土石壩不同密度心墻材料滲漏檢測方法研究

李 洲

(東莞市正源工程質量檢測有限公司，廣東 東莞 523000)

土石壩是水利工程中最為常見的壩型之一，土石壩的數量約占水電大壩數量的80%以上，但隨著運行時間的增加，一些土石壩也出現了各種各樣的問題，其中尤以滲漏問題最為嚴重，為了提高土石壩的運行安全，必須對土石壩開展常態化的滲漏檢測[1- 2]。

常用的滲漏檢測法包括自然電場法、高密度電法、地震法、溫度法、分布式光纖法、流場法、綜合示蹤方法等，這些檢測技術要么存在檢測精度不高的問題、要么就是對土壤擾動較大，抑或是檢測費用較高，不能在水利工程中長時間大面積使用，因而需要尋求一種新型檢測方法來替代以上技術[3- 5]。熱脈沖技術是一種通過測定土壤介質的熱特性(如土壤熱導率、容積熱容量以及擴散系數等參數)來反映土體中水流流速、含水率、蒸發量等參數的技術手段。熱脈沖探測設備體積小，質量輕，對土壤擾動小，工程造價低，可實現連續定位檢測，測量精度高等諸多優點[6]。時域反射技術是一種利用電磁波在不同介質中的傳播速度不同來測定土壤含水率和電導率的技術，可對土壤物理性質的時空間變異性進行實時測量[7]。將熱脈沖技術和時域反射技術相結合，即可得到基于熱脈沖時域技術的滲漏檢測技術，該技術基于土熱平衡理論，可實現土壤孔隙度、含水量、水流通量、水流流速等多種參數的實時連續測量[8]。

本文基于熱脈沖時域技術，建立土石壩心墻材料模型，對不同密度砂壤土滲漏進行了檢測，以期能為土石壩滲漏檢測工作提供參考。

1 大壩滲漏檢測方案設計

1.1 儀器設備和材料

儀器設備主要包括電子天平、滲漏測量儀、蠕動泵、數據采集器、計算機等。熱脈沖傳感器的探針長度為4cm，直徑為1.3mm，共布置3根探針，探針間距為6mm，在中間探針中安裝加熱電阻絲，探針與同軸電纜相連，均通過熱電偶來測量土體結構內部溫度，在測試過程中利用瓊脂溶液來標定探針與探針之間的距離，如圖1所示。材料主要包括不同密實(壓實度)的砂壤土，密度分別為1.4、1.5g/cm3和1.6g/cm3。

圖1 熱脈沖傳感器示意(單位:mm)

1.2 布置方式

將數據采集儀、繼電器、加熱絲、直流電源等串聯起來，組成一個完整的試驗供電線路，數據采集儀又分別與熱電偶和計算機相連，通過與熱電偶相連來測試溫度的時空變化，通過與計算機相連來實現數據的傳輸和存儲；繼電器作為整個線路的開關，并通過數據采集儀控制端口的激發電壓來實現對繼電器的控制。

1.3 試驗方法與步驟

采用模擬試驗法進行試驗，將不同密度砂壤土裝入有機玻璃來模擬不同壓實度的土石心墻材料，通過橡膠管和蠕動泵向有機玻璃中土體提供滲漏水，并控制滲漏水的水流流速，通過熱脈沖傳感器實現對砂壤土滲漏量的測量。

試驗步驟：①將砂壤土去除雜物，通過烘干篩選后裝入有機玻璃柱中，有機玻璃柱的上下均加設蓋子，并分別設置一個透水細孔，在透水細孔上鋪設一層定性濾紙；②將裝填好的土柱體與熱脈沖傳感器的探針相連，然后進行密封處理，確保滲流試驗過程中水不會外泄；③在數據采集之前需要對熱脈沖探針加熱，加熱時長為8s，探針采集數據的間隔時間為1s，每次檢測的時間周期為99s；④利用盛水裝置收集滲出水，當出水量與入水量相等時，表明玻璃柱的土體達到飽和狀態，可以開始數據采集。

2 測試效果

以1.4g/cm3的砂壤土為例，將水流流速設定為0.0098、0.0137、0.0176、0.021、0.0255、0.0294mm/s，對該密度下的砂壤土進行滲流測試，并用土壤水熱平衡理論和上下游溫度上升比率法(Td/Tu法)計算土體滲流量，結果如圖2所示。

圖2 砂壤土水流通量與實測值關系

由圖2可知，理論上，滲流量計算值應全部落在1∶1線上，但實際上計算滲流量與實測滲流量有偏差，且均位于1∶1線下方，表明計算值均小于實測值，而且偏差隨著滲流量的增大而逐漸增大，這主要是因為在滲流試驗剛開始時，存在土壤入滲擴散現象，且探針距離入滲口較近，經過熱脈沖位置的水流并沒有擴散開來，導致熱脈沖加熱產生的能量被帶到遠離探針的位置，探針所能采集到的能量值小于熱脈沖擴散值，進而導致計算值偏小；采用Td/Tu法計算得到的滲流量與實測流量更為接近，因此在利用熱脈沖時域技術進行土石壩滲漏檢測時，宜采用Td/Tu法計算滲流量，但相對均方根誤差仍然達到了30.45%，故需要對滲流檢測方法進行改進。

3 方法改進

3.1 改進措施

受限于熱脈沖探針位置的影響，計算水流通量與實測值有較大偏差，因而需要對探針位置進行優化。應用HYDRUS- 2D對砂壤土在不同時刻的水分入滲情況進行分析，結果如圖3所示。

圖3 不同時刻砂壤土垂直入滲含水率剖面

由圖3可知，隨著入滲時間的增加，土壤含水率逐漸升高并向土體深部發展，當入滲時間達到50min后，土壤中的含水率流場基本達到穩定，且在距離頂部水源12cm處，水分流場基本達到水平，故在模擬試驗中，需要將熱脈沖傳感器探針埋入12cm土層以下，而在實際工程中，則可以根據土石壩的滲流場穩定場確定合理的傳感器埋入深度(中下游為最合適的區域)，從而減小檢測誤差。與此同時，為了進一步確保熱脈沖加熱產生的能量能被探針足量探測到，通過多次調試，將8s加熱時間延長至15s，從而產生更多的熱量，即使被沖散一部分，還能確保所采集到的能量值不低于擴散值。

3.2 改進后的檢測效果

對探針位置和加熱時長調整后的檢測效果進行試驗，分別在1.4、1.5和1.6g/cm33種密度的砂壤土中進行，流速水平共設置0.0176、0.0207、0.0239、0.027、0.0302、0.033、0.0364、0.0396、0.0427、0.0458、0.0490、0.0521和0.0553等13種，結果如圖4所示。

由圖4可知，調整探針位置和加熱時長后，測算水流通量與實測流通量基本相等，兩者的擬合關系分別達到了0.986、0.984和0.979，這表明在不同密度砂壤土中，探針位置和加熱時長并未受到明顯的影響，故調整后的方案是合理可行的；通過試驗數據，計算得到了1.4、1.5和1.6g/cm33種密度砂壤土對水的阻滯系數分別為9、9.6和9.7，阻滯系數隨著砂壤土密度的增大而增大，密度越大，孔隙率越小，滲流通道越少，對水的阻滯作用肯定就越強，通過阻滯系數可以對土石壩心墻材料的防滲效果和滲漏情況進行評價。

對改進后不同密度砂壤土的試驗誤差進行分析，結果見表1。

表1 試驗誤差分析

由表1可知，在優化前，檢測相對均方根誤差為30.45%，納什效率系數僅為-0.134，表明檢測結果可靠，但與實測值的偏差較大；探針位置和加熱時長優化后，相對均方根誤差均小于3%，且納什效率系數基本接近于1，表明實測水流通量與檢測值吻合匹配度較高，熱脈沖時域檢測方案質量和可靠性高，檢測結果可信度好。

圖4 不同密度砂壤土滲漏檢測結果

4 結語

基于熱脈沖時域技術對不同密度心墻材料滲漏情況進行模型試驗，得出如下結論：

(1)由于存在土壤入滲擴散現象，會帶走部分熱脈沖能量值，導致檢測結果誤差偏大，因而建議將探針位置向土層深部插入，在實際工程中建議將探針布置在土石壩中下游的位置。

(2)采用Td/Tu法計算得到滲流量比采用土壤水熱平衡理論計算得到的滲流量更接近于實際值，故在利用熱脈沖時域技術時宜采用Td/Tu法計算滲流量。

(3)對探針位置和加熱時長進行優化，優化后的檢測誤差均在3%以內，且納什效率系數均接近于1，表明檢測結果合理可靠，通過檢測到的阻滯系數可以對土石壩心墻材料的防滲效果和滲漏情況進行評價。

(4)由于時間精力有限，本文僅對砂壤土進行了試驗，關于其他類型心墻材料試驗將在今后作進一步研究。