輸水隧洞安全監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)研究進(jìn)展

何勇軍，范光亞，徐海峰，李 錚

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210001；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029）

輸水隧洞安全監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)研究進(jìn)展

何勇軍1，2，范光亞1，2，徐海峰1，2，李 錚1，2

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210001；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029）

輸水隧洞是長距離調(diào)水的主要工程之一，安全監(jiān)控與預(yù)警是輸水隧洞施工期和運(yùn)行期安全管理的重要組成部分。文章介紹了近年來輸水隧洞安全監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)研究的應(yīng)用情況，分析了此方面尚存的問題，得出需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料、不斷完善預(yù)報預(yù)警模型的識別能力，可以提高安全預(yù)警和決策能力。

輸水隧洞；安全監(jiān)測；反演分析；監(jiān)控指標(biāo)；安全預(yù)警

1 概況

我國缺水的干旱半干旱面積占 52%，缺水帶來的工農(nóng)業(yè)年損失巨大，以千億計算。目前，我國城市供水以地表水或地下水為主，有些城市因地下水過度開采，造成地下水位下降，甚至形成了幾百平方公里的大漏斗。受經(jīng)濟(jì)社會用水快速增長和土地開發(fā)利用等因素的影響，導(dǎo)致淡水生態(tài)系統(tǒng)功能整體呈現(xiàn)“局部改善、整體退化”的態(tài)勢。跨流域調(diào)水工程是一項耗資昂貴的增加供水工程，是從豐水流域向缺水流域調(diào)節(jié)。大運(yùn)河就是跨流域調(diào)水工程的典型。引黃濟(jì)青、引灤入津、引灤入唐、大伙房輸水工程、云南牛欄江~滇池補(bǔ)水、南水北調(diào)等工程都是從豐水流域向缺水流域供水的大工程。

2 輸水隧洞安全監(jiān)控與預(yù)警

輸水隧洞，尤其是數(shù)十公里的超長輸水隧洞工程，其工程安全直接關(guān)系到調(diào)水工程的安全性和可靠性。輸水隧洞不僅在結(jié)構(gòu)上有別于公路、鐵路等交通隧洞，其運(yùn)行工況也不相同，輸水隧洞所處的特殊地質(zhì)環(huán)境因素對輸水隧洞的安全性有重要的影響。同時受到巖土力學(xué)理論、數(shù)值模擬及勘測技術(shù)的限制，目前有些方面幾乎不可能在設(shè)計階段就準(zhǔn)確預(yù)測和評估，如隧洞周圍巖體的初始地應(yīng)力和全部物理力學(xué)性狀，及其在施工運(yùn)行過程中的動態(tài)響應(yīng)。輸水隧洞的工程安全不僅取決于設(shè)計、施工方法的合理，更取決于貫穿工程始終的安全監(jiān)控工作。輸水隧洞安全監(jiān)控的目的，一是及時發(fā)現(xiàn)工程的異?，F(xiàn)象或隱患，為加固處理提供科學(xué)依據(jù)；二是掌握隧洞運(yùn)行變化規(guī)律，指導(dǎo)運(yùn)行管理；三是驗證設(shè)計，檢驗施工，發(fā)展理論。輸水隧洞安全監(jiān)控是一個貫穿隧洞施工和運(yùn)行全過程的工作，不僅要在工程施工過程中通過安全監(jiān)控以指導(dǎo)工程施工，保證工程建設(shè)安全，在工程建成后，為了保障輸水工程安全運(yùn)行，也要對工程的運(yùn)行安全進(jìn)行監(jiān)控。

輸水隧洞安全監(jiān)控與預(yù)警主要包括安全檢測和監(jiān)測、監(jiān)測資料整編、安全分析與評價、隧洞圍巖參數(shù)反演、安全監(jiān)控指標(biāo)體系和擬定、輸水隧洞安全管理與預(yù)警等。

我國專門針輸水離隧洞安全監(jiān)控的研究起步相對較晚，在實(shí)際工程中大多借鑒壩工建設(shè)等巖土工程安全監(jiān)測的相關(guān)經(jīng)驗，因此與輸水隧洞安全監(jiān)控有關(guān)的研究相對滯后。

2.1 輸水隧洞施工期安全檢測

隧洞及地下洞室工程，其核心問題在開挖和支護(hù)兩個關(guān)鍵工序上，即如何開挖，才能更有利于洞室的穩(wěn)定和便于支護(hù)；若需支護(hù)時，又如何支護(hù)才能更有效地保證洞室穩(wěn)定和便于開挖。及時根據(jù)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，加強(qiáng)對不良洞段的支護(hù)，可以有效避免塌方等工程事故發(fā)生。在地下洞室開挖和支護(hù)施工過程的監(jiān)測手段方面，主要是通過檢測圍巖收斂變形、爆破振動效應(yīng)和圍巖松動圈等來評價圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)安全性和確定襯砌結(jié)構(gòu)施工時機(jī)。

圍巖收斂位移是隧洞開挖后最直接的響應(yīng)之一，是了解圍巖體變形性質(zhì)的基礎(chǔ)信息、評價穩(wěn)定性態(tài)的依據(jù)，也是反演力學(xué)參數(shù)的基本依據(jù)。根據(jù)隧洞斷面尺寸和圍巖特性，收斂觀測通常采用鋼尺收斂計、高精度全站儀或巴塞特收斂系統(tǒng)等進(jìn)行觀測。

圍巖松動范圍及其變化是隧洞工程支護(hù)和評價圍巖穩(wěn)定的重要參數(shù)之一，松動圈研究已經(jīng)成為隧洞開挖評價和洞室整體穩(wěn)定評價的關(guān)鍵所在。在工程現(xiàn)場，一般用地質(zhì)雷達(dá)法、地震波、聲波儀、多點(diǎn)位移計等探測出圍巖中破裂帶的厚度，其目的是根據(jù)檢測成果對施工方案進(jìn)行指導(dǎo)，修正隧洞錨固、支護(hù)和襯砌設(shè)計參數(shù)。

爆破振動效應(yīng)觀測的目的為在隧洞開挖過程中掌握爆破振動效應(yīng)衰減規(guī)律，控制爆破施工工藝，是保證圍巖穩(wěn)定和施工安全最有效、最直接的監(jiān)測手段之一。爆破控制稍有不慎易造成隧洞圍巖較大擾動，甚至松動，不僅影響施工過程的安全，還將影響到工程建成后長期運(yùn)行的安全，故隧洞施工過程中的爆破振動觀測尤為必要，可為調(diào)整施工方案及采用合理的爆破振動控制措施提供直接可靠的依據(jù)。

2.2 輸水隧洞安全監(jiān)測

揭示輸水隧洞是否運(yùn)行安全，一般需要通過日常的人工例行檢查和儀器監(jiān)測來完成。日常檢查已被大多數(shù)調(diào)水工程管理單位所理解和接受。但一般輸水隧洞均埋于地下或山體中，為隱蔽工程，有些部位無法進(jìn)行人工檢查，或有相當(dāng)?shù)碾y度。這就需要在輸水隧洞上布設(shè)各類安全監(jiān)測儀器和設(shè)備，用以采集隧洞運(yùn)行的各種性態(tài)信息。通過對這些信息的處理和整編分析，結(jié)合人工例行檢查所提供的情況，對輸水隧洞的運(yùn)行性態(tài)及安全狀況做出較為客觀的評價，這種評價結(jié)果可作為隧洞安全運(yùn)行的依據(jù)，還可作為隧洞補(bǔ)強(qiáng)加固或采取其他工程措施的依據(jù)。輸水隧洞安全監(jiān)測的主要項目有：位移、應(yīng)力應(yīng)變、溫度及壓力等。

2.3 輸水隧洞安全監(jiān)測資料整編和初步分析

監(jiān)測資料整編是監(jiān)測資料分析以及預(yù)警反饋的基礎(chǔ)。為了提高輸水隧洞安全監(jiān)測工作的質(zhì)量和水平，必須認(rèn)真做好監(jiān)測資料的整理分析工作，包括原始觀測資料的檢驗和誤差分析、監(jiān)測物理量的計算、填表與繪圖、異常值的識別與處理及觀測資料初步分析與整編等。

2.4 輸水隧洞安全分析與評價

輸水隧洞安全實(shí)時分析與綜合評價是根據(jù)各監(jiān)測量的觀測數(shù)據(jù)和日常巡查結(jié)果，依據(jù)各類規(guī)范和專家經(jīng)驗，對觀測資料進(jìn)行不同層次的分析，將定量分析與定性分析相結(jié)合，對隧洞安全狀況做出綜合分析與評價。

近年來，國內(nèi)外對水庫大壩安全分析與評價方面的研究取得了較大進(jìn)展。意大利、俄羅斯等國均開發(fā)了大壩安全的專家診斷系統(tǒng)。在國內(nèi)，許多專家學(xué)者已開始進(jìn)行大壩安全評價專家系統(tǒng)的研究工作，吳中如、顧沖時等提出了基于 Client/Server 網(wǎng)絡(luò)體系的“一機(jī)四庫”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大壩安全評價專家系統(tǒng)及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大壩安全評價專家系統(tǒng)，并在青海龍羊峽、福建省水口等水電站大壩中得到了應(yīng)用。劉成棟、何勇軍等研制開發(fā)了水庫大壩安全實(shí)時分析與評價系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大壩安全管理的信息化和網(wǎng)絡(luò)化，并在察爾森水庫（土石壩）和豐樂水庫（混凝土壩）進(jìn)行應(yīng)用，取得了較好的效果。沈振中等研制和開發(fā)了大壩安全實(shí)時監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)，針對施工期、蓄水初期和運(yùn)行期進(jìn)行開發(fā)，采用了改進(jìn)粒子群算法，將仿生算法應(yīng)用于大壩安全預(yù)警系統(tǒng)，并將塊體系統(tǒng)理論用于擬定大壩安全預(yù)警指標(biāo)。但國內(nèi)對輸水隧洞安全分析與評價方面的研究較少，對輸水隧洞安全監(jiān)控與預(yù)警方面的研究更少。

2.5 輸水隧洞圍巖參數(shù)反演分析

輸水隧洞的安全性和穩(wěn)定性與許多因素有關(guān)，如圍巖構(gòu)造、圍巖物理力學(xué)特性、初始地應(yīng)力、地下水作用等，要做到輸水隧洞工程在施工開挖之前就能準(zhǔn)確地確定各項支護(hù)參數(shù)，以及最優(yōu)的開挖支護(hù)方案是很困難的。

反演分析是以隧洞開挖和支護(hù)過程監(jiān)測信息為依據(jù)，獲得圍巖物理力學(xué)參數(shù)的有效方法。隨著隧洞工程圍巖穩(wěn)定理論的發(fā)展，以工程現(xiàn)場監(jiān)測信息為依據(jù)來反推巖體力學(xué)參數(shù)和初始地應(yīng)力等反演分析的方法已經(jīng)受到了足夠的重視，反演分析已經(jīng)逐漸成為勘測、設(shè)計及施工過程的重要的數(shù)值計算方法。輸水隧洞反演分析的方法一般有結(jié)構(gòu)力學(xué)法、數(shù)值分析法和經(jīng)驗類比法等，主要反演計算圍巖的變形模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、容重和抗拉強(qiáng)度等。

近年來，許多學(xué)者在隧洞圍巖物理力學(xué)參數(shù)的反演分析方面作了有益的探索。宋彥剛等以四川紫坪鋪水利工程導(dǎo)流洞施工過程的工程措施為仿真分析對象，跟蹤監(jiān)控量測圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，獲取圍巖動態(tài)穩(wěn)定性態(tài)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)性態(tài)的綜合信息，仿真反演分析圍巖各洞段的力學(xué)參數(shù)與初始地應(yīng)力，為支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計等提供依據(jù)。郝哲等基于差分法、正交設(shè)計和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)反分析方法，該方法按照正交設(shè)計要求選取不同物理力學(xué)參數(shù)，用 FLAC 差分程序計算得出相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析樣本，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及學(xué)習(xí)參數(shù)優(yōu)化，利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對韓家?guī)X隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反分析。傅志浩等基于三維彈塑性損傷有限元方法，依據(jù)圍巖位移分析數(shù)據(jù)得到的信息，采用變尺度優(yōu)化方法對地下工程進(jìn)行反演分析，取得了較為實(shí)際的圍巖物理力學(xué)參數(shù)，并對后續(xù)圍巖變形進(jìn)行合理地預(yù)測。朱珍德等基于長期現(xiàn)場監(jiān)測變形位移數(shù)據(jù)，借助粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對隧道圍巖位移進(jìn)行了反演分析，該方法利用粒子群算法來優(yōu)化改進(jìn) BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，建立最優(yōu)的待反演參數(shù)和位移之間的非線性映射關(guān)系，最后再用粒子群算法搜索滿足實(shí)測位移值的最合適參數(shù)。這些反演分析方法大多是基于隧洞圍巖性狀各向同性的假定，且均以隧洞壁處的最終位移量為目標(biāo)函數(shù)，但未能考慮隧洞圍巖不同方向、不同深度各部位巖土質(zhì)參數(shù)的差異性，在反演分析中也未考慮地下水壓力對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，存在一定的局限性。

2.6 輸水隧洞安全監(jiān)控指標(biāo)體系和擬定

為了正確評價輸水隧洞的安全狀態(tài)，需對隧洞進(jìn)行安全評判，其中監(jiān)控指標(biāo)作為最主要的安全評判準(zhǔn)則，是評價和監(jiān)控輸水隧洞安全的關(guān)鍵指標(biāo)，是建立隧洞預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

在大壩安全監(jiān)控指標(biāo)方面許多學(xué)者作了有益的探索。吳中如等提出了大壩安全監(jiān)控指標(biāo)的置信區(qū)間估計法、典型監(jiān)測效應(yīng)量的小概率法和極限狀態(tài)法。前兩種方法均存在如下缺陷，若大壩沒有遭遇過最不利荷載組合作用或者資料系列很短，所擬定的指標(biāo)只能用來預(yù)測大壩遭遇荷載范圍內(nèi)的效應(yīng)量，未必是真正意義上的安全警戒值；其次，選擇建模的資料系列不同，分析計算的標(biāo)準(zhǔn)差以及置信區(qū)間的大小也不同，如果計算的標(biāo)準(zhǔn)差較大，可能會出現(xiàn)“漏報”情況；此外，這兩種方法沒有聯(lián)系大壩失事的原因和機(jī)理，也沒有聯(lián)系大壩的重要性（等級和級別）等。極限狀態(tài)法需要比較完整的大壩和壩基物理力學(xué)參數(shù)以及觀測資料。谷艷昌等把蒙特卡羅方法引入大壩安全監(jiān)控指標(biāo)擬定中，結(jié)合大壩原型觀測資料，并考慮了基本變量的隨機(jī)性，所擬定的變形監(jiān)控指標(biāo)，不僅具有概率意義，同時也對壩體的結(jié)構(gòu)和材料特性進(jìn)行了模擬，因此較傳統(tǒng)方法更加合理科學(xué)；該方法本質(zhì)上是一種結(jié)構(gòu)分析和統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法，需要大量的觀測資料作支撐，且基本變量的假定分布具有人為因素。鄭桂水應(yīng)用非線性有限元計算擬定了引灤隧洞的變形監(jiān)控指標(biāo)，這是一種結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，需要較為準(zhǔn)確的隧洞襯砌和圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，其擬定的監(jiān)控指標(biāo)才是準(zhǔn)確的。

目前，在隧洞安全監(jiān)控指標(biāo)的擬定方法研究方面較少，現(xiàn)有的研究也基本是仿照大壩安全的監(jiān)控指標(biāo)擬定方法，大多采用的是統(tǒng)計學(xué)方法。由于一般輸水隧洞監(jiān)測資料系列較短，擬定的監(jiān)控指標(biāo)適用性不強(qiáng)，有些還不甚合理。極限狀態(tài)法和結(jié)構(gòu)分析法能夠考慮輸水隧洞的結(jié)構(gòu)形態(tài)并結(jié)合隧洞的安全狀態(tài)，極限狀態(tài)法還考慮建筑物的隨機(jī)性，是擬定監(jiān)控指標(biāo)的主要方法，可以為輸水隧洞結(jié)構(gòu)不斷變化的施工期建立安全監(jiān)控指標(biāo)。但是由于輸水隧洞的安全狀態(tài)與隧洞的破壞模式緊密相聯(lián)，故在擬定輸水隧洞的安全監(jiān)控指標(biāo)時，應(yīng)結(jié)合輸水隧洞的破壞模式進(jìn)行分析，研究更加合理的臨界狀態(tài)判據(jù)與準(zhǔn)則，使輸水隧洞的安全監(jiān)控指標(biāo)真正成為隧洞安全與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2.7 輸水隧洞安全預(yù)警

建立輸水隧洞安全預(yù)警系統(tǒng)的目的是要能靈敏、準(zhǔn)確地告示危險前兆，并能及時提供警示，其作用在于超前反饋、及時處置、防患于未然，最大限度地降低事故的發(fā)生，避免造成生命和財產(chǎn)損失。

安全預(yù)警系統(tǒng)主要包括預(yù)警信息系統(tǒng)、預(yù)警評價指標(biāo)體系和預(yù)警評價系統(tǒng)，其核心是預(yù)警評價指標(biāo)體系。典型的安全預(yù)警基本流程，見圖 1。輸水安全預(yù)警系統(tǒng)的主要內(nèi)容應(yīng)包括：①安全實(shí)時分析與評價系統(tǒng)：根據(jù)安全監(jiān)測信息，對輸水隧洞現(xiàn)狀安全運(yùn)行性態(tài)和未來趨勢進(jìn)行分析和評估；②警情分析系統(tǒng)：根據(jù)預(yù)警指標(biāo)、警源類型和警情分析模型，對水庫的安全運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，確定報警類型和報警級別；③警情發(fā)布：根據(jù)警情分析成果，對外發(fā)布警情信息；④決策支持：提供運(yùn)行和應(yīng)急處置的輔助決策。

圖1 安全預(yù)警基本流程

由于輸水隧洞安全預(yù)警研究的起步較晚，在我國長距離輸水隧洞工程中成功應(yīng)用安全監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)例尚未見報道。

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