土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究(1)

1、土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究(1)(1)土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究(1)(1)摘要：文章對(duì)土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理、研究歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，對(duì)土石壩的熱學(xué)特性以及土石壩溫度與滲流的關(guān)系等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了討論，從理論上證明利用分布式光纖量測(cè)得到的溫度場(chǎng)，通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算可以得到滲流場(chǎng)的滲透系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滲流場(chǎng)的監(jiān)摘要：文章對(duì)土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理、研究歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，對(duì)土石壩的熱學(xué)特性以及土石壩溫度與滲流的關(guān)系等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了討論，從理論上證明利用分布式光纖量測(cè)得到的溫度場(chǎng)，通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算可以得到滲流場(chǎng)的滲透系數(shù)，從而

2、實(shí)現(xiàn)對(duì)滲流場(chǎng)的監(jiān)測(cè)。思想?yún)R報(bào) http:/ http:/ 滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理 代寫(xiě)論文 http:/土石壩的土石體介質(zhì)內(nèi)非滲流區(qū)的溫度場(chǎng)分布受單純的熱傳導(dǎo)控制，在土石體表層 1015m 范圍內(nèi)，溫度場(chǎng)受流體(空氣、水)的季節(jié)性溫度變化控制，越靠近表面區(qū)域與流體溫度越一致。由于土體具有較低的熱傳導(dǎo)特性，土體導(dǎo)熱率低，溫度場(chǎng)分布較均勻，流體溫度與土體內(nèi)部的溫度差別隨深度而增加。 畢業(yè)論文 http:/當(dāng)土石體內(nèi)存在大量水流動(dòng)時(shí)，土石體熱傳導(dǎo)強(qiáng)度將隨之發(fā)生改變，如滲透系數(shù)大于 10-6m/s，土石體傳導(dǎo)熱傳遞將明顯被流體運(yùn)動(dòng)所引起的對(duì)流熱傳遞所超越。即使很少的水體流動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致土石體溫度與滲漏水

3、溫度相適應(yīng)，由此引起溫度場(chǎng)的變化。將具有較高靈敏度的溫度傳感器埋設(shè)在土石壩的土石介質(zhì)的擋(蓄)水建筑物的基礎(chǔ)或內(nèi)部的不同深度。如測(cè)量點(diǎn)處或附近有滲流水通過(guò)(滲透流速一般必須大于 10-6 m/s)，水流的運(yùn)動(dòng)和遷移，土中熱量傳遞的強(qiáng)度發(fā)生改變，將打破該測(cè)量點(diǎn)處附近溫度分布的均勻性及溫度分布的一致性。土體溫度隨滲水溫度變化而變化。在研究該處正常地溫及參考水溫后，就可獨(dú)立地確定測(cè)量點(diǎn)處溫度異常是否是由滲漏水活動(dòng)引起的，這一變化可作為滲漏探測(cè)的指征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土體內(nèi)集中滲漏點(diǎn)的定位和監(jiān)測(cè)。2 滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究歷史和現(xiàn)狀2.1 利用點(diǎn)式熱敏溫度計(jì)測(cè)量溫度進(jìn)而監(jiān)測(cè)滲流場(chǎng) 畢業(yè)論文http:/早期滲流

4、熱監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)在水工建筑物或其基礎(chǔ)內(nèi)埋設(shè)大量熱敏溫度計(jì)來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。美國(guó)加利福尼亞 occidental 大學(xué)地質(zhì)系的 josephh.birman 等人從 1958 年開(kāi)始研究利用這一技術(shù)勘探地下水，1965 年 josephh.birman 將這一技術(shù)用于水壩的漏水探查中，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。美國(guó)墾務(wù)局也將這一技術(shù)成功地應(yīng)用于一些病險(xiǎn)土石壩的治理。前蘇聯(lián)將其擴(kuò)展至混凝土壩，在水庫(kù)蓄水后發(fā)現(xiàn)了地下集中滲漏通道。上述測(cè)量方法的致命缺陷是對(duì)土體內(nèi)溫度實(shí)施點(diǎn)式測(cè)量，因測(cè)量點(diǎn)有限，對(duì)溫度場(chǎng)分布中的不規(guī)則區(qū)域集中滲漏往往漏檢，因此增大了對(duì)滲漏通道的漏檢概率。 畢業(yè)論文 http:/2.2 熱脈沖方

5、法（hpm）滲流監(jiān)測(cè)技術(shù) 作文http:/ 10-7m/s 引起的傳熱以外的熱量傳遞部分。使用一個(gè)線(xiàn)熱源，可以在大壩內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)非常確定的熱量擾動(dòng)。根據(jù)所在處的熱傳導(dǎo)率和滲流流速，在熱源范圍內(nèi)就可以獲得隨一個(gè)隨時(shí)間的特定溫升情況。通過(guò)測(cè)定這個(gè)作為時(shí)間函數(shù)的溫升，并與數(shù)值模型得到的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)對(duì)比，就可能決定滲漏的流速，這就是熱脈沖方法（hpm）滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)。熱脈沖方法的探測(cè)深度取決于加熱時(shí)間、熱源強(qiáng)度和孔隙水的流速。一般情況下，如果加熱周期在 6 到 8 個(gè)小時(shí)之間，小到 10-6m/s 量級(jí)的流速就可以被測(cè)到。 代寫(xiě)論文 http:/2.3 分布式光纖熱滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)作文 http:/ 40k

6、m 的光纖上實(shí)時(shí)連續(xù)采樣并能對(duì)測(cè)量點(diǎn)定位，測(cè)溫精度和空間分辯率也都有很大的提高。目前，這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如高壓輸電線(xiàn)、化工廠(chǎng)的反應(yīng)器等的溫度分布探測(cè)等。光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)可望取代傳統(tǒng)點(diǎn)式溫度傳感器應(yīng)用于壩工、堤防的滲漏監(jiān)測(cè)中，并可以大大提高發(fā)現(xiàn)水工建筑物及其基礎(chǔ)集中滲漏通道的概率。 將分布式光纖溫度測(cè)量應(yīng)用于土石壩內(nèi)部的滲漏探測(cè)有兩種方式：即梯度方式和電熱脈沖方式。梯度法即利用光纖系統(tǒng)直接測(cè)量土體內(nèi)實(shí)際溫度，不對(duì)光纜進(jìn)行加熱，其前提是河道或庫(kù)水溫與量測(cè)位置土體溫度存在比較明顯的溫度差，從而在滲漏水周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生局部溫度異常。電熱脈沖法是通過(guò)對(duì)光纜保護(hù)層的金屬外殼或特制光纜中的電導(dǎo)體通電

7、，使光纜加熱到一定程度，可克服可能的各種不利影響。當(dāng)存在滲漏水流時(shí)，光纜加熱過(guò)程中可以看到滲漏區(qū)的明顯溫度分布異常。這兩種方式用來(lái)探測(cè)集中滲漏均已試驗(yàn)成功，且后一種方式適用范圍更廣泛。 畢業(yè)論文 http:/3 土石壩的熱學(xué)特性 作文 http:/ 在一個(gè)無(wú)滲漏的土石壩內(nèi)，溫度分布由純熱傳導(dǎo)的方式控制的。壩內(nèi)1015m 深處的溫度場(chǎng)則主要受壩表面的季節(jié)性溫度變化控制。壩表面以下部分，季節(jié)性溫度的最大和最小值直接與空氣和水的溫度值相關(guān)。由于大壩通常是由低熱傳導(dǎo)的材料組成的，因此隨深度的增加，大壩表面溫度的變化與壩內(nèi)土的溫度變化的相位差也增大，而相位差的大小則與熱擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。3.1 熱傳導(dǎo)畢業(yè)論

8、文 http:/熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在垂直方向，因?yàn)榈責(zé)岬幕魇窍蛏线\(yùn)動(dòng)的，空氣溫度變化引起的年溫度脈沖是向下運(yùn)動(dòng)的。地?zé)崃鲃?dòng)通常比較小，約 0.1w/m2，大多數(shù)情況下可忽略不計(jì)。由于熱傳導(dǎo)僅沿一個(gè)方向進(jìn)行，因此可以用解析法求解問(wèn)題。根據(jù)瑞典 sam johansson 博士的研究表明，在瑞典，當(dāng)溫度變幅為 15且溫度特性正常的情況下，地面以下 5m 處溫度變幅是 7.1，10m 深度處為1.7。因此，對(duì)于高壩來(lái)說(shuō)，垂直方向的熱傳導(dǎo)可以忽略。作文 http:/ 對(duì)流熱傳輸 論文代寫(xiě) http:/熱的對(duì)流方式傳輸比純熱傳導(dǎo)更有效，只要有小量的水流就會(huì)對(duì)溫度分布產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。研究表明，在量級(jí)為 l

9、0-7m/s10-6m/s 的非常低的達(dá)西速度下，總的熱傳輸也還是由對(duì)流部分所控制。在這種情況下壩內(nèi)的溫度分布主要受水流溫度的影響。在壩內(nèi)或壩基內(nèi)，甚至小量水流也會(huì)引起土溫的調(diào)整。由于在低流速下也會(huì)出現(xiàn)溫度異常，因此溫度是探測(cè)土石壩內(nèi)滲漏的一個(gè)非常敏感的指標(biāo)。 4 土石壩溫度與滲流的關(guān)系壩體中滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)是相互作用、相互影響的。壩體中滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)雙場(chǎng)相互作用、相互影響的結(jié)果，會(huì)使雙場(chǎng)耦合到達(dá)某一動(dòng)平衡狀態(tài)，形成溫度場(chǎng)影響下的滲流場(chǎng)及滲流場(chǎng)影響下的溫度場(chǎng)。 論文代寫(xiě)http:/溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合的過(guò)程實(shí)際上是熱能和流體在介質(zhì)中一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整變化的過(guò)程，溫度場(chǎng)和流場(chǎng)任何一種因素的不穩(wěn)定均會(huì)導(dǎo)致另

10、一個(gè)因素的變化。一方面從物理過(guò)程來(lái)看，熱能通過(guò)介質(zhì)的接觸進(jìn)行熱交換，而滲流流體則因存在勢(shì)能差在多孔介質(zhì)的孔隙進(jìn)行擴(kuò)散和流動(dòng)，同時(shí)流體也作為熱能傳播的介質(zhì)，在多孔介質(zhì)中攜帶熱能沿運(yùn)動(dòng)跡線(xiàn)進(jìn)行交換和擴(kuò)散。另一方面從理化過(guò)程來(lái)看，熱能的變化導(dǎo)致介質(zhì)溫度的變化，從而影響介質(zhì)和流體本身的理化特性的改變，主要表現(xiàn)為介質(zhì)和流體體積效應(yīng)的改變，和流體流動(dòng)特性參數(shù)的改變等方面。因此，滲流和溫度相互影響的過(guò)程實(shí)際上包括了能量平衡和耗散過(guò)程，以及媒介物質(zhì)發(fā)生理化反應(yīng)等過(guò)程。簡(jiǎn)歷大全 http:/ 簡(jiǎn)歷大全http:/ 溫度變化對(duì)滲流場(chǎng)的影響溫度變化時(shí)會(huì)影響水體和土體的物理和化學(xué)參數(shù)，從而影響滲流場(chǎng)在壩體內(nèi)部的分布。

11、土體中與滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)密切相關(guān)的參數(shù)有孔隙率、比熱容、熱傳導(dǎo)、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)，這些參數(shù)中在溫度變幅為 10內(nèi)變化極小或無(wú)變化，故可認(rèn)為溫度變化對(duì)土體的這些參數(shù)沒(méi)有影響。水體物理化學(xué)參數(shù)中和溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)密切相關(guān)的參數(shù)包括密度、重度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)水體導(dǎo)溫系數(shù)、比熱 、運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)等參數(shù)。假定水溫從=15上升到=20，各參數(shù)的變化量如下表所示：代寫(xiě)論文 http:/表 1：各參數(shù)變化量參數(shù)論文代寫(xiě)http:/畢業(yè)論文http:/代寫(xiě)論文http:/代寫(xiě)論文http:/作文http:/ 作文http:/ 代寫(xiě)論文http:/0.1%簡(jiǎn)歷大全http:/ http:/注：相對(duì)變化率=變化

12、量/=15時(shí)對(duì)應(yīng)的量 代寫(xiě)論文http:/參數(shù) 畢業(yè)論文http:/簡(jiǎn)歷大全http:/www.lw5簡(jiǎn)歷大全http:/ 0.58691 14.02作文http:/ 相對(duì)變化率 代寫(xiě)論文http:/0.17%簡(jiǎn)歷大全http:/ http:/結(jié)合以上數(shù)據(jù)，在研究溫度變化對(duì)水體的物理化學(xué)性質(zhì)的影響過(guò)程中，比熱 、密度、導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、重度在 15至 20之間變化較小，可以不計(jì)其影響；運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)、動(dòng)力粘度系數(shù)和水體熱膨脹系數(shù)的變化直接影響水體滲流特性，因此在耦合計(jì)算分析中需要考慮。 思想?yún)R報(bào)http:/ 4時(shí)）溫度上升時(shí)，體積膨脹，孔隙水壓力將上升。在總應(yīng)力保持不變情況下，孔隙水壓力上升必

13、然會(huì)導(dǎo)致有效應(yīng)力的相應(yīng)減小，進(jìn)而引起水體的體積及土體體積的進(jìn)一步變化，因此在溫度變化時(shí)，介質(zhì)內(nèi)固相體積、孔隙水體積，有效應(yīng)力、孔隙水應(yīng)力將進(jìn)行調(diào)整，重新達(dá)到平衡狀態(tài)，滿(mǎn)足總體積不變和質(zhì)量守恒的條件。可以定量地認(rèn)為，當(dāng)溫度上升時(shí)，有效應(yīng)力減小，孔隙水壓力增大，即滲透壓力增大，當(dāng)溫度下降時(shí)反之。又根據(jù)現(xiàn)有研究證明：由溫度差形成的溫度勢(shì)梯度也會(huì)影響水的流動(dòng)。由于溫度勢(shì)本身就是較為復(fù)雜的問(wèn)題，因此，溫度對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響目前只能用溫度梯度的一種經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式。例如，對(duì)一維情況，有7: 式中，為溫度變化引起的水流通量，是溫差作用下的水流擴(kuò)散率，中已經(jīng)包含水體和土體的熱膨脹系數(shù)，物理化學(xué)變化系數(shù)的影響， 簡(jiǎn)歷大

14、全 http:/ x 維坐標(biāo)軸 x 方向的梯度。所以論文代寫(xiě) http:/畢業(yè)論文 http:/畢業(yè)論文 http:/可推出溫度場(chǎng)影響下的滲流場(chǎng)方程： 代寫(xiě)論文 http:/思想?yún)R報(bào) http:/ 滲流場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響思想?yún)R報(bào) http:/ http:/在一向?qū)岬那闆r下，當(dāng)土壩內(nèi)部存在滲流時(shí)，熱流量包括兩部分:一部分是由于土體本身的熱傳導(dǎo)作用，等于另一部分是由滲流夾帶的熱量，等于，因此熱流量為8：思想?yún)R報(bào) http:/ x 方向的熱流量;為水的比熱;為水的密度;為土的導(dǎo)熱系數(shù)。因此，在單位時(shí)間內(nèi)流入單位體積的凈熱量為:論文代寫(xiě) http:/論文代寫(xiě) http:/這個(gè)熱量必須等于單位時(shí)間內(nèi)壩體

15、溫度升高所吸收的熱量，故 思想?yún)R報(bào)http:/ http:/思想?yún)R報(bào) http:/ 為土體的比熱，為土體的密度。簡(jiǎn)歷大全 http:/ 思想?yún)R報(bào) http:/ http:/根據(jù)滲流場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響機(jī)理分析，可以知道滲流速度直接影響了溫度場(chǎng)的變化。簡(jiǎn)歷大全 http:/ 滲流場(chǎng)和溫度耦合的一維求解 理論上，能同時(shí)滿(mǎn)足兩組 數(shù)學(xué) 模型的滲流場(chǎng)水頭分布 h(x, y, z,t)與溫度場(chǎng)分布 t (x, y, z, t)即為土壩滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合分析的精確解，這就需要聯(lián)合求解兩式。眾所周知，在大多數(shù)情4.3 滲流場(chǎng)和溫度耦合的一維求解理論上，能同時(shí)滿(mǎn)足兩組數(shù)學(xué)模型的滲流場(chǎng)水頭分布 h(x, y, z,

16、t)與溫度場(chǎng)分布 t (x, y, z, t)即為土壩滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合分析的精確解，這就需要聯(lián)合求解兩式。眾所周知，在大多數(shù)情況下，目前在數(shù)學(xué)上要單獨(dú)求解每式的解析解也是不可能的，聯(lián)合求解則更是難上加難。所以我們有必要討論一下雙場(chǎng)在一維狀態(tài)下的解析解，從而得出一些結(jié)論。思想?yún)R報(bào) http:/ 代寫(xiě)論文 http:/作文 http:/ http:/若取工程中的參數(shù)如下：取時(shí)，分別計(jì)算，并用圖表表示： 思想?yún)R報(bào) http:/ http:/圖 1 不考慮耦合情況、作文 http:/ 2 考慮耦合情況不同 k 值下溫度比較 簡(jiǎn)歷大全http:/ http:/圖 3 考慮耦合情況不同 k 值下比較 代寫(xiě)論文 http:/圖 4 考慮耦合情況不同 k 值下比較局部放大圖由圖可以看出，耦合解析解(即 t1(x)及 h1(x)與非耦合解析解(即 t0 (x)及 h0(x)有很大的不同，滲流場(chǎng)而對(duì)溫度場(chǎng)的影響更為明顯。還可以看出，隨著滲透系數(shù)的增大，滲流場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響更加明顯，而溫度場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)的影響