基于耦合分析的分布式光纤堤坝渗漏监测研究进展

周柏兵，王伟杰，易长春

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；3.宜兴市横山水库管理处，江苏 宜兴 214236；4.河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050021）

0 引言

堤防大坝历来是防洪减灾工程系统的重要组成部分之一，根据《2010年中国水利年鉴》，按水资源一级区划分全国共有堤防长度 29.1420万 km，其中重点堤防长度 11.6739万 km，保护耕地 4.6547×107hm2，保护人口58978万人，堤坝、大坝、海堤、海塘等工程在灌溉，防洪，航运，发电和供水等方面发挥了巨大的经济和社会效益[1]。但由于早期堤防大坝在设计和施工方面的先天不足，以及管理、维护方面的后天失调，很多堤防大坝出现的问题日益增多，其中堤坝渗漏是最普遍、常见的问题，给工程效益和人民生命财产安全带来了严重威胁。因此，深入研究堤防大坝的安全稳定性和破坏机理，对指导堤防大坝的安全建设和运行，具有重大意义。同时促使堤防大坝工程问题从单一场的研究向2场或多场（温度场、渗流场、应力场）耦合方向发展，从相关联的视角去剖析工程安全问题的机理和发展趋势。

渗流逐渐发展为大的堤坝渗漏甚至管涌属于缓变过程，需要长期的实时监测才能正确评估，通过监测坝堤内温度研究渗流是一种有效的手段。渗流引起坝体内温度场的改变是大范围的随机事件，且渗流场自身的地下隐蔽性，传统的点式监测容易产生漏检和对渗流难以定位的弊端，因此需要寻求更多或更完整的监测手段和分析技术。分布式光纤传感技术能对堤坝温度场和应变场进行长期实时的全断面监测，可更好地对工程问题进行预测预报。因此为更好地给工程的安全运行提供科学依据，需要对分布式光纤传感技术在堤坝渗漏监测中的应用情况进行研究。

1 研究意义

1.1 研究背景

1.1.1 渗流的危害和预报的重要性

渗流是水利工程较为重要的荷载，渗流稳定是堤坝设计、施工及运行的最主要问题。国内外堤防大坝失事实例统计结果表明，堤防大坝的失事大都由渗流引起，85% 以上的堤防安全事故源于渗透破坏，其中管涌导致的溃口决堤等破坏形式占到90%。因此，需对堤防大坝的渗流状况进行监控与分析，并对渗流发展态势及时预测与预报[2]。

1.1.2 探测和预报渗流场的局限性

国内外水利工程实践表明，堤防大坝安全是渗流场与应力场、温度场（3场）等共同作用的结果，单一研究渗流场或采用渗流场和温度场的耦合分析堤防大坝安全存在一定的局限性。因此，考虑多场耦合作用下的堤坝安全是当前研究热点。

近年来，国际上逐渐将连续性的温度示踪技术引入渗流场监测领域，应用效果表明利用堤坝温度场反馈渗流场是一种有效的渗漏监测辅助手段。国内外对土石形态堤坝温度场的系统测量和分析研究较少，即使分析，也大都限于定性分析，多为结合温度场和渗流场耦合分析的研究，一般未能考虑应力场的影响[3]。

基于以上考虑，需要针对土石堤坝开展分析研究，规划实验利用分布式光纤温度和应变监测系统，从土石坝温度场、渗流场与应力场基本参数入手，在数学模型和数值解法等方面继续研究3场相互影响的机理和规律，同时引入新的监测手段，从室内外模拟试验、现场监测等方面开展深入系统的研究，探索利用土石堤坝温度场、渗流场与应力场的耦合方法反馈分析土石堤坝渗流状况，期望及早发现土石堤坝渗漏隐患。

1.2 研究需求

堤坝重大突发事件直接影响国家饮水、公共、粮食与生态等的安全，对堤坝渗漏事件的监测与预警研究是保障堤坝安全，提高堤坝突发事件预测预警和应急处置能力的重要手段。分布式光纤堤坝渗漏监测技术能对堤坝安全进行实时的全断面监测和分析，该技术的发展适应防汛、减灾的需求。

1）基于多场耦合分析的分布式光纤堤坝渗漏监测机理研究，是落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要》确定的重点领域及优先主题的需要，也符合高新技术发展及产业化领域 2012年度国家科技计划预备项目的研究方向。

2）基于多场耦合分析的分布式光纤堤坝渗漏监测机理研究，是社会稳定和经济发展的需要。因此，通过开展分布式光纤堤坝渗漏监测机理研究，可最大程度地减少堤坝突发事件造成的损失和影响。

3）基于多场耦合分析的分布式光纤堤坝渗漏监测机理研究，是提高堤坝重大自然灾害监测预警与防控能力的需要。

溃决是堤坝突发事件的极端形式，造成的损害是巨大的，但也是可以防控的。一方面水库大坝溃决往往是由其它突发事件发生演变导致的，如洪水、渗透破坏、滑坡等，如对这些事件及时预测预警，采取科学的应对措施，堤坝溃决是可以避免的；另一方面工程溃决是有过程的，从堤坝有溃决迹象到溃决洪水对下游造成灾害是有“时间”空间的，如及时采取预警与处置，可大大降低溃决造成的人员与财产损失。

因此为了防控溃决事件，深入研究基于多场耦合分析的分布式光纤堤坝渗漏监测机理是非常必要的。

2 国内外研究进展

2.1 温度场、渗流场和应力场耦合研究进展

20世纪 70年代美国科学家 Witherspoon 正式提出耦合理论，耦合理论经过 80年代的完善与发展，主要局限于工程岩体地下水渗流场与应力场之间的耦合作用。在此期间 Barton[4]对工程岩体地下水渗流场、应力场与温度场之间的耦合作用进行了初步研究。进入20世纪90年代，瑞典学者 Jing[5]给出了相对较系统的岩体地下水渗流场、应力场和温度场耦合作用的研究模型，但对模型的简化实用还研究不够。

在该领域，我国的研究始于20世纪 80年代末，仵彦卿、柴军瑞、刘继山等学者对此进行的探讨和研究比较早。国内耦合研究也是侧重于渗流场-应力场、温度场-应力场、渗流场-应力场-温度场之间的耦合作用研究，各种耦合研究基本都是侧重数学物理方程的推导和有限元程序的建立。

在当前的研究中，有关渗流场-应力场、应力场-温度场之间的耦合研究比较热门，对于温度场与渗流场的耦合关系，国内人员也进行了建设性和突破性的研究。白兰兰[6]提出了裂隙热流模型，主要研究利用钻孔温度分布探测裂隙渗漏及定量计算渗漏量；王新建[7]等根据能量和质量守恒原理，对大坝集中渗漏通道进行简化，并根据钻孔测温建立了圆柱状堤坝渗漏温度示踪模型；陈建生，董海洲等[8]利用虚拟热源法研究坝基裂隙岩体中存在的集中渗漏情况，提出了堤坝渗漏量的虚拟热源法模型，该模型基于堤坝存在稳定集中管涌渗漏的情况建立，因此对于渗漏破坏（流土、接触冲刷）的其他情况不适用，而且未考虑应力场对温度场、渗流场的相互作用。

因此，在堤坝安全监测中，需考虑应力场作用下温度场探测渗流场，关键要实现对渗流状况的实时的全断面监测和分析。当有严重渗流发生时，应同时监测温度和应变的变化情况，渗漏通道周边的光纤传感可以借助温度和应变的变化特征识别严重渗漏，不断下降的温度曲线预示渗漏的发生，应变曲线的陡增则是严重渗漏引起土体沉降的判据。温度降低到大应变的急剧变化是预测严重渗漏导致沉降发生的重要信息，这种迹象显现直接关联预警行动的响应速度，在倒塌随时可能发生的紧要关头可以作为做出关键决定的判据。

针对原有研究成果存在的局限性，需进行温度场、渗流场和应力场的耦合研究，并引入分布式的光纤测温和测应变系统。

2.2 分布式光纤堤坝渗漏监测研究进展

随着光纤传感技术在土木工程、航天等领域的成功应用，采用分布式光纤传感技术监测水利工程中大坝施工和健康维护也日益受到关注，主要集中在对混凝土大坝和土石坝的监测研究，研究成果也逐渐被商业化，其中比较典型的有瑞士、英国和日本等国家。国内蔡德所[9-10]等利用分布式光纤监测大块体混凝土温度场的变化规律，准确反映了浇筑层混凝土温度的不同分布情况，以及相关影响因素的作用范围，为修正传统的经验模式、数据提供了客观的依据。李端有[11]等针对长江中下游堤防的特点及渗流控制的需要，探讨了分布式光纤测温技术在长江堤防渗流监测中应用的可行性。冷元宝[12]等针对黄河堤防的特点及渗流控制的需要，研究了基于分布式光纤传感的堤坝安全监测技术。望燕慧[13]等利用分布式光纤测温技术，对系统温度变化后的测温曲线与初始温度曲线进行对比分析，定性确定混凝土面板堆石坝趾板渗漏位置，结果表明，温度曲线上降幅最大的位置处是渗漏点。肖衡林[14]等研究了基于分布式光纤传感技术监测渗流的理论方程的建立，为该方法的应用提供了有力的理论支持，由于方程推导过程中进行了一定的简化和假定，因此理论还有待进一步检验和完善。

笔者利用分布式光纤测温技术在碾压混凝土大坝温度场监测方面做了大量研究和应用[15]，对系统测量温度与传统热敏电阻温度进行对比，数值完全吻合，能反映碾压混凝土大坝温度场，对该技术的应用做了一定基础工作。

3 关键问题的研究

本研究项目从温度示踪角度出发，研究堤坝的渗漏形成机理，建立温度场、渗流场和应力场耦合分析的数学模型，同时引入基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术和利用拉曼效应（ROTDR）的分布式光纤传感技术，进行3场耦合分析及堤坝渗漏监测技术机理探究，主要解决堤坝渗漏定性和定量的监测方法问题。研究主要包括以下内容：

1）温度场、渗流场和应力场耦合数学模型的建立。分析3场相互作用的机理，建立应力场条件下的温度场影响下的渗流场分布数学模型，以及应力场条件下的渗流场影响下的温度场分布数学模型。

2）应力场条件下的渗流场和温度场的特征和规律研究。在分析耦合数学模型变化规律的基础上，同时采用基于 ROTDR 的分布式光纤测温和 BOTDA的分布式光纤温度应变等系统，进行不同工况下的模拟堤坝渗漏的试验模型3场耦合试验。从渗流水头、渗透坡降和渗流量，以及温度、温度梯度等分析相应应力条件下，相应的渗流场和温度场的各自变化特征和规律，重点研究应力条件下温度场特征指标变化对渗流场的影响和敏感性，利用分布式光纤监测技术反馈大坝渗漏的定性和定量评估方法。

3）应力场条件下渗流场与温度场耦合数值模拟研究。利用 Geostudio 仿真软件建立试验水槽渗流场、温度场和应力场3场耦合有限元模型，对渗流 （渗透系数、渗流水头等）、温度场（比热容、热传导系数等）和应力场（弹性模量等）等基本参数进行敏感性分析，从而研究应力场条件下的温度场示踪渗流场的方法和规律特征。结合物理模型测值，对建立的数值模型进行对比，验证数值模型的正确性和适用性。

4）基于分布式光纤传感技术的渗漏监测技术机理研究。在分布式光纤传感技术监测温度、应变原理的基础上，从三维微元体传热过程出发，推导出应力条件下具有渗漏和内热源的多孔介质传热微分方程，给出基于温度示踪原理应力条件下的，分布式光纤堤坝渗漏监测技术的不同监测方法的监测方程；并从持续线热源的角度，得出分布式光纤渗漏监测机理。

4 结语

相比大坝渗流场、温度场单一分析研究，目前针对土石堤坝温度场、渗流场和应力场耦合研究还相对较少且不成熟，应在数学模型和数值解法等方面继续研究3场相互影响机理和规律的揭示，同时引入新的监测手段，从室内外模拟试验、现场监测等方面开展深入系统研究。

纵观国内外现状，分布式光纤温度传感技术在渗漏监测方面虽刚刚起步，但已显现在渗漏监测领域的优势，对于堤坝这类大型的线型工程，分布式光纤监测技术可实现线、面、体监测，是对传统监测技术手段的大突破。目前的大部分研究均局限于研究温度场和渗流场2场的关系，堤坝渗漏（温度）监测考虑变形的影响，向基于3场耦合分析的分布式光纤堤坝渗漏监测系统方向发展及进行相互作用的机理研究，有一定理论和应用意义。

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