輸水隧洞動(dòng)態(tài)監(jiān)控指標(biāo)擬定方法

楊 陽(yáng),何勇軍,2,徐海峰,李宏恩,尹志灝

(1.南京水利科學(xué)研究院大壩安全與管理研究所,江蘇 南京 210029;2. 水利部大壩安全管理研究中心,江蘇 南京 210029)

為了對(duì)水資源進(jìn)行合理調(diào)配,國(guó)內(nèi)近年開始了引漢濟(jì)渭、引大濟(jì)湟、滇中調(diào)水等大量輸調(diào)水工程的建設(shè),輸水隧洞是這些工程的主要建筑物。由于輸水隧洞的安全直接關(guān)系到工程供水系統(tǒng)的穩(wěn)定,其安全研究成為近幾年來的熱點(diǎn)[1]。大量學(xué)者從洞室結(jié)構(gòu)、巖體穩(wěn)定性、施工特征等角度進(jìn)行了研究[2-3],此外還通過施工期的超前預(yù)報(bào)來確保工程施工期的安全[4-5]。然而由于輸水隧洞距離長(zhǎng),工程穿越的地質(zhì)條件復(fù)雜,外在環(huán)境多樣,同時(shí)輸水隧洞安全研究受到巖土力學(xué)理論及勘測(cè)技術(shù)的限制,目前,缺少評(píng)估輸水隧洞運(yùn)行期安全狀況的有效手段[6]?？紤]到輸水隧洞的安全狀況取決于設(shè)計(jì)、施工的合理性,但也能通過工程運(yùn)行期的安全監(jiān)測(cè)予以反映,輸水隧洞監(jiān)測(cè)信息可為工程安全分析評(píng)估提供科學(xué)依據(jù),因此確定輸水隧洞的監(jiān)控指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)輸水隧洞安全管理的重點(diǎn)[7]。由于隧洞工程性態(tài)、外在環(huán)境的不斷變化,在監(jiān)控指標(biāo)的基礎(chǔ)上,建立輸水隧洞的動(dòng)態(tài)監(jiān)控指標(biāo)更能適應(yīng)輸水隧洞的安全監(jiān)控需求[8]。為此,本文在分析研究輸水隧洞監(jiān)測(cè)方法、工程運(yùn)行安全影響因素的基礎(chǔ)上,選擇內(nèi)外水壓力、溫度、隧洞襯砌混凝土和圍巖變形等影響因子,構(gòu)建輸水隧洞安全監(jiān)控指標(biāo)模型,按照置信區(qū)間法原理擬定監(jiān)控指標(biāo)。將長(zhǎng)時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分段分析處理,同時(shí)引入移動(dòng)平均濾波算法,提出了輸水隧洞動(dòng)態(tài)監(jiān)控指標(biāo)的擬定方法。同時(shí),結(jié)合實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),驗(yàn)證分析方法的可行性。

1 輸水隧洞監(jiān)測(cè)方法

輸水隧洞因工程地質(zhì)條件、埋深及施工方法等差異,監(jiān)測(cè)方法根據(jù)所需監(jiān)控的項(xiàng)目不同也會(huì)不同。輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)類型[9-10]主要包括:變形監(jiān)測(cè)、滲透壓力監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等。施工期監(jiān)測(cè)主要包括圍巖變形、松弛、裂化的監(jiān)測(cè)和爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè);運(yùn)行期重點(diǎn)監(jiān)測(cè)工程長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài),包括圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變、金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變、內(nèi)外水壓力、滲漏、地表沉降監(jiān)測(cè)等。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一般依據(jù)工程規(guī)模、重要性、地質(zhì)條件等因素選取。如工程斷面巖體完整性差、地質(zhì)條件變化較大,則施工時(shí)應(yīng)對(duì)施工段前方巖體進(jìn)行監(jiān)測(cè);在高地應(yīng)力脆性巖體中施工,有可能產(chǎn)生巖爆,需要對(duì)巖爆進(jìn)行監(jiān)測(cè)或預(yù)測(cè);對(duì)于淺埋隧洞,運(yùn)行期的地表沉降和拱頂沉降量是極其重要的,需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

相對(duì)施工期,輸水隧洞在運(yùn)行期受到的荷載類型較多,荷載組合相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)運(yùn)行期相對(duì)施工期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目增多,為實(shí)現(xiàn)輸水隧洞長(zhǎng)期安全監(jiān)控,需著重關(guān)注運(yùn)行期的監(jiān)測(cè)信息。如對(duì)圍巖和襯砌的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè),一般采用多點(diǎn)位移計(jì)、滑動(dòng)式位移計(jì)、多向應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè);對(duì)圍巖和襯砌之間的相對(duì)變形和受力監(jiān)測(cè),相對(duì)變形一般采用測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè),圍巖與襯砌間的接觸壓力通常采用壓力盒監(jiān)測(cè);針對(duì)鋼筋、錨索、錨桿等金屬構(gòu)件的監(jiān)測(cè),可以采用粘貼在構(gòu)件表面的應(yīng)變片,也可以直接采用鋼筋計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索測(cè)力計(jì);針對(duì)內(nèi)外水壓力的監(jiān)測(cè),主要通過在不同位置埋設(shè)滲壓計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),或?qū)B水引流集中測(cè)量滲漏量。此外,還需測(cè)量輸水隧洞的其他信息,包括環(huán)境量和水質(zhì)。環(huán)境量主要包括溫度、氣壓等,水質(zhì)包括水污染、酸堿度、氯離子成分等。

2 運(yùn)行期動(dòng)態(tài)影響因素及指標(biāo)因子

輸水隧洞的埋深、高跨比、圍巖的種類和力學(xué)性質(zhì)、支護(hù)方式、隧洞的結(jié)構(gòu)和尺寸都會(huì)對(duì)隧洞穩(wěn)定產(chǎn)生影響,此外隧洞所處部位斷層的分布、裂隙水壓、地震都會(huì)對(duì)隧洞運(yùn)行穩(wěn)定性帶來影響。在輸水隧洞進(jìn)入運(yùn)行期后,其結(jié)構(gòu)尺寸等因素較為穩(wěn)定,但受力條件、地質(zhì)狀況及自身混凝土材料性能都逐漸產(chǎn)生變化,甚至劣化,導(dǎo)致輸水隧洞運(yùn)行性態(tài)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化。其中,地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、襯砌支護(hù)材料性能是影響隧洞巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。隨著輸水隧洞通水運(yùn)行,工程途經(jīng)的不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面、裂隙、斷層及褶曲等都會(huì)產(chǎn)生變化,襯砌支護(hù)混凝土逐漸碳化、老化、開裂,抗壓抗拉性能下降,鋼筋銹蝕,錨索松弛。這些動(dòng)態(tài)變化的因素都會(huì)直接影響到輸水隧洞運(yùn)行穩(wěn)定。通過分析圍巖應(yīng)力應(yīng)變等相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可以間接獲得不同結(jié)構(gòu)斷面、裂隙及斷層、襯砌混凝土強(qiáng)度等的變化信息。

此外,輸水隧洞在運(yùn)行期承受內(nèi)外水壓力同時(shí)作用,外水壓力通常會(huì)對(duì)隧洞穩(wěn)定性造成不利影響,是影響圍巖穩(wěn)定的重要不利因素。這主要表現(xiàn)在,隧洞開挖時(shí)洞周形成自由面,透水性好的圍巖在開挖面上形成滲壓梯度,增加了周圍圍巖向洞內(nèi)運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力。正常運(yùn)行時(shí),外水壓力轉(zhuǎn)化為靜水壓力,裂隙飽和水和孔隙水壓力使得巖體的有效壓應(yīng)力減小,巖體的應(yīng)力狀態(tài)惡化,隨著圍巖中的含水量和飽和度的增加,降低了巖體的變形模量和強(qiáng)度,造成圍巖的不穩(wěn)定。對(duì)輸水隧洞的滲透壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè),是最為直觀有效地獲取隧洞內(nèi)外水壓力的途徑。

因此,圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),內(nèi)外水壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),應(yīng)作為輸水隧洞監(jiān)控診斷的主要指標(biāo)因子。借助不同監(jiān)測(cè)儀器,獲得輸水隧洞的巖體、襯砌變形,內(nèi)外水壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),考慮隧洞襯砌與圍巖共同承受內(nèi)、外水壓力荷載及其他荷載的作用,才能建立有效的監(jiān)控模型[11-12]。

3 輸水隧洞監(jiān)控模型

以圍巖變形,圍巖和襯砌裂縫開合度作為監(jiān)控指標(biāo),并考慮輸水隧洞受到水壓力、溫度、圍巖裂隙及斷層等因素變化的綜合影響,輸水隧洞的監(jiān)控模型基本關(guān)系式[13-15]表示為

δ=δP+δT+δθ

(1)

式中:δ為總變形量;δP為水壓力對(duì)應(yīng)的變形分量;δT為溫度變化對(duì)應(yīng)的變形分量;δθ為圍巖徐變、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、裂隙變化、混凝土老化等因素綜合作用對(duì)應(yīng)的變形分量,通常稱為時(shí)效分量。

a. 水壓力對(duì)應(yīng)的變形分量。在輸水隧洞受到對(duì)稱均勻外水壓力P作用下,徑向變形和P成正比,隧洞的水壓力對(duì)應(yīng)的變形分量可以表示為

δP=a1P

(2)

式中:P為觀測(cè)日當(dāng)天的外水壓力;a1為回歸系數(shù)。

b. 溫度變化對(duì)應(yīng)的變形分量。溫度變化對(duì)應(yīng)的變形分量是由于隧洞襯砌混凝土和圍巖溫度變化引起的位移,因此,從力學(xué)觀點(diǎn)來看,溫度變化對(duì)應(yīng)的變形分量應(yīng)選擇混凝土和基巖的溫度計(jì)測(cè)值作為因子。當(dāng)隧洞襯砌混凝土和圍巖布設(shè)有足夠數(shù)量的內(nèi)部溫度計(jì)時(shí),其測(cè)值可以反映溫度場(chǎng)的變化情況,可以用實(shí)測(cè)溫度作為因子,溫度變化對(duì)應(yīng)的變形分量可以表示為

(3)

式中:Ti為第i個(gè)溫度計(jì)的測(cè)值;bi為回歸系數(shù);m為溫度計(jì)的個(gè)數(shù)。

c. 時(shí)效分量。隧洞變形時(shí)效分量產(chǎn)生的原因復(fù)雜,它綜合反映隧洞混凝土和圍巖的徐變、塑性變形以及圍巖地質(zhì)構(gòu)造的壓縮等時(shí)效因素的作用效果,同時(shí)還包括隧洞混凝土裂縫引起的不可逆位移以及自生體積變形。隧洞開挖并及時(shí)支護(hù)后,在考慮支護(hù)與圍巖的聯(lián)合作用時(shí),圍巖可當(dāng)作黏彈性體[13]。當(dāng)隧洞開挖后立即支護(hù)時(shí),洞壁的徑向位移和時(shí)間有如下關(guān)系:

ut=umax(1-e-βt)

(4)

式中:t為時(shí)間;ut為時(shí)刻t的徑向位移;umax為洞室變形量的最終穩(wěn)定值;β為參數(shù)。為應(yīng)用方便,式(4)可用下式代替:

ut=t/(A+Bt)

(5)

式中：A、B為參數(shù),由實(shí)測(cè)資料經(jīng)回歸分析確定[8]。

針對(duì)不同工程類型,時(shí)效分量的數(shù)學(xué)模型可選擇指數(shù)函數(shù)、雙曲函數(shù)、多項(xiàng)式、對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)(或?qū)?shù)函數(shù))附加周期項(xiàng)、線性函數(shù)。考慮到輸水隧洞多種因素的復(fù)雜作用,通常認(rèn)為正常運(yùn)行的輸水隧洞,時(shí)效分量變化的規(guī)律為初期變化急劇,后期漸趨穩(wěn)定。按照式(5)的形式,時(shí)效因子通常選為θ和lnθ(θ為觀測(cè)日減去基準(zhǔn)日的天數(shù)除以100),因此變形的時(shí)效分量可表達(dá)為

δθ=c1θ+c2lnθ

(6)

式中：c1、c2為系數(shù)。

4 輸水隧洞動(dòng)態(tài)監(jiān)控指標(biāo)擬定方法

在輸水隧洞監(jiān)控模型的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)行輸水隧洞監(jiān)控指標(biāo)的擬定。常用的監(jiān)控指標(biāo)的擬定方法包括極限狀態(tài)法、結(jié)構(gòu)分析法、置信區(qū)間法和典型監(jiān)控效應(yīng)量的小概率法。其中,極限狀態(tài)法和結(jié)構(gòu)分析法需分析工程地質(zhì)條件及受力特征,建立有限元仿真模型,但輸水隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜,巖土體力學(xué)參數(shù)較難準(zhǔn)確獲取,據(jù)此較難擬定多個(gè)不同斷面的監(jiān)控指標(biāo)。小概率分析法通過分析對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或穩(wěn)定不利的荷載組合所產(chǎn)生的效應(yīng)量,并根據(jù)以往觀測(cè)資料來估計(jì)監(jiān)控指標(biāo),但需要有長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料,且工程需真正遭遇較不利荷載組合,但輸水隧洞本身遭遇不利工況的情況較少,且輸水隧洞工程各異,很難找到類似工程進(jìn)行類比。因此按照小概率法擬定監(jiān)控指標(biāo)難度較大[16]。

輸水隧洞的安全運(yùn)行性態(tài)是隨著時(shí)間和外在因素動(dòng)態(tài)變化的。伴隨現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展,工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集可以做到一日多次實(shí)時(shí)傳輸。在獲得最新數(shù)據(jù)后,可以在分析模型中納入新的數(shù)據(jù),剔除舊的數(shù)據(jù),確保數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不變的條件下,建立逐時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)模型。在統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)行平滑濾波得到不同時(shí)段的監(jiān)控指標(biāo),實(shí)現(xiàn)基于監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控目的。本文按照時(shí)間順序,選取最新時(shí)段分析建模。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列上建立一個(gè)固定可滑動(dòng)的時(shí)間窗口[19],伴隨新數(shù)據(jù)的不斷獲取,截取包含最新時(shí)段時(shí)間窗內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析,形成移動(dòng)統(tǒng)計(jì)模型。例如,到當(dāng)前時(shí)刻,總測(cè)次為n次,設(shè)定對(duì)應(yīng)時(shí)間窗的測(cè)次固定為N,且n>N, 可以取n次測(cè)量中最新的N次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。多次計(jì)算中,不斷引入新的數(shù)據(jù),放棄舊的數(shù)據(jù),形成一種動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的分析過程。第i次測(cè)量獲得對(duì)應(yīng)的監(jiān)控模型為

δi=δPi+δTi+δθi

(7)

式中:δPi為第i次測(cè)量后最新的N次水壓力數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的變形分量;δTi為第i次測(cè)量后最新的N次溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的變形分量;δθi為第i次測(cè)量后最新的N次測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的實(shí)效分量。

為了降低噪音的影響,對(duì)歷史i組診斷模型監(jiān)控指標(biāo)Δm1，Δm2，…，Δmi計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)平均濾波計(jì)算,得到融入第i次測(cè)量數(shù)據(jù)后的模型平滑擬合值。公式可表示為

(8)

5 工程算例

某輸水工程由水庫(kù)、水源樞紐工程、泵站、輸水隧洞等組成,其中水庫(kù)至目的地距離長(zhǎng)達(dá)214 km。

工程某段隧洞監(jiān)測(cè)斷面布置有3套多點(diǎn)位移計(jì)(3測(cè)點(diǎn)式,測(cè)點(diǎn)深度分別為10.0 m、4.0 m和1.5 m)、3組錨桿應(yīng)力計(jì)(3測(cè)點(diǎn)式,測(cè)點(diǎn)深度分別為3.5 m、2.0 m和0.8 m)、3支測(cè)縫計(jì)(分別位于隧洞的頂部、左側(cè)和右側(cè))、8支鋼筋計(jì)(分別位于隧洞的頂部、左側(cè)、右側(cè)和底部)和3支滲壓計(jì)(分別位于隧洞的頂部、左側(cè)和底部),用于監(jiān)測(cè)隧洞圍巖的深部變形、支護(hù)錨桿的應(yīng)力變化、圍巖與襯砌接縫處的開合度變化、襯砌的外水壓力和襯砌鋼筋的應(yīng)力等。

選擇該斷面的多點(diǎn)位移計(jì)(符號(hào)為M)和測(cè)縫計(jì)(符號(hào)為J)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計(jì)模型,數(shù)據(jù)系列起止日期為2010年9月19日至2012年11月9日。采用逐步回歸分析計(jì)算統(tǒng)計(jì)模型參數(shù),分為3個(gè)計(jì)算時(shí)段：2010年9月19日至2012年9月9日、2010年10月19日至2012年10月9日、2010年11月19日至2012年11月9日,時(shí)段標(biāo)記i分別為1、2、3。其中水壓力對(duì)應(yīng)的變形分量考慮外水壓力的1、2、3次項(xiàng)。由于大多數(shù)測(cè)點(diǎn)都有伴測(cè)溫度數(shù)據(jù),因此溫度變化對(duì)應(yīng)的變形分量按式(3)選擇多點(diǎn)位移計(jì)和測(cè)縫計(jì)的伴測(cè)值作為因子。時(shí)效分量選擇時(shí)間的對(duì)數(shù)函數(shù)與線性函數(shù)組合。得到單次監(jiān)控模型為

(9)

表1為該斷面多點(diǎn)位移計(jì)和測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)第一組時(shí)段模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)和剩余標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算結(jié)果。圖1為多點(diǎn)位移計(jì)M-2-1實(shí)測(cè)及擬合位移過程線。

表1 某斷面多點(diǎn)位移計(jì)和測(cè)速計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模型復(fù)相關(guān)系數(shù)及剩余標(biāo)準(zhǔn)差

圖1 多點(diǎn)位移計(jì)M-2-1實(shí)測(cè)及擬合位移過程線

從表1可以看出大部分多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)點(diǎn)和測(cè)縫計(jì)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的建模結(jié)果較好,復(fù)相關(guān)系數(shù)較高,表明所建立的回歸模型精度較高。

表2 多點(diǎn)位移計(jì)及測(cè)縫計(jì)監(jiān)控指標(biāo)值 mm

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)輸水隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜、外在環(huán)境多樣,監(jiān)測(cè)類型多樣的特點(diǎn),分析了輸水隧洞施工期和運(yùn)行期的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,并著重研究了影響運(yùn)行工程安全性態(tài)的動(dòng)態(tài)影響因素和指標(biāo)因子特點(diǎn);針對(duì)內(nèi)外水壓力、溫度、隧洞襯砌土和圍巖的徐變等時(shí)效因素,研究了輸水隧洞安全監(jiān)控指標(biāo)模型和指標(biāo)構(gòu)建方法;在此基礎(chǔ)上,引入移動(dòng)平均濾波算法,提出了輸水隧洞動(dòng)態(tài)監(jiān)控指標(biāo)的擬定方法。結(jié)合某個(gè)輸水隧洞多點(diǎn)位移計(jì)和測(cè)縫計(jì)的多年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算得到了對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控指標(biāo)。