(jiān)測手段和分析技術。分布式光纖傳感技術能對堤壩溫度場和應變場進行長期實時的全斷面監(jiān)測，可更好地對工程問題進行預測預報。因此為更好地給工程的安全運行提供科學依據(jù)，需要對分布式光纖傳感技術在堤壩滲漏監(jiān)測中的應用情況進行研究。

1 研究意義

1.1 研究背景

1.1.1 滲流的危害和預報的重要性

滲流是水利工程較為重要的荷載，滲流穩(wěn)定是堤壩設計、施工及運行的最主要問題。國內外堤防大壩失事實例統(tǒng)計結果表明，堤防大壩的失事大都由滲流引起，85% 以上的堤防安全事故源于滲透破壞，其中管涌導致的潰口決堤等破壞形式占到90%。因此，需對堤防大壩的滲流狀況進行監(jiān)控與分析，并對滲流發(fā)展態(tài)勢及時預測與預報[2]。

1.1.2 探測和預報滲流場的局限性

國內外水利工程實踐表明，堤防大壩安全是滲流場與應力場、溫度場（3場）等共同作用的結果，單一研究滲流場或采用滲流場和溫度場的耦合分析堤防大壩安全存在一定的局限性。因此，考慮多場耦合作用下的堤壩安全是當前研究熱點。

近年來，國際上逐漸將連續(xù)性的溫度示蹤技術引入滲流場監(jiān)測領域，應用效果表明利用堤壩溫度場反饋滲流場是一種有效的滲漏監(jiān)測輔助手段。國內外對土石形態(tài)堤壩溫度場的系統(tǒng)測量和分析研究較少，即使分析，也大都限于定性分析，多為結合溫度場和滲流場耦合分析的研究，一般未能考慮應力場的影響[3]。

基于以上考慮，需要針對土石堤壩開展分析研究，規(guī)劃實驗利用分布式光纖溫度和應變監(jiān)測系統(tǒng)，從土石壩溫度場、滲流場與應力場基本參數(shù)入手，在數(shù)學模型和數(shù)值解法等方面繼續(xù)研究3場相互影響的機理和規(guī)律，同時引入新的監(jiān)測手段，從室內外模擬試驗、現(xiàn)場監(jiān)測等方面開展深入系統(tǒng)的研究，探索利用土石堤壩溫度場、滲流場與應力場的耦合方法反饋分析土石堤壩滲流狀況，期望及早發(fā)現(xiàn)土石堤壩滲漏隱患。

1.2 研究需求

堤壩重大突發(fā)事件直接影響國家飲水、公共、糧食與生態(tài)等的安全，對堤壩滲漏事件的監(jiān)測與預警研究是保障堤壩安全，提高堤壩突發(fā)事件預測預警和應急處置能力的重要手段。分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測技術能對堤壩安全進行實時的全斷面監(jiān)測和分析，該技術的發(fā)展適應防汛、減災的需求。

1）基于多場耦合分析的分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測機理研究，是落實《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》確定的重點領域及優(yōu)先主題的需要，也符合高新技術發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化領域 2012年度國家科技計劃預備項目的研究方向。

2）基于多場耦合分析的分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測機理研究，是社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展的需要。因此，通過開展分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測機理研究，可最大程度地減少堤壩突發(fā)事件造成的損失和影響。

3）基于多場耦合分析的分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測機理研究，是提高堤壩重大自然災害監(jiān)測預警與防控能力的需要。

潰決是堤壩突發(fā)事件的極端形式，造成的損害是巨大的，但也是可以防控的。一方面水庫大壩潰決往往是由其它突發(fā)事件發(fā)生演變導致的，如洪水、滲透破壞、滑坡等，如對這些事件及時預測預警，采取科學的應對措施，堤壩潰決是可以避免的；另一方面工程潰決是有過程的，從堤壩有潰決跡象到潰決洪水對下游造成災害是有“時間”空間的，如及時采取預警與處置，可大大降低潰決造成的人員與財產(chǎn)損失。

因此為了防控潰決事件，深入研究基于多場耦合分析的分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測機理是非常必要的。

2 國內外研究進展

2.1 溫度場、滲流場和應力場耦合研究進展

20世紀 70年代美國科學家 Witherspoon 正式提出耦合理論，耦合理論經(jīng)過 80年代的完善與發(fā)展，主要局限于工程巖體地下水滲流場與應力場之間的耦合作用。在此期間 Barton[4]對工程巖體地下水滲流場、應力場與溫度場之間的耦合作用進行了初步研究。進入20世紀90年代，瑞典學者 Jing[5]給出了相對較系統(tǒng)的巖體地下水滲流場、應力場和溫度場耦合作用的研究模型，但對模型的簡化實用還研究不夠。

在該領域，我國的研究始于20世紀 80年代末，仵彥卿、柴軍瑞、劉繼山等學者對此進行的探討和研究比較早。國內耦合研究也是側重于滲流場-應力場、溫度場-應力場、滲流場-應力場-溫度場之間的耦合作用研究，各種耦合研究基本都是側重數(shù)學物理方程的推導和有限元程序的建立。

在當前的研究中，有關滲流場-應力場、應力場-溫度場之間的耦合研究比較熱門，對于溫度場與滲流場的耦合關系，國內人員也進行了建設性和突破性的研究。白蘭蘭[6]提出了裂隙熱流模型，主要研究利用鉆孔溫度分布探測裂隙滲漏及定量計算滲漏量；王新建[7]等根據(jù)能量和質量守恒原理，對大壩集中滲漏通道進行簡化，并根據(jù)鉆孔測溫建立了圓柱狀堤壩滲漏溫度示蹤模型；陳建生，董海洲等[8]利用虛擬熱源法研究壩基裂隙巖體中存在的集中滲漏情況，提出了堤壩滲漏量的虛擬熱源法模型，該模型基于堤壩存在穩(wěn)定集中管涌滲漏的情況建立，因此對于滲漏破壞（流土、接觸沖刷）的其他情況不適用，而且未考慮應力場對溫度場、滲流場的相互作用。

因此，在堤壩安全監(jiān)測中，需考慮應力場作用下溫度場探測滲流場，關鍵要實現(xiàn)對滲流狀況的實時的全斷面監(jiān)測和分析。當有嚴重滲流發(fā)生時，應同時監(jiān)測溫度和應變的變化情況，滲漏通道周邊的光纖傳感可以借助溫度和應變的變化特征識別嚴重滲漏，不斷下降的溫度曲線預示滲漏的發(fā)生，應變曲線的陡增則是嚴重滲漏引起土體沉降的判據(jù)。溫度降低到大應變的急劇變化是預測嚴重滲漏導致沉降發(fā)生的重要信息，這種跡象顯現(xiàn)直接關聯(lián)預警行動的響應速度，在倒塌隨時可能發(fā)生的緊要關頭可以作為做出關鍵決定的判據(jù)。

針對原有研究成果存在的局限性，需進行溫度場、滲流場和應力場的耦合研究，并引入分布式的光纖測溫和測應變系統(tǒng)。

2.2 分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測研究進展

隨著光纖傳感技術在土木工程、航天等領域的成功應用，采用分布式光纖傳感技術監(jiān)測水利工程中大壩施工和健康維護也日益受到關注，主要集中在對混凝土大壩和土石壩的監(jiān)測研究，研究成果也逐漸被商業(yè)化，其中比較典型的有瑞士、英國和日本等國家。國內蔡德所[9-10]等利用分布式光纖監(jiān)測大塊體混凝土溫度場的變化規(guī)律，準確反映了澆筑層混凝土溫度的不同分布情況，以及相關影響因素的作用范圍，為修正傳統(tǒng)的經(jīng)驗模式、數(shù)據(jù)提供了客觀的依據(jù)。李端有[11]等針對長江中下游堤防的特點及滲流控制的需要，探討了分布式光纖測溫技術在長江堤防滲流監(jiān)測中應用的可行性。冷元寶[12]等針對黃河堤防的特點及滲流控制的需要，研究了基于分布式光纖傳感的堤壩安全監(jiān)測技術。望燕慧[13]等利用分布式光纖測溫技術，對系統(tǒng)溫度變化后的測溫曲線與初始溫度曲線進行對比分析，定性確定混凝土面板堆石壩趾板滲漏位置，結果表明，溫度曲線上降幅最大的位置處是滲漏點。肖衡林[14]等研究了基于分布式光纖傳感技術監(jiān)測滲流的理論方程的建立，為該方法的應用提供了有力的理論支持，由于方程推導過程中進行了一定的簡化和假定，因此理論還有待進一步檢驗和完善。

筆者利用分布式光纖測溫技術在碾壓混凝土大壩溫度場監(jiān)測方面做了大量研究和應用[15]，對系統(tǒng)測量溫度與傳統(tǒng)熱敏電阻溫度進行對比，數(shù)值完全吻合，能反映碾壓混凝土大壩溫度場，對該技術的應用做了一定基礎工作。

3 關鍵問題的研究

本研究項目從溫度示蹤角度出發(fā)，研究堤壩的滲漏形成機理，建立溫度場、滲流場和應力場耦合分析的數(shù)學模型，同時引入基于布里淵光時域分析（BOTDA）技術和利用拉曼效應（ROTDR）的分布式光纖傳感技術，進行3場耦合分析及堤壩滲漏監(jiān)測技術機理探究，主要解決堤壩滲漏定性和定量的監(jiān)測方法問題。研究主要包括以下內容：

1）溫度場、滲流場和應力場耦合數(shù)學模型的建立。分析3場相互作用的機理，建立應力場條件下的溫度場影響下的滲流場分布數(shù)學模型，以及應力場條件下的滲流場影響下的溫度場分布數(shù)學模型。

2）應力場條件下的滲流場和溫度場的特征和規(guī)律研究。在分析耦合數(shù)學模型變化規(guī)律的基礎上，同時采用基于 ROTDR 的分布式光纖測溫和 BOTDA的分布式光纖溫度應變等系統(tǒng)，進行不同工況下的模擬堤壩滲漏的試驗模型3場耦合試驗。從滲流水頭、滲透坡降和滲流量，以及溫度、溫度梯度等分析相應應力條件下，相應的滲流場和溫度場的各自變化特征和規(guī)律，重點研究應力條件下溫度場特征指標變化對滲流場的影響和敏感性，利用分布式光纖監(jiān)測技術反饋大壩滲漏的定性和定量評估方法。

3）應力場條件下滲流場與溫度場耦合數(shù)值模擬研究。利用 Geostudio 仿真軟件建立試驗水槽滲流場、溫度場和應力場3場耦合有限元模型，對滲流 （滲透系數(shù)、滲流水頭等）、溫度場（比熱容、熱傳導系數(shù)等）和應力場（彈性模量等）等基本參數(shù)進行敏感性分析，從而研究應力場條件下的溫度場示蹤滲流場的方法和規(guī)律特征。結合物理模型測值，對建立的數(shù)值模型進行對比，驗證數(shù)值模型的正確性和適用性。

4）基于分布式光纖傳感技術的滲漏監(jiān)測技術機理研究。在分布式光纖傳感技術監(jiān)測溫度、應變原理的基礎上，從三維微元體傳熱過程出發(fā)，推導出應力條件下具有滲漏和內熱源的多孔介質傳熱微分方程，給出基于溫度示蹤原理應力條件下的，分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測技術的不同監(jiān)測方法的監(jiān)測方程；并從持續(xù)線熱源的角度，得出分布式光纖滲漏監(jiān)測機理。

4 結語

相比大壩滲流場、溫度場單一分析研究，目前針對土石堤壩溫度場、滲流場和應力場耦合研究還相對較少且不成熟，應在數(shù)學模型和數(shù)值解法等方面繼續(xù)研究3場相互影響機理和規(guī)律的揭示，同時引入新的監(jiān)測手段，從室內外模擬試驗、現(xiàn)場監(jiān)測等方面開展深入系統(tǒng)研究。

縱觀國內外現(xiàn)狀，分布式光纖溫度傳感技術在滲漏監(jiān)測方面雖剛剛起步，但已顯現(xiàn)在滲漏監(jiān)測領域的優(yōu)勢，對于堤壩這類大型的線型工程，分布式光纖監(jiān)測技術可實現(xiàn)線、面、體監(jiān)測，是對傳統(tǒng)監(jiān)測技術手段的大突破。目前的大部分研究均局限于研究溫度場和滲流場2場的關系，堤壩滲漏（溫度）監(jiān)測考慮變形的影響，向基于3場耦合分析的分布式光纖堤壩滲漏監(jiān)測系統(tǒng)方向發(fā)展及進行相互作用的機理研究，有一定理論和應用意義。

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