基于脉冲响应函数分析模型的土坝热渗流监测

包成兵

(新疆玛纳斯县玛纳斯河水利管理处，新疆 玛纳斯 832200)

0 引 言

目前，用于大坝和堤坝渗漏识别的最有效和最有希望的方法之一是热分析方法。假设忽略其他热源，如地热和冻结过程、辐射和风的影响，水库中的空气和水的温度是大坝的主要热负荷[1]。对于零流速，只有从坝面向坝内传导的缓慢热传输。随着水流速度的增加，水库的温度随水流的误差质量移动得更快[2]，这导致了温度场的扰动。同样，在低渗流区和快速渗流区之间，堤坝的体温也存在显著的热差异[3]。最后，通过对坝体温度分布的分析，可以识别渗漏。此外，温度测量可以通过光纤电缆在其长度的每米处实现[4]。因此，这种被称为分布式温度传感的技术提供了对空间结构进行连续监测的可能性。然而，只有应用合适的热传输模型，才能对测量温度进行正确的分析[5]。特别是，它指在大坝下游坡脚进行的温度测量，该区域对大坝热渗漏监测非常有吸引力。首先，在大多数情况下，穿过坝体的渗漏路径到达该区域。其次，在该区域安装光纤电缆既便宜又容易，可以在现有大坝上实现。然而，用于分析下游坝趾数据的模型必须同时考虑外部热负荷(气温或/和水温)以及土壤饱和度变化。迄今为止，有两种先进且稳健的方法可用于分析下游坝趾的温度测量，即脉冲响应函数热分析(IRFTA)模型，以及用于处理光纤DTS温度测量数据的源分离技术[6]。首先，IRFTA模型允许对大坝中的热和水传输进行物理参数识别，包括渗漏识别及其强度估计。然而，它至少需要进行分析两个月的温度系列。该模型对于渗漏和侵蚀过程的物理分析非常有效。源分离技术的第二种方法使用完全统计模型的信号分析方法，它允许非常快速的渗漏检测。然而，它不允许估计过程的物理参数。最后，通过这两个模型，现在可以使用光纤进行复杂且非常精确的大坝热监测，该光纤定位在大坝的任何一点，尤其是下游坝趾。

1 数据与方法

IRFTA模型的背景：水工结构体中的热传输由能量方程描述，见式(1)。该方程的第二项和第三项分别描述了传导热传递过程和平流热传递过程，其中平流热传递过程定义为具有流动水质量的热传递。

(1)

式中：T为温度，℃；C为多孔介质的体积热容，J/℃；Cf为水的体积热容，J/℃；λ为多孔介质的导热系数，W/(m·℃)。

能量方程描述了一个抛物线方程。这意味着，如果热多孔介质性质和水流速度不变，则热传输(扩散平流)可以假定为线性行为。因此，可以使用格林函数方法来建立相关问题的合适模型。使用该方法，负载(输入信号)a(t)和系统响应(输出信号)y(t)通过系统h(t)的脉冲响应函数连接，公式如下：

(2)

其中*是数学卷积运算符，脉冲响应函数描述了输入信号。模型中，使用了两个参数(α，η)指数衰减形式的脉冲响应函数近似值：

h(t)≈R(α,η)

(3)

谐波分析解释了参数的作用。在缓慢变化的荷载条件下，η表示时间滞后，它量化了荷载开始和测量点系统响应之间的时间；α是信号阻尼因子。最终，IRFTA模型为以下形式：

T(x,t)=θC+RW(x,t)*θW(x)+Rair(x,t)*θair(x)

(4)

式中：θC为常数；RW、Rair为水温和气温荷载的脉冲响应函数近似值；θW、θair为大坝表面的水温和气温荷载。

实测温度T(x，t)由大坝对水温和气温荷载的响应叠加而成，分别在式(4)的第二项和第三项中表示。IRFTA模型包括4个参数，其中两个αw和ηw表示上游面热信号的转换(水温负荷)，下游热信号(空气温度负荷)由参数α空气和η空气描述。在特定条件下，IRFTA模型可以简化形式应用。如果温度传感器直接位于渗透饱和区，且忽略空气温度影响，则可使用以下模型：

T(x,t)=θC+hW(x,t)*θW(x)

(5)

相反，如果非水温对光纤温度有影响，则可以使用以下模型：

T(x,t)=θC+hair(x,t)*θair(x)

(6)

2 结果与分析

2.1 基于双参数IRFTA模型的实验池堤坝温度分析

IRFTA模型用于分析实验水池测量数据。实验池堤坝采用黏性材料建造，土工织物封套中封闭了局部高渗透砂带，以形成人工渗漏。同时专门为测试光纤热监测系统而建造了信息化的水利监测工程，并被安装在高或低的位置，可以被视为淹没区，以比较不同位置的渗透性。大坝下游面由土工布覆盖，土工布具有光纤电缆，光纤电缆安装在3个不同的水平面上，即顶部、中部和底部(图1)。土工织物层与人工渗漏区的下游流出之间存在直接接触。带有光纤的土工织物通过填充物保护。

图1 带渗漏位置的实验池堤坝剖面图

首先，利用气温和水温影响模型(式(4))对数据进行分析，结果表明水温对光纤测量温度的影响被忽略。在这种情况下，应用两个参数模型(一个负载影响)代替4个参数模型(空气温度和水温影响)，减少了计算时间并提高了数据复制精度。因此，在分析中只使用了由方程式(6)定义的气温影响模型。第一步根据空气温度对全光纤温度进行分析，第二步根据安装在堤顶以下几厘米处的热传感器测量的温度进行分析。在这两种情况下，无法清除渗漏区域。但在第二种情况下，我们发现确定系数的值更高，这意味着模型能够更好地再现数据。对于这项工程而言，除了空气温度外，外部对热电荷的影响非常重要，如太阳辐射或风的影响。顶部下方的热传感器测量的温度包括所有这些外部附加热影响，将其应用在分析中可提供更好的结果。

沿着堤坝的外部热电荷可能存在强烈的局部变化。考虑到这一点，我们分析了光纤电缆底部和中部每米测量的一系列温度，以及电缆顶部各点(堤坝同一横截面)测量的温度函数，结果见图2。在实验池堤坝的西侧，有3个人工渗漏区，两个位于低位，一个位于高位。由图2可知，底部电缆在所有3个渗漏区域，其中η参数的值明显较低，1-R2函数值增加。底部电缆位于所有渗漏的下方，并对所有渗漏进行检测。中部电缆位于高位渗漏下方，只有该渗漏会显著影响η参数值和1-R2功能。对于堤坝陆侧(下游)坡脚的最佳光缆位置非常重要。

图2 堤坝温度测量的IRFTA分析结果

另一方面，参数α的值几乎稳定，这表明土壤区域不受定向渗流速度影响。该参数的变化很大程度上取决于热传感器与水流之间的直接接触。相反，η参数值不仅取决于直接水流影响，还取决于地面饱和度。实验发现，排水最终很弱，所有水流在靠近地面的土工布底部扩散，最后没有直接接触安装在土工织物上的光纤，这解释了为什么非水温对土壤温度测量有影响。然而，即使水对光纤温度没有直接影响，但由于存在渗漏，土壤和土工织物的湿度变化也会导致热导率和热容的现场值发生变化。因此，在有渗漏和无渗漏的区域之间，来自堤坝下游面的传导热传输是不同的，它记录在参数η值变化中。另一方面，脉冲响应分析模型只描述了传热中的线性关系。然而，人工渗漏流量存在显著差异，它们与水库水位的非恒定位置有关。由于渗漏区周围湿度随时间的变化，导致热传输的非线性扰动。因此，IRFTA模型无法完美再现渗漏附近测量的光纤数据。这种仅与渗流存在相关的非线性效应也有助于通过确定系数R2的较低值来确认渗漏区的存在。

2.2 用四参数IRFTA模型分析河道堤坝渠道温度

本文描述的IRFTA模型的第二个应用为27 m高堤坝渗流过程的热分析。该河流的横截面见图3，光纤监测系统示意图见图4。渠道底部和边坡由钢筋混凝土板制成的保护构件覆盖，同时也是不透水层。光纤电缆位于堤坝陆侧坡脚，其全长位于土壤表面以下0.8 m的深度。

图3 河道横截面

图4 光纤监测系统示意图

初步分析结果表明，大部分测量点的温度受空气和水温的显著影响。因此，已采用式(4)定义的四参数IRFTA模型进行建模。模型的数据重现性非常好。对于所有测量点，确定系数R2高于0.99。通过对IRFTA模型参数值及其变化的分析，可以确定与不同渗流强度相关的堤坝几个水热区。由于文章篇幅所限，只描述3个选定的区域。第一个区域位于光纤电缆的700～815 m之间，该区域的分析结果见图5。对于空气温度对光纤温度的影响，我们观察到α空气参数的值在0.8～0.7之间变化。这意味着分别只有20%～30%的信号阻尼，因此空气温度的影响非常重要。纤维温度对空气温度负荷(η空气)的响应滞后时间约为20～30 d。在图5中可以看到，空气温度曲线和光纤温度曲线的最高温度或最低温度之间的时间差具有相似的值。通过IRFTA模型验证了参数值的正确计算。光纤温度响应对空气温度的滞时影响见图6。

图5 700～815 m光纤电缆之间温度分析的IRFTA模型参数值

图6 光纤温度响应对空气温度的滞时影响

另一方面，水温的影响很小。水温信号的阻尼为80%～90%(αw为0.2～0.1)，响应时间(ηw)为14～27 d。IRFTA模型参数的这些值排除了该堤防区域的重要渗流过程。

第二个区域位于880～950 m的光纤上，建模结果见图7。比较前一区域和该区域之间的参数值发现，对于水温影响的信号转换，阻尼稍低，尤其是在880～925 m的距离处，其中αw等于0.2～0.25(阻尼从80%～75%)。同时，水温信号的热量传输速度更快,ηw在9～20 d之间变化。与前一区域相比，气温信号传输更强(ηair等于0.76～0.91)，更快(ηw等于11～20 d)。这些气温信号转换参数的变化有明确的物理解释。由于渗流过程，渗流区周围的湿度区域更大，该区域土壤的饱和度更高，导致多孔介质的热参数值发生变化，如体积热容和导热系数。

图7 880～950 m光纤电缆之间温度分析的IRFTA模型参数值

然而，即使在所讨论的区域存在更显著的渗流，IRFTA模型参数值也排除了渗漏问题的存在。

在第三个区域中，光纤电缆(从990～1 100 m)位于护堤顶部附近。因此，该电缆不受渗流影响。我们只观察到显著的气温影响(αair在0.8～0.96之间变化)。对于水温影响，αw值接近于0，实际上这意味着零水温影响。

图8 990～1 100 m光纤电缆之间温度分析的IRFTA模型参数值

利用IRFTA模型，还确定了运河溢洪道的理论位置，即应建造成混凝土、开放式管道，从运河一侧穿过堤坝到达陆地一侧。通常，入口高于正常水位。只有在洪水期间，当运河水位显著上升时，才会工作。在温度测量过程中，管道是空的，只有空气填充。为了在堤坝中连续安装，光缆位于溢洪道周围和附近。在溢洪道位置处，模型参数值清楚地显示空气温度影响(αair≈0.95；αw≈0)由于溢洪道的混凝土框架，空气中的热量传输更快(ηw≈8 d)。

3 结 论

本文介绍了IRFTA模型在两种不同土工水工建筑物水力场热分析中的应用。研究发现，通过这种方法，仅与湿度变化程度相关的非常小的渗流过程影响以及直接接触光纤电缆的渗流都可以很容易被检测到。此外，模型参数的物理定义允许估计渗透过滤强度。通过对模型参数值及其变化的分析，还可以对观测到的热工水力过程进行清晰的物理解释，这是仅用统计模型无法实现的，这对于运河的土坝和堤坝行为评估尤为重要。因此，采用IRFTA模型进行温度监测和分析可以提高水工结构的安全水平。由于侵蚀过程(与渗漏过程相关)是早期和精确定义的，因此它也将大坝最终修复工作的成本降至最低。同时还预测了IRFTA模型在光纤测温分析中的应用，这项技术可以连续监测堤坝沿线的渗漏过程。在土坝或堤坝下游(陆侧)坡脚安装光纤电缆既简单又便宜，可作为现有结构的有效监测系统。