基于分布式光纤测温技术的基坑围护结构渗漏监测方法应用研究
鲍汝苍
中铁二十五局集团第五工程有限公司
研究背景
近年来我国城市化进程日益加快,地铁隧道工程以及超高层建筑地基基础深基坑工程不断推进,地下空间的利用也越来越向深度更深、地质情况更加恶劣以及周边环境条件愈加复杂的方向发展。因此,地下工程事故呈现出数量激增、来势汹汹、损失惨重等特点,因施工不当等因素造成的围护结构渗漏事故屡见不鲜。
图1 地下工程渗漏事故
地下工程构筑物围护结构渗漏检测控制成为保证地下工程构筑物施工质量,减少地下工程事故的重点与难点。
近年来,国内外学者在水利水电系统工程中研究了大量的渗漏检测技术,钻探取样、抽水试验以及综合无损化物探的方法(高密度电阻率法、瞬变电磁雷达探测以及超声波探测等),在探测查找土质或者混凝土堤坝隐患方面获得了较好的结果,但是由于地下工程与水利水电工程的区别,上述技术尚未在深基坑围护结构施工质量的检测方面获得较大的发展。此外,国内学者提出了微测井电法、地质雷达法等几款渗漏点监测的应用，但均存在诸多限制难以推广。
渗流引起温度场变化的过程与机理
利用大型有限元comsol软件建立了土体中渗流前后的有限元模型,在模型中通过分布式光纤进行加热与温度记录。数值模拟了渗流前后土体中温度场的分布与光纤处温度的变化过程,进而分析了渗流引起温度场变化的机理及通过分布式光纤测温进行渗漏检测的可行性。
图2给出了建立的分布式光纤测温系统的有限元模型,其中土体尺寸为1.0m×0.6m×0.6m立方体,土性为密度1420kg/m3、比热800J/(kg·K)、导热系数1W/(m·K)的黏土介质。在模拟时将分布式光纤置于模型中间(模型中轴处直径为0.4cm的圆柱体),进行不同渗流土体中温度的加热及测量。
图2 分布式光纤测渗三维有限元模型
图3及图4给出了渗流速度为0.8m/d时的土体温度场快照,作为对比,本文同时模拟了渗流速度为0m/d情况下的温度场。从模拟结果中可以看出,渗流还未开始时,由于没有外界因素干扰,图中的温度场呈规则的同心圆状分布,圆心的位置为测温光纤,模型内各测点呈现出的温度场关于云图的水平中轴线对称。渗流开始后,测温光纤对渗流路径上游的温度影响范围逐渐变小,对下游的影响范围逐渐变大,从XY视角和XZ视角可以看出温度场仍是关于云图的水平中轴线对称,但逐渐向渗流路径下游偏移。同时,通过定量的对比可以看出,渗流前加热产生的最大热量为319.14K,存在渗流后加热产生的最大热量为314.2K,这主要是因为水的比热容较大,加热后吸收了较大的热量导致的。
图3 渗流前后XY平面温度场快照
图4 渗流前后XZ平面温度场快照
分析表明,渗流存在后温度场的变化与水的流动以及水的比热容等方面有关。水的流动导致热量向流动下游方向集中,同时水的比热容较大导致土体加热温升降低。因此,渗流前后土体加热温度存在一定的差别,可以通过分布式光纤测量土体温度的变化初步确定渗流的存在。
温度测量的研究结果对比
刘涛等国内学者利用试验研究了在不同含水量下土体中的温升结果,结果表明光纤测量温升变化与含水量成线性关系。本文则重点模拟了土体在不同含水量下光纤测量温度随时间的变化过程,并且将该结果与试验结果进行了对比,充分表明了基于分布式光纤测温进行渗流检测的可行性。
图5给出了不同含水率下土体加热的温度变化曲线图,其中土体含水率分别为25.31%、26.25%、28.03%、29.12%、30.16%,加热功率为8W,其余参数不变。光纤温度在2200s左右时趋于稳定状态,因此在数值模拟时将测量时间设置为0～2400s。从图5中可以看出加热光纤开始工作后,周围介质温度随之上升,温升速度随时间逐渐放缓。而且测温光纤在黏土介质中的测量温升幅度与含水量呈负相关,随着含水量的上升,温升幅度逐渐减小。
图5 不同含水量下温度变化模拟结果对比
另外,为了进行对比验证,图6同时给出了含水量在25.31%及29.12%时试验测量得到的测量温度变化结果。从图6对比图中可以看出,在单一变量(含水量,其余参数与前文所述相同)条件下,模拟数据与实测结果对应相对较好。充分说明了本文使用的基于分布式光纤测温系统进行渗漏检测的实验结果与理论计算相吻合,可以满足实际应用要求。
图6不同含水量下温度变化模拟结果与试验结果对比
光纤测渗现场测试结果
上述数值模拟与试验结果初步验证了通过分布式光纤测温进行渗漏检测的可行性。但实际工程环境与数值模拟相比非常恶劣,基坑的降水、环境温度的变化等都会对光纤测量温度结果产生较大的影响。有必要对分布式光纤测渗系统进行现场工程应用实验,以考察其在现场工程环境中的工作性能及应用效果。
利用该试验系统,在某基坑中进行了现场环境下的实验测量。该基坑开挖深度为29m,采用明挖顺筑法施工,基岩以粗粒花岗岩为主,煌斑岩、细粒花岗岩呈脉状穿插其间,局部发育构造岩,岩层裂隙比较发育,地下水类型主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙潜水,构造裂隙水在本站断层、岩脉及节理、裂隙中发育。在汇水条件较好的地段,地下水富水性中等～丰富。探明地质条件后,在基坑开挖前进行全深度段的光纤布设,检测方案及光纤现场埋设情况如图7所示。对加热光纤使用8W的功率进行加热,利用测量光纤对加热过程中的土体温度变化进行记录,获得温升随深度的变化曲线。
图7光纤埋设示意图及现场埋设照片
图8给出了现场工程环境中实测得到的温升变化处理结果。图7可以看出,在基坑深度24～27m的位置出现温升低值区,疑似为渗漏点。结果在降水开挖过程中,开挖至25m位置时,接缝处出现轻微渗漏,施工单位及时采取堵漏措施,未发生大的风险。现场实验进一步证明分布式光纤能够准确测量环境温度变化,并且通过温升变化可以准确推断渗漏点的位置。
图8光纤测渗技术现场应用结果
结论
Ø 分布式光纤测量温升的变化与渗流相关。渗流产生后,由于水的流动导致热量向流动下游方向集中,并且由于水的比热容较大,同等加热功率下土体温度降低。因此,渗流会引起土体加热后温升幅度的降低。
Ø 分布式光纤测量温升幅度与渗流量存在定量关系。随着土体中含水量的上升,在加热光纤使用相同功率的前提下,测量光纤测得的温升幅度随之降低。
Ø 实际基坑现场试验表明:分布式光纤可以准确测量环境中的温度变化,并且通过温升幅度的低温异常点可以准确判断基坑维护结构的渗漏情况,满足围护结构渗漏检测的现场应用要求。
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