膠東調(diào)水工程輸水管道施工質(zhì)量安全監(jiān)控方法

王 群

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心煙臺(tái)分中心，山東 煙臺(tái) 264000)

我國建設(shè)現(xiàn)代水利的步伐逐步加快，在現(xiàn)代水利逐步發(fā)展與完善的背景下，膠東地區(qū)建立調(diào)水工程，引入黃河水為整個(gè)區(qū)域提供水資源。該系統(tǒng)工程在黃水河泵站—米山水庫段，建立4座泵站、5座隧洞、2段暗渠及多條輸水管道，使整個(gè)膠東地區(qū)形成了一個(gè)完整的水資源輸送體系[1]。為了保證輸水管道能夠安全、高效參與運(yùn)輸水資源，傳統(tǒng)方法參考文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]的研究內(nèi)容，分別利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和在線監(jiān)測系統(tǒng)，對膠東地區(qū)輸水管道的施工質(zhì)量安全進(jìn)行了全天監(jiān)控[2-3]。但這兩種監(jiān)控方法的監(jiān)控效果，沒有達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)，因此，提出全新的監(jiān)控方法來監(jiān)控輸水管道施工質(zhì)量安全。

1 膠東調(diào)水工程輸水管道施工質(zhì)量安全監(jiān)控方法

1.1 評價(jià)膠東地區(qū)調(diào)水工程水網(wǎng)連通度

膠東引黃調(diào)水工程輸水線路總長480.8km，其中打漁張閘至引黃濟(jì)青宋莊分水閘段全長約172.5km；新辟明渠段全長約159.6km，新建壓力管道、暗渠及隧洞長約為148.7km。本文根據(jù)膠東地區(qū)調(diào)水工程基本結(jié)構(gòu)，建立河湖水系圖模型，評價(jià)該區(qū)域的水網(wǎng)連通度。利用水系圖模型方法，利用圖論中的相關(guān)元素，表征水系中的不同地貌特點(diǎn)。其中線條可以描述河流走向，節(jié)點(diǎn)可以表示河流匯合處，弧線表示湖泊或彎道，孤立點(diǎn)表示小型電站及水域。根據(jù)膠東地區(qū)水文特征，可知交錯(cuò)的河道構(gòu)成一個(gè)河道水網(wǎng)，其中的連通程度各有不同[4]。按照上述方法建立概化圖模型(見圖1)。

圖1 膠東地區(qū)水域概化圖模型

利用圖1所示模型、連通度參數(shù)，衡量河湖水系的連通程度，實(shí)現(xiàn)對輸水管道施工安全以及施工難度的定量分析。根據(jù)膠東地區(qū)調(diào)水工程基本結(jié)構(gòu)可知，該工程與三種不同的水網(wǎng)相關(guān)，見圖2。

圖2 水網(wǎng)連通狀態(tài)示意圖

圖中點(diǎn)a與點(diǎn)b、點(diǎn)b與點(diǎn)c之間的線段，代表主河道，點(diǎn)d代表一個(gè)小型水域。直觀來看，圖 2(a)的連通程度小于圖2(b)，圖2(b)小于圖2(c)。根據(jù)上述分析提出水網(wǎng)連通度評價(jià)過程：根據(jù)圖模型設(shè)置模型編號，得出圖的鄰接矩陣，利用MATLAB軟件進(jìn)行矩陣數(shù)值運(yùn)算，判斷圖是否連通；當(dāng)圖不連通時(shí)直接得出結(jié)論；當(dāng)圖連通時(shí)，將圖中的線條按照(1,k)的順序進(jìn)行編號，依次刪除一條邊。利用鄰接矩陣判斷刪除邊后新圖的連通性。若新圖不連通則原圖的連通性為1；若新圖連通則繼續(xù)刪除線條，若刪除某兩條邊后的新圖不連通，則原圖連通性為2；如果刪除任意兩條邊后的新圖仍然連通，則繼續(xù)刪除第三條邊。以此類推，當(dāng)新圖不連通時(shí)，則默認(rèn)原圖連通性為s，這個(gè)數(shù)值就是該地區(qū)調(diào)水工程水網(wǎng)連通度[5-6]。

1.2 計(jì)算輸水管道凍脹參數(shù)與排水減壓參數(shù)

依據(jù)上述連通度評價(jià)結(jié)果，分析在該參數(shù)影響下，輸水管道凍脹參數(shù)與排水減壓參數(shù)。從凍脹破壞成因來看，輸水管道為了適應(yīng)水網(wǎng)的連通狀況，設(shè)計(jì)了管道的整體走向和分段長度，但受地下水位、渠床土質(zhì)以及施工操作的影響，輸水管道存在凍脹破壞問題，因此參考《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》，利用下式計(jì)算管道凍脹參數(shù)：

Hd=lnsμdqdH′

(1)

式中d——土層厚度；

Hd——工程設(shè)計(jì)凍深；

μd——考慮日照及遮陰程度的修正系數(shù)；

qd——地下水影響系數(shù)；

H′——?dú)v年最大凍深[7]。

根據(jù)《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知膠東調(diào)水工程輸水渠各段標(biāo)準(zhǔn)凍深(見表1)。

表1 輸水渠沿線標(biāo)準(zhǔn)凍深

將式(1)的計(jì)算結(jié)果與表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，找到存在較大差異的管道位置[8]。由于河流的徑流會(huì)有波動(dòng)情況，因此根據(jù)沿線地下水位、土質(zhì)與滲透系數(shù)，計(jì)算輸水管道承擔(dān)的排水量，公式為

(2)

式中w——單位排水量；

γ——滲透系數(shù)；

D——暗管水位至不透水層的等效深度；

L——地下水位至暗管水位的高度；

C——暗管排水的影響范圍[9]。

按照水力學(xué)中短管出流原理，計(jì)算排水器出水管出水流量：

W=φCβ(2ΔL)

(3)

式中W——出水流量；

φC——出水流量系數(shù)；

β——輸水管道橫截面面積；

ΔL——水位差。

根據(jù)上述三組系數(shù)，確定輸水管道易發(fā)生施工問題的節(jié)點(diǎn)，為監(jiān)控管道施工安全，提供監(jiān)控依據(jù)[10-11]。

1.3 擬定輸水管道施工質(zhì)量安全監(jiān)控指標(biāo)

安全監(jiān)控指標(biāo)是監(jiān)控輸水管道施工質(zhì)量安全的重要數(shù)據(jù)，不僅可以通過該指標(biāo)判定施工質(zhì)量，也能為輸水管道施工帶來便利。因此定義施工質(zhì)量安全準(zhǔn)則：

R-λ≥0

(4)

式中R——輸水管道的總抗力；

λ——臨界荷載組合情況下的總效應(yīng)量。

根據(jù)實(shí)際的R值和λ值，將安全監(jiān)控指標(biāo)劃分為三個(gè)級別。當(dāng)R為施工允許值時(shí)，凍脹參數(shù)與排水減壓參數(shù)為警戒值，該指標(biāo)為一級監(jiān)控指標(biāo)，此時(shí)的強(qiáng)度條件和穩(wěn)定條件為

(5)

式中H、[H]——荷載作用下，輸水管道的實(shí)際凍脹程度和允許凍脹程度；

w、[w]——承擔(dān)的排水量與施工允許承擔(dān)的排水量；

W、[W]——實(shí)際出水流量和允許的出水流量[12-13]。

則根據(jù)上述條件得到一級監(jiān)控指標(biāo)的計(jì)算方程：

σ1=f(H≤[H],w≤[w],W≥[W])

(6)

當(dāng)R為最不利荷載組合情況下的總效應(yīng)時(shí)，此時(shí)的凍脹參數(shù)與排水減壓參數(shù)為危險(xiǎn)值，該指標(biāo)為二級指標(biāo)，此時(shí)管道施工的約束條件為

(7)

公式中的各項(xiàng)參數(shù)與上述公式一致。因此得到二級監(jiān)控指標(biāo)的計(jì)算公式：

σ2=f(H≤[H],w≤[w],W≥[W],R≥λ)

(8)

當(dāng)R為極限值且λ為極端不利組合下的總效應(yīng)時(shí)，監(jiān)控指標(biāo)為三級監(jiān)控指標(biāo)，其施工約束條件為

(9)

根據(jù)以上約束條件，得到輸水管道施工質(zhì)量安全的三級監(jiān)控指標(biāo)，公式為

σ3=f(H≤[H],w≤[w],R≥λ)

(10)

根據(jù)上述三級施工質(zhì)量安全監(jiān)控指標(biāo)，設(shè)定監(jiān)控模型的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，管理模塊根據(jù)監(jiān)控模型的反饋，給予監(jiān)控中心不同等級的施工安全風(fēng)險(xiǎn)反饋。至此通過上述擬定的監(jiān)控指標(biāo)，對膠東調(diào)水工程輸水管道施工質(zhì)量安全，進(jìn)行全天的數(shù)據(jù)監(jiān)控[14-15]。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

已知膠東調(diào)水工程中，輸水明渠工程自宋莊分水閘新辟輸水明渠，向東北基本沿?zé)煘H公路平行等高線布置，經(jīng)昌邑、平度、萊州、招遠(yuǎn)、龍口五個(gè)城市，線路全長159.609km，在龍口市的側(cè)嶺高家村西接黃水河泵站，其中昌邑市5.261km、平度市32.905km、萊州市70.403km、招遠(yuǎn)市18.146km、龍口市32.894km。對五個(gè)城市中的輸水管道進(jìn)行編號，分別為1號、2號、3號、4號、5號。為了便于實(shí)驗(yàn)操作，預(yù)先設(shè)定12個(gè)監(jiān)控區(qū)間(見表2)。

表2 輸水管道施工監(jiān)控區(qū)間基本參數(shù)

續(xù)表

同一測試季節(jié)中，膠東地區(qū)歷年來的水文特征見表3。

表3 歷年水文特征統(tǒng)計(jì) 單位：m

以上述數(shù)據(jù)信息為此次實(shí)驗(yàn)測試依據(jù)，將此次提出的監(jiān)控方法作為實(shí)驗(yàn)組，將傳統(tǒng)方法1作為對照1組，將傳統(tǒng)方法2作為對照2組，分別利用不同的方法，監(jiān)控調(diào)水工程輸水管道施工質(zhì)量。

2.2 實(shí)驗(yàn)組測試過程

此次提出的方法，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取調(diào)水工程總體施工范圍，利用MATLAB軟件繪制該地區(qū)水系圖模型。實(shí)驗(yàn)組預(yù)先繪制的水系圖模型見圖3。

圖3 膠東調(diào)水工程的水系統(tǒng)模型

該模型表示1∶1000的地形數(shù)據(jù)。該方法完成上述操作后，得到模型的鄰接矩陣：

(11)

根據(jù)上述計(jì)算可知，鄰接矩陣B的計(jì)算值為1，也就是該區(qū)域的連通度為1。根據(jù)該連通度計(jì)算施工安全影響參數(shù)，并擬定監(jiān)控指標(biāo)。

2.3 滲透性監(jiān)控測試

分別利用三個(gè)測試組擬定的監(jiān)控指標(biāo)，根據(jù)表2中設(shè)定的12處監(jiān)控區(qū)間，選擇其中的L1-4、L3-3、L4-2以及L5-3作為測試對象。測試對象的施工安全監(jiān)控曲線見圖4～圖6。

圖4 實(shí)驗(yàn)組監(jiān)控曲線

圖5 對照1組監(jiān)控曲線

圖6 對照2組監(jiān)控曲線

根據(jù)上述3組監(jiān)控曲線變化趨勢可以看出，對照1組和對照2組中的監(jiān)控曲線，明顯不同于實(shí)驗(yàn)組。其中三個(gè)測試組的L1-4處監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)更加貼近；L3-3處監(jiān)控曲線，出現(xiàn)了一些差異；而L4-2以及L5-3處的監(jiān)控曲線，則出現(xiàn)了巨大差異。三個(gè)測試組在上述四個(gè)監(jiān)控位置的監(jiān)測結(jié)果見表4。

表4 滲透量監(jiān)控結(jié)果

由表4結(jié)果可知，此次提出的監(jiān)控方法得到的滲透量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，與實(shí)際數(shù)據(jù)完全一致。而兩種傳統(tǒng)方法獲得的監(jiān)控結(jié)果，有很多數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值。

3 結(jié) 語

此次研究結(jié)合膠東調(diào)水工程的工程現(xiàn)狀、當(dāng)?shù)氐乃奶匦?，為監(jiān)控輸水管道施工安全，提供了更加可靠的監(jiān)控指標(biāo)。但此次研究還存在不足之處，文中構(gòu)建的監(jiān)控模型還有進(jìn)一步提高性能的可能，因此，在今后的研究工作中，可以設(shè)計(jì)一套聚類算法，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)一步細(xì)化，為施工安全和調(diào)水工程正常使用提供更加可靠的手段，為周圍群眾的生活、工業(yè)農(nóng)業(yè)發(fā)展，提供穩(wěn)定的水資源。