寒區(qū)大壩心墻土料凍融監(jiān)測技術(shù)及誤差分析

張振宇，俞祁浩，方德?lián)P，岳 攀，王新斌，陳 坤, 2

(1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000; 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049; 3.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司 兩河口建設(shè)管理局，成都 610051)

1 研究背景

土料凍結(jié)后物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，強度、變形模量等可增加1～2個數(shù)量級[1-3]。凍結(jié)后，土料難以壓實[4]。對于已填筑的壓實土料，凍融作用可使其壓實度降低，滲透性增大[5-7]。因此，防滲土料凍結(jié)嚴重影響工程的安全性。我國《碾壓式土石壩施工規(guī)范》明確要求，心墻防滲土料在填筑時，已填筑土料不得出現(xiàn)凍結(jié)情況[8]?？焖倥袛嘈膲龅貎?nèi)填筑土料的凍融情況，是保證工程質(zhì)量和快速施工的重要條件。然而，目前對于心墻施工現(xiàn)場的土溫檢測多以某點的溫度代替整個倉面的溫度，但是，對于大面積的心墻倉面(超過10 000 m2)，不同區(qū)域之間的土溫存在較大的差異[9-10]，因此該方式用于判別心墻全倉面防滲土料的凍融狀態(tài)存在較大誤差。在兩河口大壩心墻施工現(xiàn)場實踐中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)接觸式的測溫方法對大面積的土溫檢測較困難。并且，利用接觸式溫度傳感器測土溫時，受環(huán)境溫度的影響，需將溫度傳感器放置在土料中，避免傳感器與空氣接觸，以達到精確測溫。接觸式測溫方式破壞了原地表的熱狀況，且接觸式傳感器靈敏度、自身的尺寸及自身溫度等都會對測溫結(jié)果造成誤差。對于含礫石的土料難以保證傳感器上覆土厚度，長時間的測溫操作會使土料與周圍環(huán)境熱交換較大，從而產(chǎn)生較大測量誤差。對于已碾壓的土料，更是難以將接觸式溫度傳感器放置在土料中。

為解決這一工程難題，本文提出一種利用紅外熱成像測溫技術(shù)進行大面積土溫觀測的方法。該方法可快速檢測大面積地表溫度，進而判斷土料是否凍結(jié)。但是，紅外熱成像測溫技術(shù)受被測物體表面發(fā)射率、環(huán)境溫度、大氣溫濕度等因素的影響，使得其測溫存在誤差[11-12]。物體表面發(fā)射率是其本身的熱物性參數(shù)，常用的測定方法有量熱法、反射率法、能量法等[13-16]，但是這些方法不適用于心墻施工現(xiàn)場松散、密實等不同壓實狀態(tài)防滲土料發(fā)射率的測量。遠距離測溫時大氣透過率影響紅外輻射在空氣傳播過程中的衰減程度，進而影響測溫精度[17-18]。被測物體附近存在高溫物體時，環(huán)境條件對紅外測溫的精度影響較大[19-20]。雖然紅外熱成像儀在出廠前進行了標定，但僅適用于一些特定的情況[12]。對于野外影響因素復(fù)雜、遠距離和大面積的測溫條件下，其測溫結(jié)果與真實地表溫度之間存在較大的差值。目前，對紅外熱成像儀的研究主要圍繞特定影響因素下測溫誤差分析及減小誤差方式等開展[21-24]，這對于大壩心墻多因素條件下輻射溫度的修正不適用。因此，為得到心墻現(xiàn)場土表精確的輻射溫度，需結(jié)合現(xiàn)場狀況，對心墻紅外測溫中的主要影響因素進行分析，進而修正地表輻射溫度。

本文基于現(xiàn)場觀測試驗，確定了利用紅外熱成像技術(shù)檢測土料凍融狀態(tài)的方法，并根據(jù)熱輻射理論和紅外熱像儀測溫原理，結(jié)合現(xiàn)場紅外測溫條件，分析了紅外熱像儀觀測地表輻射溫度的主要影響因素。利用現(xiàn)場試驗得到的長波輻射值計算了地表發(fā)射率，并基于輻射定律建立了適用于寒區(qū)心墻施工現(xiàn)場的多因素條件下的地表輻射溫度的修正模式。

2 試驗介紹

為驗證紅外測溫技術(shù)對心墻土料測溫的可實施性及誤差分析，本文在兩河口水電站大壩心墻施工現(xiàn)場開展了遠距離、大范圍、全倉面的大面積土溫紅外檢測試驗，以及近地表紅外測溫與接觸式測溫試驗、地表發(fā)射率測試試驗研究工作。

2.1 試驗場地

兩河口水電站位于四川省西部雅江縣境內(nèi)(30°12′N, 101°00′E)，海拔3 000 m，屬于季節(jié)性凍土區(qū)，極端最低氣溫可達-15.9 ℃。該水電站為礫石土心墻堆石壩，壩高295 m, 是國內(nèi)第二、世界第三高的土石壩。考慮到雨季對兩河口水電站大壩心墻施工進度的影響，冬季施工是必要的，按計劃冬季的工程量約為30%。因此，大壩心墻的防滲土料在冬季填筑過程中，面臨著嚴峻的凍結(jié)的問題。為判斷施工時防滲土料是否處于凍結(jié)狀態(tài)，在兩河口水電站心墻施工現(xiàn)場開展了土料凍融檢測試驗及檢測方式研究。為了快速對大范圍全倉面土溫進行檢測，采用了紅外熱成像測溫技術(shù)。該土料測溫試驗是2018年冬季施工過程中進行的，此時心墻填筑面沿河流方向長約80 m, 左右岸混凝土蓋板之間長度約為200 m，整個心墻倉面的面積約為16 000 m2，如圖1所示。同時，為對紅外熱像儀測量的地表輻射溫度進行校正，地表發(fā)射率測試試驗在2018年冬季心墻停工期進行了連續(xù)的觀測。

圖1 大壩心墻填筑倉面和左岸總體照片及紅外測溫 拍攝位置Fig.1 Photos of core wall and the left bank and the observation location of the infrared temperature measurement

2.2 試驗方法及觀測設(shè)備

圖2 左岸遠距離心墻倉面紅外溫度檢測結(jié)果Fig.2 Distant observation results of infrared tempera- ture of core wall surface observed on the left bank

土溫紅外檢測試驗時間是2018年12月1日至2019年3月1日。利用Testo890高清紅外熱像儀(德國Testo SE & Co. KGaA生產(chǎn))對心墻施工倉面進行地表溫度檢測，從而得到地表的輻射溫度。Testo890紅外熱像儀配備42°×32°廣角鏡頭，測量波長范圍8 ～ 14 μm，熱靈敏度(NETD)<0.04 ℃，透光率自動修正，紅外熱成像照片像素為640×480 px。由于心墻面積較大，為了得到較大范圍的拍攝面，觀測點選在位于心墻兩側(cè)的左、右岸混凝土蓋板，高度約10～15 m的腳手架上(圖1)。在觀測點正對大壩心墻，手持Testo890紅外熱像儀俯視拍攝，拍攝時鏡頭取景盡可能大范圍覆蓋心墻倉面，并稍微覆蓋對面混凝土蓋板底部，在左岸觀測點對心墻倉面的紅外測溫結(jié)果如圖2所示。為了方便下文分析，在紅外照片中選取地表不同溫度區(qū)域內(nèi)、呈現(xiàn)明顯溫度變化處(如點M5)及場地上具有明顯特征的事物(如人體、機械)處進行了溫度標注。由于拍攝角度問題，靠近混凝土蓋板處存在拍攝盲區(qū)，可通過調(diào)整拍攝角度對盲區(qū)進行補拍。雖然遠處心墻倉面能拍攝到，但是其顯示在照片中的區(qū)域較小，不易分辨，可以通過左、右岸交替觀測的方式彌補該缺陷，同時進行測溫的相互驗證，達到全倉面較為準確觀測的目的。為提高心墻防滲土料溫度檢測的準確性，在大面積紅外測溫結(jié)果中選取土溫較低的區(qū)域進行局部近地表紅外測溫，如圖2中M9附近區(qū)域。具體操作方法為：與可見光照片對比，找出其在心墻對應(yīng)的位置。然后，對較低土溫區(qū)域進行局部近地表紅外溫度檢測，進而精準判斷該區(qū)域土料的凍融狀態(tài)。進行局部紅外測溫時，只需操作人員根據(jù)被選區(qū)域大小，手持紅外熱像儀在選定區(qū)域附近對選定區(qū)域進行熱紅外拍攝即可。若需要判斷土工布下土料的凍融狀態(tài)，則應(yīng)選擇土工布表面溫度較低以及較高的區(qū)域進行局部測溫。這是因為土工布表面溫度較低可能是由于其下部的土料溫度較低；土工布表面溫度較高可能是由于該區(qū)域土工布保溫性能較差，使其下部土料散失熱量較大造成的。

圖3 土工布表面局部溫度檢測Fig.3 Local temperature detection for geotextile surface

為了便于紅外熱像儀測溫誤差分析，在局部測溫試驗中，除了選取上述溫度較低(高)的區(qū)域，還任意選取了其他局部區(qū)域進行紅外及接觸式測溫。圖3與圖4為土工布表面及土料表面局部紅外測溫及接觸式測溫試驗。為了便于對紅外熱像儀測溫進行誤差分析，在局部測溫試驗中，除了選取上述的溫度較低(高)的區(qū)域，還任意選取了其他局部區(qū)域進行紅外及接觸式測溫。為保證接觸式測溫的準確性，在同一個小區(qū)域中(圖3與圖4中矩形框內(nèi)的區(qū)域)，利用接觸測溫探頭進行多點測溫。并將測溫小區(qū)域在圖片上標記出相應(yīng)的位置，方便與紅外照片上對應(yīng)點的溫度對比。為了避免接觸式探頭自身溫度的影響，在測溫前，將試驗所需的探頭長時間置于試驗測溫區(qū)附近土工布表面或土料中，保證其自身溫度與試驗區(qū)溫度一致。為了避免環(huán)境溫度的影響，在土工布表面接觸式測溫時，將接觸式測溫探頭用隔熱性較好的材料覆蓋(圖3(c))。且該隔熱材料長時間在試驗區(qū)附近放置，溫度與土工布表面溫度基本一致。在土料表面接觸式測溫時(圖4(c))，采用針式探頭，該探頭易插入土料中，方便土料溫度測量。測量土料表面(0.5 cm土厚度)的溫度，所用探頭如圖5(a)所示，探頭前端金屬部分長度為0.5 cm，溫度傳感器在探頭最前端。為避免人體溫度對測溫造成的誤差，該探頭末端安裝絕熱手柄。為保證傳感器與土料或土工布之間溫度達到平衡，傳感器放置完成60 s后，再進行溫度數(shù)據(jù)記錄。

圖4 土料表面局部溫度檢測Fig.4 Local temperature detection for soil surface

圖5 地表接觸式測溫探頭及地表發(fā)射率測試Fig.5 Probes used in contanct surface temperature measurement and surface emissivity observation test

地表發(fā)射率測試試驗。該試驗用于獲取密實土料、松鋪土料及土工布覆蓋等不同地表條件下地表的發(fā)射率。圖6為地表發(fā)射率測試試驗的場地照片。該試驗在冬季停工時在心墻區(qū)進行連續(xù)觀測，觀測時間為2019年1月27日至2019年2月13日。針對試驗場地氣象條件，在試驗場地布設(shè)了簡易氣象站，用于監(jiān)測空氣溫濕度、總輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等氣象要素。為獲取不同地表條件下輻射參數(shù)，試驗場地架設(shè)多臺四分量傳感器(荷蘭KIipp & Zonen；型號：CNR4)。該四分量傳感器測量短波光譜范圍為300～2 800 nm，長波為4.5～42 μm。其靈敏度在短波段為5～20 μV/(W·m2)，在長波段為5～15 μV/(W·m2)。試驗中，四分量傳感器水平架設(shè)，距離地表1.5 m，可同時測量向上的短波、向上的長波輻射、向下的短波及向下的長波輻射。同時，對四分量傳感器正下方土料及土工布表面進行接觸式溫度觀測。接觸式測溫采用熱敏電阻式傳感器(凍土工程國家重點實驗室研制)，其精度為±0.05 ℃。為保證土表溫度測量精確性，對傳感器表面結(jié)構(gòu)進行了處理，外側(cè)使用導(dǎo)熱性較好的金屬殼密封，如圖5(b)所示。這保證了地表與傳感器之間良好的熱傳遞，同時避免了土中水分對傳感器的破壞。且該探頭直徑約為3 mm，試驗中水平放置，較大程度地減小了自身厚度對地表測溫的影響。為了避免太陽及環(huán)境輻射對地表測溫的影響，在測量密實及松鋪土料地表溫度時，測溫探頭上覆蓋3 mm的細粒土；在測量土工布表面溫度時，現(xiàn)場使用多層結(jié)構(gòu)土工布，將土工布表面破壞，并將測溫探頭水平放置在土工布表層結(jié)構(gòu)下(試驗中使用的土工布表層厚度約2 mm)。所有試驗觀測數(shù)據(jù)使用自動數(shù)據(jù)采集儀CR3000(美國Campbell公司生產(chǎn))，每10 min記錄一次。

圖6 地表發(fā)射率測試試驗場地Fig.6 Photo of the surface emissivity observation test site

3 大壩心墻紅外測溫可行性分析

紅外測溫技術(shù)在諸多領(lǐng)域已開展廣泛的研究與應(yīng)用[25-27]，但是，對大壩心墻施工現(xiàn)場遠距離、大范圍、全倉面地表溫度檢測是首次應(yīng)用。本文結(jié)合紅外檢測結(jié)果，從分辨率、精度、有效性等方面對其現(xiàn)場應(yīng)用進行可行性分析。由圖2看出，Testo890紅外熱像儀可同時得到被測區(qū)域的紅外照片及可見光照片。從紅外照片中可以清楚地看出心墻倉面輻射溫度的分布情況，同時通過與可見光照片對比可確定不同紅外溫度分布區(qū)域?qū)?yīng)的心墻倉面具體位置。由圖2(a)的紅外照片可看出，土工布表面溫度低于土料表面溫度。受土工布搭接影響，土工布表面的溫度主要呈條形分布，兩塊土工布搭接區(qū)域(M1)的表面溫度較低，非搭接區(qū)域 (M2、M3和M4)的表面溫度較高，兩者溫差約為2 ℃。土料表面溫度分布較均勻，但是，受土料所在位置及表面形狀(如凸起、碾壓等)影響，仍存在差別，如圖2(a)中M5處的溫度比M6處低0.6 ℃。由不同位置地表溫差得出，紅外測溫技術(shù)測得的輻射溫度可分辨出地表溫差較小的區(qū)域，其測溫分辨率可滿足現(xiàn)場對不同位置溫度的識別。在圖2(a)中，M7、M10及橢圓標識區(qū)為現(xiàn)場工作人員，其距離左岸混凝土蓋板的水平距離約為25、85、70 m。從紅外照片中可清楚分辨出現(xiàn)場工作人員所處的位置，并可從圖中分辨出人體表面溫度與周圍地表溫度的差異。同時，與左岸的水平距離約為200 m的施工機具(圖2(a)左上角M11)可在紅外照片中清楚識別，其表面溫度為16.7 ℃。這些位置的溫度與周圍地表溫度存在顯著差異，即紅外照片中的輻射溫度可分辨出遠距離尺寸較小的溫度異常物體。

由于拍攝角度問題，靠近右岸混凝土蓋板的心墻倉面在照片中顯示的區(qū)域較小，不易分辨。因此，僅對圖2(a)中心墻左半倉面(從左岸混凝土蓋板至心墻中心的倉面)地表紅外溫度分布進行了統(tǒng)計，其結(jié)果如圖7所示。在該次紅外測溫中，心墻左半倉面溫度最小值為-12.0 ℃，最大值為5.4 ℃，平均值為-7.5 ℃。經(jīng)統(tǒng)計，該次紅外測溫中共獲取心墻左半倉面262 172個溫度值，溫度分布主要集中在-10.5～-5.5 ℃之間。按該次觀測的心墻左半倉面面積為5 000 m2計算，熱成像儀在每平方米內(nèi)約有52個測溫點，即每個測溫點的范圍約為14 cm×14 cm。由此表明，紅外測溫技術(shù)可識別出心墻較小異常溫度區(qū)域、低溫土塊及土工布未完全覆蓋等易出現(xiàn)土料凍結(jié)的情況。此外，由本文2.2節(jié)所述的試驗方法可以看出，利用紅外測溫技術(shù)進行土溫檢測的方法操作簡單，可快捷地判斷心墻防滲土料的凍融狀況，且可很大程度上減少人為操作誤差。

圖7 左岸觀測的心墻左半倉面紅外溫度統(tǒng)計結(jié)果Fig.7 Statistical results of infrared temperature on the left half of core wall observed on the left bank

由圖3與圖4看出，紅外測溫技術(shù)測得的地表輻射溫度與接觸式測得的地表溫度存在較大誤差，對局部溫度檢測試驗結(jié)果的統(tǒng)計表明在現(xiàn)場不同環(huán)境條件下檢測結(jié)果存在2～8 ℃的誤差。但是，上述地表輻射溫度測溫誤差是由外界環(huán)境造成的系統(tǒng)誤差，可根據(jù)紅外測溫原理及輻射定律進行修正。因此，利用紅外測溫技術(shù)對大壩心墻地表溫度檢測是可行的。

4 影響因素分析

4.1 紅外測溫原理及影響因素

利用紅外熱像儀進行物體表面測溫時，需要考慮多重因素。紅外熱像儀的成像原理直接反映各個因素之間的關(guān)系，可表示為[11,28]

Lλ=A0d-2[τaλελLbλ(T0)+

τaλ(1-αλ)Lbλ(Tu)+εaλLbλ(Ta)] 。

(1)

式中:Lλ為紅外熱像儀的輻射照度;ελ為表面發(fā)射率;αλ為表面吸收率;τaλ為大氣的光譜透射率;εaλ為大氣發(fā)射率;Lbλ(T)為溫度為T的黑體的輻射照度;T0為被測物體的表面溫度;Tu為環(huán)境溫度;Ta為大氣溫度;d為該目標到測量儀器之間的距離;A0為熱像儀最小空間張角所對應(yīng)的目標可視面積。通常一定條件下，A0d-2為一常值。

根據(jù)熱像儀的成像原理，在紅外熱像儀測溫過程中，其接收到的輻射包括目標物本身發(fā)射的紅外輻射及環(huán)境輻射。同時，目標物體發(fā)射的紅外輻射會被大氣吸收?；诘乇淼陌l(fā)射率等于吸收率，以及大氣的發(fā)射率與透射率之和為1[29]。因此，紅外熱像儀對大壩心墻地表的測溫誤差主要受地表發(fā)射率及環(huán)境輻射影響。

4.2 地表發(fā)射率的影響及計算

在心墻現(xiàn)場利用紅外熱像儀測溫時，紅外熱像儀中的發(fā)射率和環(huán)境溫度均使用出廠設(shè)置的默認值。該默認值與現(xiàn)場地表的發(fā)射率不同，因此需要確定現(xiàn)場不同地表結(jié)構(gòu)的發(fā)射率。

基于輻射定律，利用四分量傳感器測量的長波輻射及接觸式測量的地表溫度數(shù)據(jù)，計算地表的紅外發(fā)射率。本文以松鋪土料地表為例說明計算過程，圖8給出了向下的長波輻射(DLR)、向上的長波輻射(ULR)及松鋪土表面接觸式溫度(Ts)。計算地表發(fā)射率選用時段與檢測時間相同，即上午8時左右，由于四周山體的遮擋，此時段心墻區(qū)沒有太陽直接輻射，這使得接觸式地表溫度測量受太陽輻射的影響很小。同時，現(xiàn)場四分量傳感器的觀測也表明，此時心墻現(xiàn)場的太陽短波輻射為0。

圖8 試驗場地的長波輻射及松鋪土接觸式地表溫度Fig.8 Long-wave radiation and contact surface temperature of loose soil on test site

在心墻施工現(xiàn)場，心墻防滲土料向上發(fā)射紅外輻射，該部分輻射會被四分量傳感器接收。同時，周圍環(huán)境向四周發(fā)射紅外輻射。環(huán)境發(fā)射的向下的長波輻射(DLR)接觸到地表后，一部分輻射被地表反射，被反射的環(huán)境輻射也會被四分量傳感器接收。由此分析可得出，四分量傳感器接收到的向上的長波輻射(ULR)包括兩部分：土料本身發(fā)射的紅外輻射及土料反射的環(huán)境紅外輻射。地表反射的輻射為環(huán)境投射到地表的總輻射與地表反射率的乘積。根據(jù)參考文獻[29]，可認為心墻防滲土料的反射率與發(fā)射率之和為1。因此，向下的長波輻射(DLR)與向上的長波輻射(ULR)之間的關(guān)系可表示為

(1-ε)DLR+Ras=ULR 。

(2)

式中:Ras為地表的長波輻射力;ε為地表面發(fā)射率?？紤]到四分量輻射傳感器的測量波長范圍是4.5～42 μm，在計算地表輻射能量時應(yīng)采用所測波長范圍內(nèi)的輻射力，即對該波長范圍內(nèi)的光譜輻射力進行積分得到總輻射力。光譜輻射力隨波長變化，根據(jù)普朗克定律[29]，黑體光譜輻射力可表示為

(3)

式中:Ebλ為黑體的光譜輻射力(W/m3)；λ為波長(m)；T為黑體熱力學(xué)溫度(K)；c1為第一輻射常數(shù)(3.741 9×10-16W·m2)；c2為第二輻射常數(shù)(3.741 9×10-2W·K)。對式(3)在波長4.5～42 μm范圍內(nèi)積分，并考慮到地表的發(fā)射率ε，從而得到該波長范圍內(nèi)的地表輻射力為

(4)

式中:λ1、λ2分別表示波長積分范圍。本文為四分量輻射傳感器的波長測量范圍，即分別取為4.5 μm及42 μm。

由式(2)和式(4)得到地表長波發(fā)射率計算式為

(5)

利用式(5)計算松鋪土表面發(fā)射率時，該式中黑體熱力學(xué)溫度(T)的取值為松鋪土表面接觸式溫度(Ts)。計算中，選取不同日期凍融檢測時段(上午8時左右)的數(shù)據(jù)進行地表發(fā)射率計算，根據(jù)不同的計算時刻對應(yīng)的松鋪土表面溫度，從而得到不同溫度條件下松鋪土表面發(fā)射率分布，其結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，計算得到的松散礫石土表面的發(fā)射率在0.86～0.89之間，其離散型很小，可取其平均值作為松鋪土的發(fā)射率。經(jīng)計算，其平均值為0.88。同理，得到密實土地表發(fā)射率為0.91；土工布表面發(fā)射率為0.67。

圖9 不同溫度條件下松鋪土表面發(fā)射率分布Fig.9 Distribution of surface emissivity of unconsolidated soil under different temperature conditions

圖10 混凝土蓋板漫反射示意圖Fig.10 Schematic diagram of diffuse reflection of concrete slab

4.3 環(huán)境輻射

進行心墻土料紅外測溫時，由于心墻施工區(qū)不存在高溫物體,因此，主要分析混凝土蓋板及大氣輻射對地表紅外溫度的影響。

4.3.1 混凝土蓋板的影響

心墻土料紅外測溫時(上午8時左右)，混凝土蓋板沒有受到太陽照射，氣溫在0 ℃左右。雖然，混凝土蓋板比與心墻倉面溫度高，但它們之間差值很小。已有研究表明，當(dāng)高溫物體溫度低于100 ℃，且與被測物體溫差較小時，高溫物體對使用波長為8～14 μm測溫的熱像儀的測溫誤差影響很小，可忽略不計[19]。另外，混凝土蓋板可視為灰體，其輻射發(fā)射情況可用圖10表示?；炷辽w板傾斜向上，斜率約為3∶1。混凝土蓋板在整個空間均勻發(fā)射紅外輻射，蓋板上某點(如圖10中點O1)向下的輻射約占其總量的40%，且在較高位置(如圖10中點O2)向下的輻射不能達到倉面，故混凝土蓋板發(fā)射的紅外輻射能量到達心墻倉面的強度很小。因此，忽略混凝土蓋板的影響，將環(huán)境輻射的影響僅考慮大氣輻射。

4.3.2 大氣輻射計算

在不同的氣溫條件下，大氣輻射強度不相同。冬季心墻的空氣濕度較低，且空氣質(zhì)量較好。因此，本文計算大氣影響時忽略大氣吸收的影響。野外測量時，環(huán)境輻射就是大氣向下的長波輻射Rld(W/m2)，可按式(6)計算[21]。

(6)

式中:εa為天空發(fā)射率；σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)(5.67×10-8W/(m2·K)；Ta為空氣溫度(K)。其中，天空發(fā)射率(εa)可按式(7)計算[30]。

εa=C0(ea/Ta)1/7。

(7)

式中:C0為常數(shù)(1.24)；ea為水汽壓(hPa)。由此，得到天空輻射的經(jīng)驗公式，即

(8)

其中，水汽壓(ea)為空氣相對濕度與飽和水汽壓的乘積，其計算式為

ea=RH×E×100%。

(9)

式中:RH為空氣相對濕度，可利用現(xiàn)場氣象站獲??；E為飽和水汽壓(hPa)，本文使用Magnus公式[31]計算，即

E=6.11×107.45(Ta-273.15)/(Ta-38.15)。

(10)

由式(8)—式(10)可計算不同空氣溫濕度條件下大氣的長波輻射Rld。

5 心墻地表輻射溫度修正模式

通過以上影響因素分析，可得到心墻測溫時熱像儀接收到的輻射力為

E(T)=εE(T0)+(1-ε)E(Ta) 。

(11)

式中:E(T)表示溫度為T的黑體的輻射力(W/m2)，即熱像儀接收到的輻射力；ε表示地表的發(fā)射率；T、T0及Ta分別表示熱像儀測得的紅外溫度、修正后地表輻射溫度及大氣溫度。

將斯忒藩-玻爾茲曼定律(E=σT4)[29]代入公式(11)，得到地表輻射溫度與修正后地表輻射溫度之間的關(guān)系式

(12)

將式(8)—式(10)代入式(12)可得到修正后地表輻射溫度T0表達式為

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 地表輻射溫度修正模式驗證

基于心墻土料凍融局部檢測試驗及心墻區(qū)氣象站測得的大氣溫濕度數(shù)據(jù)，對心墻地表輻射溫度修正模式(式(12))進行驗證，得到松鋪土(圖11(a))及土工布(圖11(b))表面接觸式溫度、輻射溫度及修正后輻射溫度之間的關(guān)系。由圖11(a)可知，修正前松鋪土地表輻射溫度與接觸式地表溫度的差值為3～4 ℃，修正后該差值在1 ℃以內(nèi)。由圖11(b)可知，土工布表面修正后的輻射溫度與表面溫度吻合較好，溫度差值在1 ℃以內(nèi)。心墻現(xiàn)場的密實土料使用接觸式測溫較困難，同一測溫點測得的數(shù)據(jù)離散性很大，本文不再驗證。但是，從修正模式來看，密實土與上述兩種地表僅發(fā)射率不同。因此，在確定密實土發(fā)射率的條件下，該修正模式對密實土也是適用的。由驗證結(jié)果看出，修正后的地表輻射溫度與接觸式地表溫度之間僅存在較小的差值，其修正結(jié)果可滿足實際工程應(yīng)用。該修正模式僅利用現(xiàn)場的氣象要素，參數(shù)獲取簡單，修正方便，可用于實際工程大面積土溫檢測及土料凍融判斷。

圖11 松鋪土地表及土工布表面接觸式溫度、 修正前輻射溫度及修正后輻射溫度之間的關(guān)系Fig.11 Curves of contact temperature, radiation temperature and corrected radiation temperature of unconsolidated soil surface and geotextile surface

7 結(jié) 論

基于現(xiàn)場試驗及理論推導(dǎo)，分析了利用紅外熱像儀對大壩心墻大面積土料溫度進行檢測及凍融進行判斷的方法及影響因素，并建立了適用于心墻土料表面紅外測溫的修正模式，得到以下結(jié)論：

(1)利用紅外熱成像技術(shù)可以快速檢測大面積心墻土料溫度，進而判斷土料的凍融狀態(tài)。其操作簡單，受人為操作影響因素較小，可有效地避免人為誤差。為提高紅外測溫的效率和精度，后續(xù)研究或?qū)嶋H凍融檢測應(yīng)用中可以借鑒無人機，進行垂向倉面的連續(xù)拍攝。

(2)影響兩河口心墻現(xiàn)場紅外熱像儀測溫誤差的主要因素為環(huán)境溫度和地表發(fā)射率。其中，環(huán)境溫度主要受氣溫控制，地表發(fā)射率受防滲土料松鋪、壓實以及土工布覆蓋等不同地表結(jié)構(gòu)形式的影響。

(3)利用現(xiàn)場簡易氣象站獲取的氣象參數(shù)及地表發(fā)射率建立了紅外溫度修正模式，并利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對該模式進行了驗證。驗證結(jié)果表明，修正后的地表輻射溫度與接觸式地表溫度之間的差值在1 ℃以內(nèi)，該修正結(jié)果能夠滿足實際工程應(yīng)用。