李 洲

(东莞市正源工程质量检测有限公司，广东 东莞 523000)

土石坝是水利工程中最为常见的坝型之一，土石坝的数量约占水电大坝数量的80%以上，但随着运行时间的增加，一些土石坝也出现了各种各样的问题，其中尤以渗漏问题最为严重，为了提高土石坝的运行安全，必须对土石坝开展常态化的渗漏检测[1- 2]。

常用的渗漏检测法包括自然电场法、高密度电法、地震法、温度法、分布式光纤法、流场法、综合示踪方法等，这些检测技术要么存在检测精度不高的问题、要么就是对土壤扰动较大，抑或是检测费用较高，不能在水利工程中长时间大面积使用，因而需要寻求一种新型检测方法来替代以上技术[3- 5]。热脉冲技术是一种通过测定土壤介质的热特性(如土壤热导率、容积热容量以及扩散系数等参数)来反映土体中水流流速、含水率、蒸发量等参数的技术手段。热脉冲探测设备体积小，质量轻，对土壤扰动小，工程造价低，可实现连续定位检测，测量精度高等诸多优点[6]。时域反射技术是一种利用电磁波在不同介质中的传播速度不同来测定土壤含水率和电导率的技术，可对土壤物理性质的时空间变异性进行实时测量[7]。将热脉冲技术和时域反射技术相结合，即可得到基于热脉冲时域技术的渗漏检测技术，该技术基于土热平衡理论，可实现土壤孔隙度、含水量、水流通量、水流流速等多种参数的实时连续测量[8]。

本文基于热脉冲时域技术，建立土石坝心墙材料模型，对不同密度砂壤土渗漏进行了检测，以期能为土石坝渗漏检测工作提供参考。

1 大坝渗漏检测方案设计

1.1 仪器设备和材料

仪器设备主要包括电子天平、渗漏测量仪、蠕动泵、数据采集器、计算机等。热脉冲传感器的探针长度为4cm，直径为1.3mm，共布置3根探针，探针间距为6mm，在中间探针中安装加热电阻丝，探针与同轴电缆相连，均通过热电偶来测量土体结构内部温度，在测试过程中利用琼脂溶液来标定探针与探针之间的距离，如图1所示。材料主要包括不同密实(压实度)的砂壤土，密度分别为1.4、1.5g/cm3和1.6g/cm3。

图1 热脉冲传感器示意(单位:mm)

1.2 布置方式

将数据采集仪、继电器、加热丝、直流电源等串联起来，组成一个完整的试验供电线路，数据采集仪又分别与热电偶和计算机相连，通过与热电偶相连来测试温度的时空变化，通过与计算机相连来实现数据的传输和存储；继电器作为整个线路的开关，并通过数据采集仪控制端口的激发电压来实现对继电器的控制。

1.3 试验方法与步骤

采用模拟试验法进行试验，将不同密度砂壤土装入有机玻璃来模拟不同压实度的土石心墙材料，通过橡胶管和蠕动泵向有机玻璃中土体提供渗漏水，并控制渗漏水的水流流速，通过热脉冲传感器实现对砂壤土渗漏量的测量。

试验步骤：①将砂壤土去除杂物，通过烘干筛选后装入有机玻璃柱中，有机玻璃柱的上下均加设盖子，并分别设置一个透水细孔，在透水细孔上铺设一层定性滤纸；②将装填好的土柱体与热脉冲传感器的探针相连，然后进行密封处理，确保渗流试验过程中水不会外泄；③在数据采集之前需要对热脉冲探针加热，加热时长为8s，探针采集数据的间隔时间为1s，每次检测的时间周期为99s；④利用盛水装置收集渗出水，当出水量与入水量相等时，表明玻璃柱的土体达到饱和状态，可以开始数据采集。

2 测试效果

以1.4g/cm3的砂壤土为例，将水流流速设定为0.0098、0.0137、0.0176、0.021、0.0255、0.0294mm/s，对该密度下的砂壤土进行渗流测试，并用土壤水热平衡理论和上下游温度上升比率法(Td/Tu法)计算土体渗流量，结果如图2所示。

图2 砂壤土水流通量与实测值关系

由图2可知，理论上，渗流量计算值应全部落在1∶1线上，但实际上计算渗流量与实测渗流量有偏差，且均位于1∶1线下方，表明计算值均小于实测值，而且偏差随着渗流量的增大而逐渐增大，这主要是因为在渗流试验刚开始时，存在土壤入渗扩散现象，且探针距离入渗口较近，经过热脉冲位置的水流并没有扩散开来，导致热脉冲加热产生的能量被带到远离探针的位置，探针所能采集到的能量值小于热脉冲扩散值，进而导致计算值偏小；采用Td/Tu法计算得到的渗流量与实测流量更为接近，因此在利用热脉冲时域技术进行土石坝渗漏检测时，宜采用Td/Tu法计算渗流量，但相对均方根误差仍然达到了30.45%，故需要对渗流检测方法进行改进。

3 方法改进

3.1 改进措施

受限于热脉冲探针位置的影响，计算水流通量与实测值有较大偏差，因而需要对探针位置进行优化。应用HYDRUS- 2D对砂壤土在不同时刻的水分入渗情况进行分析，结果如图3所示。

图3 不同时刻砂壤土垂直入渗含水率剖面

由图3可知，随着入渗时间的增加，土壤含水率逐渐升高并向土体深部发展，当入渗时间达到50min后，土壤中的含水率流场基本达到稳定，且在距离顶部水源12cm处，水分流场基本达到水平，故在模拟试验中，需要将热脉冲传感器探针埋入12cm土层以下，而在实际工程中，则可以根据土石坝的渗流场稳定场确定合理的传感器埋入深度(中下游为最合适的区域)，从而减小检测误差。与此同时，为了进一步确保热脉冲加热产生的能量能被探针足量探测到，通过多次调试，将8s加热时间延长至15s，从而产生更多的热量，即使被冲散一部分，还能确保所采集到的能量值不低于扩散值。

3.2 改进后的检测效果

对探针位置和加热时长调整后的检测效果进行试验，分别在1.4、1.5和1.6g/cm33种密度的砂壤土中进行，流速水平共设置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种，结果如图4所示。

由图4可知，调整探针位置和加热时长后，测算水流通量与实测流通量基本相等，两者的拟合关系分别达到了0.986、0.984和0.979，这表明在不同密度砂壤土中，探针位置和加热时长并未受到明显的影响，故调整后的方案是合理可行的；通过试验数据，计算得到了1.4、1.5和1.6g/cm33种密度砂壤土对水的阻滞系数分别为9、9.6和9.7，阻滞系数随着砂壤土密度的增大而增大，密度越大，孔隙率越小，渗流通道越少，对水的阻滞作用肯定就越强，通过阻滞系数可以对土石坝心墙材料的防渗效果和渗漏情况进行评价。

对改进后不同密度砂壤土的试验误差进行分析，结果见表1。

表1 试验误差分析

由表1可知，在优化前，检测相对均方根误差为30.45%，纳什效率系数仅为-0.134，表明检测结果可靠，但与实测值的偏差较大；探针位置和加热时长优化后，相对均方根误差均小于3%，且纳什效率系数基本接近于1，表明实测水流通量与检测值吻合匹配度较高，热脉冲时域检测方案质量和可靠性高，检测结果可信度好。

图4 不同密度砂壤土渗漏检测结果

4 结语

基于热脉冲时域技术对不同密度心墙材料渗漏情况进行模型试验，得出如下结论：

(1)由于存在土壤入渗扩散现象，会带走部分热脉冲能量值，导致检测结果误差偏大，因而建议将探针位置向土层深部插入，在实际工程中建议将探针布置在土石坝中下游的位置。

(2)采用Td/Tu法计算得到渗流量比采用土壤水热平衡理论计算得到的渗流量更接近于实际值，故在利用热脉冲时域技术时宜采用Td/Tu法计算渗流量。

(3)对探针位置和加热时长进行优化，优化后的检测误差均在3%以内，且纳什效率系数均接近于1，表明检测结果合理可靠，通过检测到的阻滞系数可以对土石坝心墙材料的防渗效果和渗漏情况进行评价。

(4)由于时间精力有限，本文仅对砂壤土进行了试验，关于其他类型心墙材料试验将在今后作进一步研究。