糯扎渡水电站大坝渗漏的稳态检测研究

糯扎渡水电站大坝渗漏的稳态检测研究

第38卷第9期2012年9月水力发电糯扎渡水电玷大坝渗漏的稳态检测研究谷涛，李川。(1．华能澜沧江水电：有限公司糯扎渡水电工程建设管理局，云南普洱665005；2．昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650000)摘要：土石体具有较低的热传导特性，温度场分布较均匀。当存在微量渗流且渗流水温与土温不同时，因渗流流动速度缓慢、稳定，土水间有充足的时间和充分的接触空间改变温度场。为监测糯扎渡堆石土坝反滤料区中的渗流情况，利用光纤Bragg光栅传感器在温度变化时波长会发生移位的特性，对不同渗流条件下土石体中正温度系数(PTC)热敏电阻稳定温度场分布进行了试验研究。结果表明，渗流流速与稳定温度的升降有一定的对应规律，可根据温度场信息，建立判识渗流状态的科学依据。关键词：大坝；渗漏；热脉冲；光纤Bragg光栅；温度；导热系数；糯扎渡水电站StaticDetectiononSeepageofNuozhaduDamGuTao’，LiChuanf1．NuozhaduHydropowererojeetConstructionandManagementBureau，HuanengLancangRiverHydropowerCo．，Ltd．，Puer665005，Yunnan，China；2．FacuhyofInformationEngineeringandAutomation，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650000，Yunnan)Abstract：Asthelowthermalconductivityofearth-rockmaterial，thetemperaturedistributioninearth—rockaggregateismoreuniform．Whenthereismicroseepageinearth—rockaggregateandtemperaturedifferencebetweenwaterandearth—rock，thetemperaturedistributioninearth—rockaggregatewillchangebecausetheslowerflowwillprovideenoughcontacttimeandspace．FormonitoringtheseepageinfiltermaterialzoneofNuozhaduCoreRockfillDam，thestabletemperaturefieldsofpositivetemperaturecoeficient(PTC)thermalresistorinearth-rockunderdiferentflowconditionsareexperimentallystudiedbyusingfiberBragggratingsensorsasitswavelengthcanshiftwithtemperaturechange．Theexperimentsindicatethatthevariationofseepageflowvelocityisrelatedtothechangeofstabletemperature．Consequently，theseepagestatecanbeestimatedbytheinformationoftemperaturefield．KeyWords：dam；seepage；thermalpulse；fiberBragggrating；temperature；thermalconductivity；NuozhaduHydropowerStation中图分类号：TV222；TV698．12(274)文献标识码：A文章编号：0559—9342(2012)09—0093—03大坝土质防渗体的抗渗安全取决于心墙防渗料独立地确定测量点处温度异常是否由渗流水活动引与反滤层的联合抗冲蚀作用和能力。如果心墙任何起的。这一变化可作为渗流探测的指征．从而实现一处的防渗料渗透破坏后，将形成渗流冲蚀，就有对土体内集中渗流点的定位和监测。两种发展过程和趋势：当反滤机制失效时，冲蚀越本文通过测得糯扎渡堆土坝反滤料中的温度场来越快，呈恶性循环，最终导致重大事故甚至溃坝；分布及其变化，研究渗流流速与稳定温度的升降之当冲刷的土粒或土团一旦被反滤料所截留，则渗流间的对应规律，并根据温度场信息，建立判识渗流通道被逐渐淤塞而自行愈合㈣。当土石体内存在大状态的科学依据。量水流动时，土石体热传导强度将随之发生改变，由此引起温度场变化，将打破该测量点处附近温度收稿日期：2012—07一l1分布的均匀性及同一组温度测量点之间温度分布的作者简介：谷涛(197O一)，男，云南楚雄人，高级工程师，主一致性。在研究该处正常地温及参考水温后，就可要从事水利水电工程施工及建设工作．WaterPowerVo1．38No．9圜n小／J及电ZU1Z年9月模拟大坝中埋有光电加热单元的局部区域，反滤料1工作原理埋住光电加热单元。基于光纤Bragg光栅的渗漏测量原理是将光纤在试验模型中装入25CIII高度的反滤料I，光电Bragg光栅粘贴于带铝制外壳的圆柱形PTC发热体加热单元埋在离反滤料表面大约10cm深左右的位的表面。当PTC发热体加热至热平衡时，发热体在置，槽顶部到反滤料表面有5cm高度，在传感器的砂土中形成不同的稳定温度分布，从而引起光纤敏感部位贴上一玻璃棒温度计。槽顶部设计一个有Bragg光栅的中心波长发生移位。PTC的铝制外壳的阀门的水管，槽底部可根据实验需求铺上防水布、热膨胀将对光纤Bragg光栅产生附加波长移位，起纱布、铁丝网等。实验槽为玻璃材质。到热增敏的作用。发热体产生的不同温度分布转换2．1正常渗流实验成光纤Bragg光栅波长移位，从而实现材料导热系模拟试验将水坝的水平渗流变为垂直渗流。槽数的现场在线测量。顶部阀门打开适度，水就会在重力作用下在反滤料水体从坝体中流过，当两种介质存在温度差时，中形成渗流，并从底部的铁丝网流出。当槽中水位必然产生热量交换。当把土石坝中流动的水体和认恒定时，水管水流量等于渗流量(平均渗流量)，将为相对不动的介质分开研究，坝体或坝基内部存在水流量再除以槽的底面积就得到了反滤料中的渗流渗流时，其热量交换应包括两部分：一部分为本身大小。正常渗流实验分别进行了同一压实度文验和的热传导作用，另一部分为渗流夹带的热量。在一不同压实度实验，在电压24V情况下，同一实度向导热的情况下，当土坝内部存在渗流时，热流量下正常渗流试验做了两次，光电加热单元的稳定温包括两部分：一部分是由于土体本身的热传导作用，度为56．9～57．5℃，温升为33．1～33．7oC。温升曲线见图1所示。为一A；另一部分是由渗流夹带的热量，为cwpT。因此热流量为：q=cI_AL(1)p式中，q为沿一维坐标轴方向的热流量；c为水＼的比热；P为水的密度；A为土的导热系数；为渗尉流速度；为温度。因此，在单位时间内流入单位体积的净热量为：一d：d+熹aA(＼u)』c2时间／min这个热量必须等于单位时间内坝体温度升高所图1同一压实度下正常渗流温升曲线吸收的热量．故：电压24V情况下对不同压实度饱和砂石进行了正常渗流试验，光电加热单元的最终温度为57-3～cp一+A()c357．5℃，温升为33．7-35．5℃，温升曲线如2所式中，C为土体的比热；P为土体的密度；t为时间。示将陔式推广到l二向导热的情况下，则考虑渗流影响35下的温度场维导热方程为：3025V[aVTp~jOx．鱼O．jI：df(4)xOx2015根据渗流场对温度场的影响机理分析，可知渗1O流速度直接影响了温度场的变化。式(4)表明，渗流5速度越大，对温度场的影响也越大。而渗流速度场020406080100120140l60的分布又由渗流场水头的分布H=H(x，Y，z，t)决定，时间／rain且Ⅱ=()。图2不同压实度正常渗流温升曲线2光电加热单元对渗漏实验的响应研究正常渗流的试验表明，在对光电加热单元加电在光电加热单元生产性试验中，从糯扎渡堆土24V的情况下，即使渗流流速不同，压实度不同，坝的心墙填筑区现场获取反滤料I放入试验槽中来光电加热单元的温升速度和最终稳定的温度在不同圜WinerPorVo1．38No．9n弟38卷弟9具Ij台昏，寻：稀LJ’』曼小电蚰八7雨日儒心他￡计y-f,渗流速度下差异不大。实验开始的20rain内，光电程，比如：自愈或扩展等。上述试验表明，渗流流加热单元的温升差值最大为1．8℃，出现在不同压速与稳定温度的升降有一定的对应规律，可根据温实度正常渗流实验开始15rain时。温度将在2．5h度场信息，建立判识渗流状态的科学依据，这三种后趋于稳定．稳定温度为56．9～57．5℃，温升为33．1～状态的温度场表现：①正常渗流状态或无渗流状态，35．5℃。稳定温度和温升分别在0．6oC，2．4oC间通电后各测点的稳定温度点较高，温度在56．9～58．6变化。℃之间，且分布均匀；②集中渗流逐渐自愈状态，2．2集中渗流实验通电后温升受渗流散热抑制而分布不均，呈漏斗状，当土石坝发生集中渗流时，处于渗流通道中的离渗漏通道较远处稳定温度点较高，而愈近稳定温光电加热单元是被水直接冲刷的。在实验室中，让度点愈低(55．5～56．9oC)；随着逐步自愈向均匀化水直接从光电单元的传感部位流过。当光电加热单分布、较高温升过渡。③集中渗流逐步扩展状态，元加热稳定时．水流温度与光电单元传感部位存在温升分布呈漏斗状，随渗漏量增加，渗漏通道邻近温度差。水流过传感部位，水与光电单元进行热交区域内稳定温度点逐步降低，漏斗状分布愈明显换后将引起光电单元波长的变化。试验结果表明，(55．5-56．9℃)。加热开始的20分钟内光电加热单元的温升快慢差异参考文献：不大，10分钟时的温升最大差值为1．5℃。最终温[1]吕琼芬．土质坝水库渗漏的主要原因及防渗处理措施[J]．大坝度为55．5～56．9℃，温升为32～33．9oC。终止波长随与安全，2010(6)．着水流的减小趋向正常渗流的波长，参见图3。『2]陈群，谷宏海，何昌荣．砾石土防渗料一反滤料联合抗渗试验[J1．四川大学学报：工程科学版，2012(1)．3O[3]王金花．水库大坝安全监测鉴定评估新标准与除险加固工程技25术及洪灾风险评估预控实用手册[S]．2005．20『4]李川，张以谟，赵永贵，等．光纤光栅：原理、技术与传感应p遗15用[M]．北京：科学出版社，2005．赠lO[5]李川，由静，李英娜，等．双套管式光纤Bragg光栅温度传感器[J]．光学技术，2010，36(2)：244—247．5[6]李川，吴晟，刘建平，等．铠装光纤Bragg光栅温度传感器的研O究[J]．传感器技术，2005，24(4)：29—30，33．时间／min(责任编辑高瑜)图3集中渗流光电加热单兀温升曲线．址．驰．驰在集中渗流情况下。光电加热单元的稳定温度随流速呈下降趋势。4次试验的稳定温度相差1．4℃，土耳其FEKE—I水电站顺利通过温升相差1．9。光电加热单元与水之问的热交换是土耳其国家能源部的验收有限的，当光电加热单元被水带走的热量达到极值时。流速的改变对光电加热单元的温升影响不大。当地时间2012年6月25日，土耳其FEKE—I项目顺利3结论通过土耳其国家能源部组织的竣工达标投产验收。FEKE—I水电站装设2台16．2MW混流式机组．为中国水大坝土质防渗体的抗渗安全取决于心墙防渗料电顾问集团华东勘测设计研究院在土耳其承接投产发电的第与反滤层的联合抗冲蚀作用和能力[。如果心墙任3个项目。项目于2012年6月5日首次启动机组，6月20日何一处的防渗料渗透破坏后，将形成渗流冲蚀，就完成了两台机组有水调试、并网、带负荷运行、甩负荷试验，有两种发展过程和趋势：当反滤机制失效时，冲蚀各项测试符合要求。机组运行和甩负荷试验、噪音和振动第越来越快，呈恶性循环．最终导致重大事故甚至溃三方检测、机组效率试验、模拟保护试验等工作。通过华东坝：当冲刷的土粒或土团一旦被反滤料所截留．则院的组织和各参建单位的努力，一次性通过土耳其国家能源部达标竣工验收。至此，FEKE—I电站将进入72h试运行阶渗流通道被逐渐淤塞而自行愈合。故从大坝安全的段，试运行后电站全部机电设备将交由业主进行管理。角度，大坝渗流状态存在3种类型：①正常渗流；华东院项目克服欧洲发达国家标准要求高、工作许可难、②局部集中渗流而逐渐自愈一冲蚀通道淤塞；③局部项目成本高等困难，充分发挥了其设计优势和项目整体管理集中渗流而逐步扩展一冲蚀恶化。能力，使项目比合同工期提前一个多月通过验收。本项目的在糯扎渡工程中．通过测得其反滤料的温度场成功实施，为华东院在土耳其市场的营销取得了良好的市场分布及其变化，判定渗流冲蚀的发生，以及发展过声誉。(华东勘测设计研究院)WaterPowerVo1．38No．9圜