土石坝渗流热脉冲时域反射技术检测方案设计优化研究

刘海洋

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

土石坝是水利工程大坝中最常见的类型，由于设计施工简单，成本较低，因此在中小型水利工程建设中得到了广泛应用[1]。由于渗流问题一直是威胁土石坝安全的重要因素，因此对土石坝渗漏情况进行及时探测对保证大坝的运行安全具有十分重要的意义[2]。目前国内外针对土石坝渗漏监测的主要方法有地震法、温度法、综合示踪法、高密度电法等多种方法[3]。显然，土石坝的渗流与土体的物理力学性质具有显著的关联性，而针对土壤的多物理参数的连续定位测量一直是土壤研究的难点问题[4]。近年来，随着计算机信息技术和数据采集技术的发展，热脉冲技术作为一种新技术在土壤研究中得到广泛应用[5]。1996年，Noborio 等将该技术和时域反射技术相结合，提出了热脉冲时域反射技术，首次实现了对土壤进行水、热同时测量[6]。该技术具有数据连续性好，自动化程度高等诸多优势，不仅可以测量渗流量的大小，还可以准确测量渗流点位的位置，因此在水利工程渗流监测中发挥出重要作用。显然。要利用该技术对土石坝渗流预警提供强有力的支持，热脉冲探针的布置是一个关键问题。因为该技术主要适用于一维流场，如果传感器所处的位置不同，对测量精度的影响是十分显著的。因此，本次研究利用HYDRUS-3D 软件对土石坝进行渗流模拟，并根据模拟结果进行技术方案优化，为高精度测量提供支持。

1 工程背景

郭台子水库位于辽宁省喀左县白塔子镇郭台子村境内的大凌河水系蒿桑河支流上，是一座以防洪和灌溉为主，利用灌溉水发电的多年调节型小(1)型水利工程[7]。水库的设计库容为4500万m3，其灌溉区面积为8666.67 hm2。水库修建于上世纪七十年代，由于当时的设计和施工标准较低，加上长时间运行，水库的病险问题日渐突出。因此，辽宁省朝阳市决定对其进行除险加固施工，加固后的大坝为混合坝型，主坝的轴线长369.57 m，其中混凝土坝段长42.95 m，土坝段长326.62 m，坝顶高程为350.30 m。郭台子水库的电站为轴流定浆式机组，初始装机容量为23 kW，多年平均发电量为65 501 kW·h，最大水头6.61 m，最小水头5.51 m，额定水头6.00 m，电站设计引用流量0.60 m3/s。

2 研究方法

2.1 模型简介

HYDRUS-3D软件是由美国国家盐改中心开发的一款土壤水分、溶质运移规律数值模拟软件，主要由主程序模块、项目管理模块、几何图形模块、网格生成模块、边界条件设定模块、添加模块以及图形生成模块等七大基本模块组成。能够对饱和与非饱和条件下的土壤水分运移、溶质的输移以及热传导进行良好模拟。该软件凭借其精确的模拟结果以及强大的功能，在该领域获得广泛应用，其结果可以较好体现土壤中水分运动的基本规律[8]。

2.2 模型的边界条件

HYDRUS-3D软件提供渗流、溶质运移、热输运、根系吸水等四种基本的计算功能[9]。由于本次研究仅对大坝土体中的水流运动和扩散情况进行模拟，并不考虑热运移的影响，因此研究中仅采用HYDRUS-3D软件中的渗流计算功能。在模拟计算中，大坝土体的水力学参数采用软件中自带的设定值。研究中根据郭台子水库大坝土坝段的几何结构参数建立相应的模拟区域，主要包括土坝坝段的上下游水位边界，下游的渗出面边界以及大气边界，坝基和坝肩为不透水边界。

2.3 有限元网格单元划分

在HYDRUS-3D模拟计算中，需要将对模型的试验区域进行网格划分，也就是有限元模型空间网格化，通过网格划分，将模型划分为相连的网格，对每一个网格单元进行近似求解，然后再获得整个试验模型的解，最后获得模拟结果。显然，网格单元的大小也就是网格密度或对计算结果的准确性以及计算的规模产生直接影响。所以，在保证模拟计算结果准确性的基础上，应该尽量减少网格单元的数量，以降低运算的规模。因此，在模型的网格划分中，需要对波动性较大的区域使用尺寸较大的网格，对波动性相对较小的区域则适应尺寸较小的网格。在本次模拟中，水流的入口位于模型的顶部，水流的出口位于模型的底部，水流进出口部位的水流运动速度快，变化比较剧烈，因此需要对模型的上述部分进行加密处理，模型上远离进出口区域的水流运动速度较慢，变化比较平缓，因此应该对该部分区域进行稀疏化处理。最终，整个模型划分为8076个网格单元，5796个计算节点。

2.4 模拟时间设置

研究中为了更好模拟土石坝内的渗流情况，在试验过程中将模拟时间设定为120 min。利用上节构建的模型对模拟时段中的渗流情况进行模拟计算，进而获得大坝渗流运动变化规律。模拟过程中的时间间隔为5 min，也就是每5 min提取一次模拟计算结果。

3 模拟结果与分析

3.1 热脉冲加热时间优化

图1 加热时间8 s的计算值和实测值对比

为了研究渗流热脉冲时域反射技术的郭台子水库土坝不同渗流情况下的适应性和准确性，在研究中设计了1.65×10-5m/s、1.96×10-5m/s、2.28×10-5m/s、2.59×10-5m/s、2.91×10-5m/s、3.19×10-5m/s、3.53×10-5m/s、3.85×10-5m/s、4.16×10-5m/s、4.47×10-5m/s、4.79×10-5m/s、5.10×10-5m/s、5.42×10-5m/s、5.73×10-5m/s、6.04×10-5m/s、6.36×10-5m/s、6.67×10-5m/s等17个不同的渗流流速水平，热脉冲的加热时间设定为8 s；根据郭台子水库土坝的现场调查数据，大坝土体的压实密度设置为1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3三个不同数值。利用上节构建的模型对上述工况下的水流通量进行模拟计算，计算值和实测值的对比如图1所示。由图可知，在不同的压实密度条件下，模拟计算结果和实测结果均呈现出良好的线性关系，说明渗流热脉冲时域反射技术可以较好监测土石坝的渗流情况。此外，从图中还可以看出，当水流通量大于6.5×10-6m/s的情况下，模拟计算结果和实测值之间的误差相对较大，也就是在8 s热脉冲测量时，大渗流情况下的监测精度相对较低。

在大渗流量情况下，热脉冲能量受到快速渗流水流的作用而被带向探针的远端，进而影响到测量精度。显然，要提高大渗流量条件下的渗流精度，可以通过热脉冲时间的调整以适应不同渗流量的测量要求，但是，受到其他因素的制约，加热时间也不宜过长。因此，研究中在其他条件不变的情况下，将热脉冲加热时间调整为15 s，然后利用上节构建的模型对上述工况下的水流通量进行模拟计算，计算值和实测值的对比如图2所示。由图可知，热脉冲加热时间调整后的模拟结果与实测结果更为接近，不同流速条件下的模拟值和实测值之间的相关性更好，因此，加热时间为15 s的测量准确性更高。

图2 加热时间15 s的计算值和实测值对比

3.2 传感器布设位置设计

利用上节构建的模型，结合郭台子水库的实际运行情况，对10 m和15 m两种不同压力水头条件下的土坝段坝内渗流情况进行模拟计算，根据计算结果，绘制出图3和图4所示的不同模拟时长下的坝内含水率分布图。由图可知，随着模拟时间的增加，坝体的含水率也逐渐增加和扩散，在10 m和15 m水头条件下，分别在38.4 h和28.8 h达到整体含水率扩散均匀。由此可见，随着大坝上游水位的升高，水压力变大，因此渗透所需要的时间变短，同时，坝体的浸润线有所上升，而下游的渗出面位置也会有所上移。因此，在实际监测过程中，可以将传感器埋设到大坝坝体浸润线以下或者渗出面以下位置，以检测出坝体渗漏情况。

图3 10 m水头条件下坝内含水率分布图

图4 15 m水头条件下坝内含水率分布图

4 结 论

本次研究以辽宁省喀左县郭台子水库大坝土坝段为例，利用HYDRUS-3D软件进行了土坝坝体渗流模拟研究，根据研究结果对渗流热脉冲时域反射技术检测技术方案进行优化，获得的主要结论如下：

(1)对不同流速和不同土体压实度条件下的模拟值和实测值的相关性进行对比分析，结果显示加热时间为15 s的测量准确性更高，因此推荐在工程应用中采用加热15 s方案。

(2)在实际监测过程中，可以通过模拟计算结果将传感器埋设到大坝坝体浸润线以下或者渗出面以下位置，以检测出坝体渗漏的实际情况。