土壩-混凝土界面附近主動注熱和異常滲流的數(shù)值模擬

吐爾遜那依·托乎提

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

大壩內(nèi)部的侵蝕是引起潰壩的重要原因之一[1]。而異常滲流又是引起大壩內(nèi)部侵蝕的主要原因[2]。內(nèi)部侵蝕通常發(fā)生在土壤或基巖的裂縫和空隙中[3]。填土和混凝土結(jié)構(gòu)的交界面是應變局部化和位移的潛在區(qū)域，因此容易產(chǎn)生內(nèi)部侵蝕。在該界面上，混凝土可以作為一個相對不滲透的屏障，重新引導滲流沿著混凝土表面繼續(xù)發(fā)展[4]。

異常滲流的監(jiān)測識別是堤壩管理的重要組成部分[5]。滲流監(jiān)測采用多種物理技術，主要包括基于電阻率、雷達和溫度的方法[6]。基于溫度變化的滲流監(jiān)測原理是特定區(qū)域滲漏的增加將改變所處區(qū)域的正常溫度，這種技術已經(jīng)廣泛應用于滲流監(jiān)測和評估。

現(xiàn)有研究成果大多數(shù)依賴于上游水庫的自然季節(jié)溫度變化來尋找大壩溫度變化的來源。當水庫中的水通過該結(jié)構(gòu)時，溫度會產(chǎn)生一定的變化。可以利用水庫和路堤內(nèi)不同高程測得的年溫度幅值，在巖心內(nèi)識別出滲流速度較高的區(qū)域。通過簡化的解析和數(shù)值分析，來評估巖心內(nèi)的水力傳導率。然而，使用簡化的解析方法確定透水層的厚度是較為困難的，因此需要使用有限元模型來進行熱傳輸?shù)哪M。

主動熱注入是另一種基于溫度的滲流監(jiān)測方法，主動熱注入需要較短的數(shù)據(jù)收集時間。通過監(jiān)測和分析大壩內(nèi)加熱期間和加熱后的溫度，可以估計熱傳輸空間范圍內(nèi)的滲流和材料特性。將主動和被動溫度監(jiān)測相結(jié)合，可以揭示異常滲流區(qū)。

盡管如前所述，溫度監(jiān)測和熱傳輸模型已被應用于土壩和堆石壩的滲流檢測，但目前還沒有研究使用主動加熱方法來識別土壩-混凝土結(jié)構(gòu)界面附近的滲流。目前研究的主要目標是利用數(shù)值模擬，研究主動熱注入方法對識別異常滲流區(qū)域的可行性。需要研究的一個主要問題是，在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鉆孔中注入熱量和隨后的溫度監(jiān)測是否能夠提供足夠的靈敏度來識別附近界面的異常滲流。因此，本文在完全飽和的土壩-混凝土區(qū)域進行一系列熱響應模擬，以研究混凝土的熱特性和穩(wěn)態(tài)滲流率對熱響應的敏感性。本文的研究背景是新疆某水庫。

1 數(shù)值模型

水在多孔介質(zhì)中的流動取決于許多因素，包括材料的滲透性和水力梯度。假設水通過飽和多孔土和混凝土材料時發(fā)生層流，則達西速度可以用達西定律的一般形式來進行描述:

(1)

式中：q為達西速度；K為飽和水壓傳導張量；μ0為參考動態(tài)黏度；μ為動態(tài)黏度；h為水頭；ρ為密度；ρ0為參考密度；e為重力單位矢量。

2 場景和模擬方法

2.1 場景A(矩形區(qū)域)

為了研究主動加熱方法對模型關鍵參數(shù)(包括加熱位置與界面之間的距離和滲流速率)的敏感性，本文設置一個簡化的場景(場景A)。場景A為一個大小為100 m×100 m×50 m的區(qū)域。假設該區(qū)域中的土具有黏土的性質(zhì)，而異常滲流區(qū)中的土具有類似于中砂的性質(zhì)。異常滲流區(qū)的大小在水平方向上為5 cm，垂直方向上為3 m，豎直方向上位于區(qū)域表面以下18～21 m。其中，垂直鉆孔位于混凝土內(nèi)部中央。在該鉆孔內(nèi)，施加的熱源的功率為8 200 W。

本文根據(jù)模型中的混凝土孔隙度對場景A進行細分：第一個為場景Au，假設混凝土的孔隙率是均勻的，均為0.12；第二個為場景An，其中混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙率在0.08～0.15之間，以模擬混凝土不均勻放置或特性可能產(chǎn)生的情況。

本研究采用975 000個三角形單元、497 627個節(jié)點和100個層對三維域進行離散。

2.2 場景B(實際大壩模擬)

本研究考慮的第二種情況為一個更接近實際大壩的模型(該模型的原型來源于新疆某水庫)。該模型考慮了上游水庫和大壩表面的季節(jié)性溫度波動可能造成的復雜影響。模擬壩段水平長度為20 m×80 m，高度為21 m。假設大壩的主要土質(zhì)部分具有砂石性質(zhì)，而中央的低滲透心墻具有黏土性質(zhì)。假定滲流區(qū)水平方向厚度為5 cm，垂直方向厚度為3 m；異常滲流區(qū)頂部位于壩頂下13 m處。假定混凝土中垂直鉆孔(即加熱位置)與混凝土和土壩垂直交界面的距離為0.5 m。

場景B的有限元網(wǎng)格包含40 833個三角形單元和23 690個節(jié)點。采用時變水庫水位作為上游壩面流動邊界條件。圖1為模擬中應用的水庫水位和平均水庫溫度的變化。由圖1可知，水庫水溫在冬季會降至1℃，在夏季上升至大約11℃。

圖1 一年中水庫水位和平均水庫溫度的變化

3 結(jié)果與討論

3.1 場景Au：混凝土孔隙率均勻

當水力梯度范圍在0.21～1.05時，異常滲流區(qū)穩(wěn)態(tài)體積流量約為150～755 L/d。這些滲漏率較未發(fā)生內(nèi)部侵蝕的大壩中的滲漏率要低一些。

圖2為鉆孔-界面分離距離為1.5 m處和離注熱位置0.05 m處的模擬溫度分布圖。經(jīng)過10 d的熱注入后，各種水力梯度的輪廓幾乎沒有區(qū)別，溫度垂直分布均勻，約為45.7℃，見圖2(a)。然而，加熱20 d后，在18～21 m區(qū)間的平流熱傳輸?shù)挠绊懯沟盟蟹橇闼μ荻染l(fā)生了較小的溫度偏差，見圖2(b)。在解釋主動加熱實驗結(jié)果時，溫度偏差將是異常滲流的重要指標。

主動加熱停止后，溫度逐漸恢復到接近初始假定溫度10℃附近。然而，溫度異常在冷卻期間仍然存在，因此收集這種加熱后的數(shù)據(jù)仍然是有用的。

如果加熱位置與異常滲流區(qū)之間的水平距離從1.5 m減小至0.5 m，則模擬的溫度偏差會顯著增大。圖3為分離距離為0.5 m時加熱10和20 d后的模擬溫度分布圖。加熱10和20 d后的溫度異常大約是3℃和5℃，與分離距離為1.5 m時相同時間模擬的結(jié)果要低得多。

圖2 鉆孔-界面分離距離為1.5 m處和離注熱位置0.05 m處的模擬溫度分布圖(i為不同的水力梯度)

圖3 分離距離為0.5 m時加熱10和20 d后的模擬溫度分布圖

圖4為界面加熱分離距離分別為1.5、1和0.5 m以及熱注入20和50 d后的模擬溫度分布。如前所述，溫度偏差隨著界面和加熱位置之間距離的減小而增大。對于1.5 m的界面-加熱分離距離，加熱階段的最大溫度偏差約為0.36℃,見圖4(a)；冷卻階段的最大溫度偏差約為0.55℃，見圖4(b)。如果目標偏差為1℃或更大，則當分離距離為1.5 m時，溫度偏差達不到該目標偏差。1 m分離距離的溫度偏差范圍為加熱期間的1.35℃到冷卻期間的0.82℃。界面加熱分離距離為0.5 m時的溫度偏差明顯大于前一分離距離時的溫度偏差，范圍為5.08℃～1.17℃。值得注意的是，當分離距離為0.5 m時，隨著水力梯度的增大，溫度異常的幅度略有減小。

本研究還對異常滲流區(qū)的水力傳導率進行了模擬。圖5為加熱10和20 d后界面加熱分離距離為0.5 m、水力梯度為0.63的模擬溫度分布。由圖5可以看出，溫度偏差隨著水力傳導率的增加而增大，從而導致異常滲流區(qū)滲流速率的增加。這些結(jié)果表明，在一段時間內(nèi)定期進行的主動加熱實驗可能是探測異常滲流區(qū)的一種有效方法。

圖4 界面加熱分離距離分別為1.5、1和0.5 m以及熱注入20和50 d后的模擬溫度分布

圖5 加熱10和20 d后的模擬溫度分布

3.2 場景An：混凝土孔隙率不均勻

圖6為加熱分離距離為0.5 m時，距加熱位置0.05 m處的垂直溫度分布圖。由圖6可以看出，即使在沒有異常滲流的情況下，主動加熱過程中的垂直溫度分布也會受到混凝土孔隙率的影響，見圖6(a)和(b)。這是因為在加熱過程中，溫度梯度較高，孔隙率分布的變化導致飽和水混凝土有效導熱系數(shù)和熱容發(fā)生變化。但加熱后的溫度分布會變得更加均勻，見圖6(c)和(d)，這是因為導熱耗散了熱梯度。

由圖6可以看出，該場景下的溫度分布不如均勻孔隙度情況下的均勻，但溫度分布在異常滲流區(qū)相對應的區(qū)間內(nèi)確實顯示出相對較大的溫度偏差。隨著界面與加熱位置之間距離的減小，溫度偏差會再次增加。當分離距離為1.5 m時，模擬的溫度偏差范圍分別為：在加熱期間(0～20 d)內(nèi)為0.48～0.90℃；在冷卻期間(20～100 d)內(nèi)為0.01℃～0.58℃。在任何時候，偏差都不會達到1℃。當分離距離為0.5 m時，模擬的溫度偏差明顯大于分離距離較大時加熱階段的溫度偏差；溫度偏差在加熱和冷卻階段分別約為5.6℃和1.13℃。

3.3 場景B：實際大壩模擬

圖7為距離界面分別為0.45和1 m處的垂直截面上大壩混凝土部分和泥土部分加熱20 d后的溫度空間分布模擬圖。此時，熱源的加熱會導致混凝土內(nèi)部局部溫度顯著升高，見圖7(a)；但距離大壩內(nèi)1 m的界面處沒有相應的局部溫度升高，見圖7(b)。大壩裸露表面的溫度也相對較高，因為這一結(jié)果對應的背景是6月中旬的氣溫，當?shù)氐钠骄鶜鉁剌^高。在圖7(a)中，在海拔26～29 m之間局部較低的溫度表明了與異常滲流區(qū)相對應的熱傳輸情況。

圖6 加熱分離距離為0.5 m時，距加熱位置0.05 m處的垂直溫度分布圖(i為不同的水力梯度)

圖7 距離界面分別為0.45和1 m處的大壩溫度空間分布模擬圖

主動加熱實驗可以在全年的不同時間進行。模擬結(jié)果表明，當壩體內(nèi)溫度較低(如小于5℃)時，可能會出現(xiàn)較大的溫度偏差。研究結(jié)果還表明，季節(jié)性變化的水庫和空氣溫度并不會對土-混凝土界面異常滲流區(qū)的探測產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié) 論

本文通過數(shù)值模擬研究了采用主動熱注入方法識別土壩-混凝土交界面之間異常滲流的可行性，分別對3種不同場景進行了模擬。

對于場景Au來說，當界面加熱分離距離為1.5 m時，溫度偏差始終小于0.6℃。溫度偏差隨著溫度監(jiān)測位置與界面之間距離的減小而增加。如果要求目標溫度偏差為1℃或更大，則熱源和溫度監(jiān)測位置與界面的距離應小于1 m。

對于場景An來說，當混凝土孔隙率在垂直面上發(fā)生變化時，該場景下的溫度偏差與混凝土孔隙率均勻時的溫度偏差相似。孔隙率的變化(0.08～0.15)不會對主動熱注入方法的應用產(chǎn)生影響。

模擬結(jié)果表明，季節(jié)性變化的水庫和氣溫邊界條件不會對主動熱注入產(chǎn)生的溫度信號造成影響。如果接近熱源的溫度高于大壩周圍溫度約5℃～10℃，主動加熱方法應該是可行的，因為數(shù)據(jù)收集所需的時間比大壩內(nèi)因季節(jié)性誘發(fā)的溫度變化時間要短得多。