基于DFOT热脉冲法的堤坝整体渗流监测

厉建阳

（蒙阴县水利局，山东 临沂 276000）

1996 年以来，分布式光纤温度测量（DFOT）技术的应用得到了极大发展[1]。光纤传感技术已成功应用于许多水工建筑物中，应用的重点在于温度传感和泄漏检测。如果有大量的水通过土壤基质迁移，土壤中热量传递的强度就会完全改变。即使是大坝或地基中很小的流体流动，也会导致土壤温度适应渗滤水的温度。由此产生的温度异常和热输运异常是泄漏检测的敏感标志。

堤岸大坝必须不断地、仔细地监测。除了必不可少的目测和渗流测量外，还使用不同的监测系统来评估结构的水力和静力性能[2]。大坝监测系统通常采用不同类型的仪器，这些仪器可以获得有关压力、应力、应变、位移或温度等不同物理量变化的重要信息。然而，这些仪器测量的值主要表示他们的位置。根据其性质，代表了结构或多或少扩展体积的物理行为。在仪器的位置之间，必须估计所测物理参数的分布。不可避免的是，使用这些数据来评估整体结构的状况包含不确定性。与使用传统仪器的测量相比，分布式光纤测量允许沿电缆进行连续测量，确保极高的信息密度。

1 分布式光纤温度测量

1.1 分布式温度传感（DTS）

分布式温度传感主要代表基于本身传感器的光纤温度敏感特性。使用强大的激光将光脉冲发送到集成在电缆中的光纤中。信号在每个光纤位置以低强度反向散射。除了背向散射光（瑞利波）的主要部分之外，还有其他低强度的峰值。布里渊光的频移和一定量的强度取决于散射点的温度和应变。广泛使用的拉曼系统正是基于这样一个事实，即拉曼光中所谓的反斯托克斯部分的强度取决于散射点的温度，因此在纤维中不允许出现应变。被测点到激光器的距离可由运行时间（时域OTDR）或光脉冲的频率（频域OFDR）确定。一次分布式温度测量的周期时间从几秒到几分钟不等。一次测量提供沿电缆分布的温度值，间距为0.25~1.0 m，读数精度可达±0.2 ℃。在大坝工程中，使用拉曼效应的光纤测量系统已成功运行了十多年。

1.2 DTS性能

DTS 仪器可从众多分销商处买到，但在价格和性能上有很大不同。在水利工程中，可靠性、测量范围（光纤的最大长度）以及温度和数据点间距的分辨率是值得重点关注的地方。

如果设备用于固定安装（如报警系统），可靠性是特别重要的。其标准测量范围为4~10 km，绝对温度精度（在整个光纤上的恒定偏移量）大约是相对精度的10倍。后者通过一组测量值（时间步长分辨率）或沿光纤的多个数据点（空间分辨率）的标准偏差来量化。分辨率对周期时间、光纤长度和数据点间距的主要依赖关系，如图1 所示。使用高端DTS 设备（如传感器哨点DTS-LR），分辨率可降至0.05 K。一些DTS 设备沿光纤获取多个数据点，以显示陡峭的温度梯度或阶梯如图2所示。

图1 分辨率对周期时间、光纤长度和数据点间距的主要依赖关系

图2 DTS结果与某大坝试验真实温度分布比较

1.3 泄漏检测应用

由于其高信息密度，DTS 技术非常适合监测水利工程结构中的温度场，已成为堤坝和堤坝渗漏检测的标准工具。该系统通常通过2 种主要方法实现：①梯度法（被动法），使用温度作为示踪剂来检测流型中的异常；②加热法（主动温度法），通过评估热脉冲引起的热响应来描述土壤中水的存在和移动。这些侧重于量化泄漏，而不仅仅是定位泄漏。

1.3.1 梯度法（被动法）

在土石坝和堤坝等水工建筑物中，内部温度场是流场的函数。梯度法是DFOT 测量的一种应用，通过使用自然温度梯度和波动来检测、定位和量化泄漏。这是一种被动方法，因为传感器直接测量现有温度，不会主动改变其周围的热条件。对具有防渗要求的河堤或水坝进行泄漏检测是被动法应用的典型。

温度梯度可能以永久性或季节性温差的形式存在，或以可能的渗漏源处的显著温度波动的形式存在。如果存在泄漏，温度异常将通过平流传输到结构中，并在整个土体中传播，从而扭曲温度场。测量的分布特征允许对异常进行精确定位，而且可以对受泄漏影响的区域进行相当精确的划分。该方法允许通过异常温度与外部温度历史比较来确定异常源，可通过给定位置的时间滞后和温度异常强度来估计泄漏的大小和范围，如图3所示。

图3 利用温度波动追踪热异常，并估算某泄漏渠道堤坝中的渗流速度

1.3.2 热脉冲法（主动法）

最初，热脉冲法是为梯度法不适用的应用而开发的。若水库水与测温地点（如地表下）之间既没有足够的温度梯度，也没有足够的季节性水库水温度变化，则会使用这种方法。

该方法要求在一定的时间间隔内沿电缆提供足够的分布式热输入。若在加热电缆中集成的铜线上施加交流或直流电压，则产生所需的线性热输入（线性欧姆电阻）。

电缆dTi中的热响应取决于电缆横截面（直径、材料）和电缆壁的热传输，主要由部分至完全饱和土壤中的传导或流速超过10~5 m/s 时的对流控制，分别如图4左、右侧所示。因此，初始状态T∞和加热状态Ti之间的温差dTi由电缆芯和电缆壁dTc之间的差值加上无限矩dTs之间的差值组成。

图4 具有瞬态传导和稳态对流的电缆截面上的温度分布

1.4 分布流速测量

在土壤中存在渗流的情况下，壁面处的流速和传热系数之间的关系适用于加热圆柱体的传热，这使得热脉冲法能够测量达西流速。流动边界层和壁上的热边界层的厚度随着速度的增加而减小。这种强制对流效应使加热电缆的热响应取决于流速。其仅在渗透性很强的土壤（即渗透系数≥10-2m/s）中存在对流，如图5所示。

图5 60 min后的不同电缆直径下流速与dTs变化

2 泄漏检测和内部侵蚀

2.1 综述

首先，内部侵蚀的检测应回答“内部侵蚀发生在何处以及在何种程度上影响大坝稳定性”的问题。因此，应重点关注内部侵蚀对渗流模式的影响。由于内部侵蚀的持续和发展通常与泄漏的增加同时进行，因此内部侵蚀的检测通常被视为等同于泄漏检测。通过可靠的泄漏检测，证明没有任何泄漏异常，可以排除过度的内部侵蚀。

然而，与内部侵蚀相关的风险水平仅通过泄漏检测很难来量化。即使没有任何明显的渗漏异常，侵蚀过程可能已经开始了。估计实际无泄漏阶段与内部侵蚀不同阶段之间的余量，需要更详细地考虑控制潜在颗粒运移的参数。将探测得到的颗粒的水力载荷与其理论阻力进行比较，可以帮助估计不同侵蚀阶段发生和持续的可能性。若已经在时间和地点检测到泄漏，则需要类似的概念。

最后，控制内部侵蚀的参数，如粒径、黏聚力、过滤性能、水力梯度、渗透率、流速等，即使在一个大坝内也会发生很大变化。故障发生在随机点，当这组参数超过临界极限时，尽管已知堤坝的某些区域具有高风险区域，但仍需要对整个结构检测，保证有足够的检测点空间分辨率才能准确判断故障渗漏发生位置。

2.2 泄漏检测

近10 a 来，分布式光纤测温已成为堤坝渗漏检测的标准工具，在堤坝建设中应考虑安装相应的监测系统。在许多情况下，内部侵蚀的检测与泄漏检测是同等重要的。因此，该方法在泄漏检测应用中具有明显优势，对内部侵蚀的检测也是有效的。采用热脉冲法进行泄漏检测必须考虑以下情况：观测结构的长度使得标准检测方法（如渗水流量测量）不可行或效率低下；任何对现有大坝进行重新检测的要求都不允许使用传统的检测策略；现场条件（如大坝结构、潜在破坏）需要特别的措施，如自动报警系统；主动温度法固有的高空间分辨率有助于评估更精确和可靠；梯度法不适用，因为既没有给出足够的水库水与测温位置（地表密封下或下游趾端）之间的温度梯度，也没有给出足够的水库水的季节性温度变化；需要饱和度和流速的局部信息，而不是被动法提供的泄漏异常的整体信息。

3 应用实例

3.1 沥青表面密封

在1996 年国外某大坝修复过程中，首次在新沥青表面密封下方安装了光纤电缆，用于泄漏检测，采用被动法对渠道堤坝进行监测。张少杰等[3，4]在2010 年使用主动法对大坝渗漏进行模型试验，同年其团队使用主动法对大坝渗漏进行了数值模拟。

3.2 混凝土表面密封

上述大坝修复过程中，其中的一部分已经用混凝土表面密封进行了修复，因此混凝土表面密封下方的第一次应用与沥青表面密封下方的应用是同时进行的。

3.3 土工膜

土工膜监测的第一个应用是在国外某实体工程，随后在2004 年，随着我国相关技术的发展，刘建国等[5]为改进填埋场防渗层系统结构设计，建立三种衬层中水分与污染物迁移的数学模型。2017年，屈晓禾等[6]研究了土工膜等诸多防范措施来消除因渗漏对环境尤其地下水的污染。该应用领域运用的一个特殊之处是德国的贝弗塔尔大坝，其中由钢板组成的中央密封使用PE-HD 土工膜延伸到坝顶。钢板和土工膜之间的接头通过光纤电缆进行监控。

3.4 坝趾

在所有上述应用示例中，在密封元件的基本修复或新结构的过程中安装了监控系统。在不需要或预计不需要修复的建筑中，监控系统可以安装在下游大坝趾部的排水装置或护堤上。代表工程包括锦屏一级水电站双曲拱坝、溪洛渡拱坝、大朝山水电站大坝等。

3.5 施工缝

另一个应用领域是监测施工缝，特别是具有表面密封的大坝中的周边接缝（底座）。坝体内的不均匀沉降可能对底土密封与面封接缝造成破坏。在毛里求斯的米德兰大坝上实现了基于光纤的泄漏检测系统的首次应用，用于监测基座。电缆直接安装在防渗墙和沥青表面密封之间的接缝处。我国研究人员近年来为研究混凝土面板堆石坝的渗漏量和渗透坡降的变化规律，采用有限元法模拟了不同缝、不同高程发生的渗流[7]。

4 结论

DFOT 具有许多技术优势，如信息密度高、适用于恶劣的现场条件以及安装简单灵活。目前DFOT被视为大坝监测的最先进工具，其应用范围从面板堆石坝和渠道堤坝的渗漏检测到碾压混凝土坝的温度监测。分布式温度传感仪器和方法本身的进一步发展使DFOT 成为大坝监测的关键技术。尤其是加热法的进一步发展，为分布式测定土壤中的含水量和流速带来了一种新的独特工具。