穿堤管涵接觸滲流災(zāi)變辨識及其防控措施研究

趙壽剛，李 娜，李長征，蘇懷智

（1.黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院 河南 鄭州 450003； 2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003； 3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210024）

穿堤輸水管涵是一種應(yīng)用廣泛的水工建筑物，筑堤土體與管涵接觸面容易發(fā)生滲流沖刷破壞，影響堤防防洪安全，這種破壞初始過程大多隱于工程內(nèi)部，發(fā)展迅速且難以搶護(hù)。 2016年汛期長江干堤50 處險情中與穿堤建筑物相關(guān)的有 6 處［1］；2019年 7月湘贛兩省出現(xiàn)的9 處決堤和潰壩險情中，有1 處是在超標(biāo)準(zhǔn)洪水作用下穿堤鋼管周圍土體發(fā)生接觸滲流沖刷形成涌水通道［2］；2021年7月河南特大暴雨造成衛(wèi)河發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，?？h衛(wèi)河左堤1 處穿堤涵洞發(fā)生滲流災(zāi)變險情，導(dǎo)致堤防發(fā)生坍塌潰決［3］。 關(guān)于穿堤管涵接觸滲流災(zāi)變破壞的分析研究，往往僅著眼于表面的滲流破壞現(xiàn)象，而對致災(zāi)的主要影響因素缺乏認(rèn)識，致使對接觸滲流災(zāi)變發(fā)展演變的判斷出現(xiàn)偏差，造成防控被動。 通過檢測、探測與監(jiān)測可獲得穿堤管涵接觸滲流災(zāi)變隱患信息，特別是監(jiān)測技術(shù)，是了解和掌握管涵土石接合部結(jié)構(gòu)性狀變化與安全穩(wěn)定狀態(tài)的主要手段。 但現(xiàn)有儀器設(shè)備較難實(shí)現(xiàn)深層災(zāi)變隱患探測，且災(zāi)變隱患識別分辨率、探測精度和時效性亟待提高，針對接觸滲流災(zāi)變發(fā)展演變研發(fā)新的探測與監(jiān)測技術(shù)，并在工程實(shí)踐中不斷驗(yàn)證和改進(jìn)很有必要。 為此，如何有效辨識接觸滲流災(zāi)變情況，認(rèn)清災(zāi)變機(jī)理，實(shí)現(xiàn)土石接合部深層災(zāi)變隱患的精準(zhǔn)識別，掌控災(zāi)變的發(fā)生發(fā)展演化進(jìn)程，對堤防工程防洪預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”方案的制定，以及提升堤防工程防汛搶險重大決策的科學(xué)化和智能化水平具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 接觸滲流災(zāi)變影響因素及其分級

1.1 接觸滲流災(zāi)變主要影響因素分析

穿堤管涵接觸滲流災(zāi)變發(fā)展演化影響因素極其復(fù)雜，其中接合部位土體性質(zhì)、密實(shí)程度是造成接觸滲流災(zāi)變的重要原因之一，另外上下游高水位差、止水破壞等會加劇災(zāi)變進(jìn)程。 下面通過在自行研制的接觸滲流試驗(yàn)裝置［4-5］上開展試驗(yàn)，探討土體的黏粒含量及接觸面壓實(shí)度等因素對接觸滲流災(zāi)變發(fā)展演化的影響。對水力比降分別為 20、10、5、3.5、2.5 時（這里說的水力比降是廣義的，因?yàn)?zāi)變先發(fā)生于工程內(nèi)部，故暫不考慮滲徑的沿程變化），黏粒含量分別為4.6%（土體a，低液限粉土）、12.3%（土體b，低液限黏土）、22.6%（土體c，低液限黏土），接觸面壓實(shí)度Kb分別為 0.75、0.80、0.85 的土體試樣開展接觸滲流沖刷試驗(yàn)，主要從穩(wěn)定滲流階段（從水頭初始施加到下游出口有清水滲出階段）和災(zāi)變破壞階段（從渾水滲出至試樣破壞階段）兩個方面考慮，分析土體性質(zhì)、密實(shí)程度等與滲流穩(wěn)定時間和破壞時間的關(guān)系。

1.1.1 滲流穩(wěn)定階段

接觸面土體密實(shí)程度不同時，各種土體試樣水力比降與滲流穩(wěn)定時間的關(guān)系見圖1。 可以發(fā)現(xiàn)，在水力比降一定時，不同土體的滲流穩(wěn)定時間有所不同，具有一定的規(guī)律。 在水力比降及密實(shí)程度一定的情況下，黏粒含量較大的土體抗?jié)B流災(zāi)變演化能力較強(qiáng)，試樣從施加水頭壓力到滲流穩(wěn)定時間較長；對于同種土體，密實(shí)程度越大，土體滲流穩(wěn)定時間越長，抵抗接觸滲流災(zāi)變演化能力越強(qiáng)。 但在水力比降較大時不同土體的滲流穩(wěn)定時間差別較大。 例如，Kb＝0.75、水力比降為20 時，黏粒含量4.6%、12.3%、22.6%土體的滲流穩(wěn)定時間分別為3、0.5、8 min，反映了影響土體接觸滲流災(zāi)變的因素具有隨機(jī)性，同時也反映出土石接合部滲流災(zāi)變實(shí)際制約因素具有復(fù)雜性。

圖1 不同土體試樣水力比降與滲流穩(wěn)定時間的關(guān)系

1.1.2 滲流災(zāi)變破壞階段

各種土體試樣水力比降與滲流災(zāi)變破壞時間的關(guān)系見圖2。 可以發(fā)現(xiàn)，在水力比降較大且長時間水力作用下，土體較易發(fā)生接觸滲流災(zāi)變破壞，在相同條件下，即同樣水力比降和壓實(shí)度情況下，黏粒含量較大的土體抗?jié)B流災(zāi)變破壞能力較強(qiáng)，說明土體性質(zhì)對接觸滲流災(zāi)變影響較大；相同土體情況下，密實(shí)程度越高，其抵抗接觸滲流災(zāi)變破壞的能力越強(qiáng)。

圖2 不同土體試樣水力比降與滲流災(zāi)變破壞時間的關(guān)系

1.2 接觸滲流災(zāi)變險情分級

穿堤管涵土石接合部主要病害類型為不密實(shí)、脫空、裂縫（開裂）等，其接觸滲流災(zāi)變險情的主要表現(xiàn)形式為接合部滲漏、洞內(nèi)壁漏水、管涵背水坡滲水等。只要堤防的臨水側(cè)和背水側(cè)存在水頭差，穿堤管涵接合部就會產(chǎn)生滲流。 隨著堤前水位的升高，堤身浸潤線逐步形成并不斷抬高，接合部的滲透比降也逐漸增大，接觸滲流會加速內(nèi)在病害隱患的發(fā)生和發(fā)展，從而導(dǎo)致滲流險情出現(xiàn)。 穿堤管涵接合部發(fā)生接觸滲流災(zāi)變險情的關(guān)鍵指標(biāo)是允許水力比降，而目前允許水力比降多以工程經(jīng)驗(yàn)值為標(biāo)準(zhǔn)。 隨著反濾設(shè)計(jì)方法、施工工藝的日趨完善，接合部抵抗接觸滲流災(zāi)變險情的允許水力比降可能較工程經(jīng)驗(yàn)值偏大。

總之，穿堤管涵主要險情為由接觸滲流沖刷引起的管涌、漏洞，在高水位時，河水在勢能的作用下，常沿穿堤管涵接合部等薄弱地帶產(chǎn)生滲漏，土體內(nèi)部細(xì)顆粒先行析出，進(jìn)而由滲流出口下游側(cè)向上游側(cè)回溯發(fā)展，直至與上游連通，形成貫通的滲漏通道，造成險情。滲流出口是滲流場中最薄弱的部位，也是滲流控制的重點(diǎn)。 根據(jù)接觸滲流造成的險情狀況，提出災(zāi)變險情分級標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 穿堤管涵接觸滲流災(zāi)變險情分級

2 接觸滲流災(zāi)變辨識技術(shù)

2.1 災(zāi)變的探測技術(shù)

穿堤管涵的接觸滲流災(zāi)變險情具有隱蔽性、隨機(jī)性、初始量級低及災(zāi)難性等特征，從滲漏險情發(fā)生到堤防嚴(yán)重破壞的過程，準(zhǔn)確判別、及時發(fā)現(xiàn)、精準(zhǔn)定位和科學(xué)處置滲漏隱患對保障堤防安全至關(guān)重要。 長期以來，穿堤管涵接觸滲流導(dǎo)致的接合部災(zāi)變多采用鉆探、人工探視和物探等方法辨識。 鉆探具有成本極高、效率低、局限性、盲目性等缺點(diǎn)，并且鉆探會給工程留下新的隱患；人工探視主要靠長期工作經(jīng)驗(yàn)，效率很低，無法找到隱蔽的災(zāi)變隱患部位；而地球物理探測則是目前快速、準(zhǔn)確、無損傷辨識災(zāi)變隱患的首選方法。 穿堤管涵接合部存在缺陷或發(fā)生滲漏的區(qū)域電導(dǎo)率將發(fā)生改變。 直流電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)法等探測技術(shù)可通過探測電性參數(shù)異常來實(shí)現(xiàn)穿堤管涵接合部內(nèi)部缺陷和滲漏的間接診斷。 但常規(guī)直流電阻率法的“體積特性”及對復(fù)雜地質(zhì)體勘探效果不夠理想等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了電法獲取深部異常信息的能力，使得原有的各種電法觀測系統(tǒng)在進(jìn)行土石接合部災(zāi)變隱患探測時無法取得令人滿意的效果；而地質(zhì)雷達(dá)法在數(shù)據(jù)處理和解釋方面還存在較大的技術(shù)提升空間。 為解決探測難題，需根據(jù)土石接合部災(zāi)變病險特征及現(xiàn)有儀器設(shè)備的局限性，改進(jìn)探測數(shù)據(jù)的計(jì)算分析和處理技術(shù)，提高探測精度。

2.1.1 聚束電法探測技術(shù)

在現(xiàn)有電法探測系統(tǒng)基礎(chǔ)上，趙壽剛等［5］對原有聚束直流電阻率法探測系統(tǒng)的供電模塊和跑極控制模塊進(jìn)行了改進(jìn)，通過布設(shè)聚束電極，人為改變電流分布形態(tài)，使主電流在一定范圍內(nèi)呈束狀流向地層深處并穿透高阻體，提高災(zāi)變病險探測分辨率；通過研究不同探測對象主電場與聚束電場之間的相關(guān)關(guān)系，確定直流電場的最佳聚束方案、電極的布設(shè)方式、聚束電流和電壓等參數(shù)，提出了一種改進(jìn)的聚束直流電阻率探測方法，研發(fā)了一套可適用于穿堤管涵土石接合部災(zāi)變病險探測的聚束直流電法系統(tǒng)。 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地下電場可控，具有探測深部災(zāi)變病險隱患的功能，大大提高了現(xiàn)有儀器的探測精度和深度。

聚束直流電阻率法和對稱四極電阻率法探測結(jié)果見圖3。

圖3 聚束直流電阻率法和對稱四極法探測結(jié)果對比

隨著深度的增大，對稱四極和聚束電阻率法探測的視電阻率均減小，對稱四極法測得的視電阻率從250 Ω·m減小至150 Ω·m，聚束直流電阻率法測得的視電阻率從270 Ω·m 減小至40 Ω·m。 漏水點(diǎn)在深度3.0 m 以下，浸潤線在深度5.0 m 位置，浸潤線以下的視電阻率一般在100 Ω·m 以下。 對比結(jié)果表明，聚束直流電阻率法能夠較好地反映接合部的地電屬性，對稱四極電阻率法需通過進(jìn)一步反演計(jì)算才能反映接合部的地層性質(zhì)。

2.1.2 數(shù)字信號處理技術(shù)

利用數(shù)字信號處理技術(shù)，選用MATLAB 作為信號分析處理系統(tǒng)開發(fā)平臺，趙壽剛等［5］開發(fā)了一套探地雷達(dá)信號分析處理系統(tǒng)，提高了災(zāi)變病險隱患識別的分辨率。 針對穿堤管涵土石接合部及系統(tǒng)探測功能，除了常規(guī)記錄標(biāo)記的歸一化、水平與垂直濾波、電磁波速分析、增益調(diào)節(jié)與顯示選擇等一般處理措施外，重點(diǎn)從接合部界面位置的確定與追蹤、空洞與脫空區(qū)確定、含水結(jié)構(gòu)特性分析等方面對雷達(dá)信號進(jìn)行處理。 設(shè)計(jì)了IIR 或FIR 濾波器，達(dá)到對探地雷達(dá)數(shù)據(jù)干擾信號的消除及提高信噪比的目的，建立了災(zāi)變病險隱患和信號特征的相關(guān)關(guān)系，較好地補(bǔ)充了探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的解釋，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)變隱患的準(zhǔn)確定位，提出了目標(biāo)深度的快速定位方法，且定位誤差小于5 cm，災(zāi)變隱患成像更加清晰，提高了系統(tǒng)的信噪比和分辨率，增強(qiáng)了成像效果。

采用探地雷達(dá)信號分析處理系統(tǒng)對穿堤管涵土石接合部進(jìn)行現(xiàn)場檢測，儀器采用美國勞雷公司SIR-3000 型探地雷達(dá)，天線選擇400 MHz 屏蔽天線，得到一組工程災(zāi)變病險隱患的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。 原始圖像見圖4，可以看出，當(dāng)接合部出現(xiàn)脫空時，反射信號較強(qiáng)，災(zāi)變隱患部位同相軸振幅驟然增大，信號雜亂。 結(jié)合原始圖像，能夠?qū)こ虨?zāi)變隱患進(jìn)行判斷和分析，但圖像背景信息復(fù)雜，散射干擾多，在復(fù)雜的工程條件下，很難通過原始圖像準(zhǔn)確判斷災(zāi)變隱患的形態(tài)、分布和發(fā)育特征。

圖4 脫空情況的探測結(jié)果原始圖像

采用開發(fā)的探地雷達(dá)信號分析處理系統(tǒng)，對圖像進(jìn)行濾波計(jì)算、時頻分析、復(fù)信號分析、色度矯正等技術(shù)處理。 相比原始圖像，處理后圖像（見圖5）弱化了復(fù)雜的背景信號，排除了無關(guān)散射信號的干擾，使災(zāi)變隱患位置更加清晰。 因此，在信號處理過程中，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，開展相應(yīng)的濾波分析，凸顯有效信號，屏蔽干擾信息，開展前后信號、無隱患和有隱患部位信號的對比，準(zhǔn)確判讀探測結(jié)果。

圖5 技術(shù)處理后探測結(jié)果圖像

2.2 災(zāi)變的監(jiān)測技術(shù)

現(xiàn)階段穿堤管涵接合部滲漏險情的發(fā)現(xiàn)和處置大都是事后的，險情控制處于較為被動的局面，對滲漏進(jìn)行安全監(jiān)測實(shí)時評價并預(yù)警，對保障堤防安全具有重要意義［6-7］。 近年來，分布式光纖技術(shù)在我國工程安全監(jiān)測中逐步得到應(yīng)用，測量的主要指標(biāo)包括溫度、應(yīng)力、變形以及壓力等，通過埋設(shè)在水工建筑物或基礎(chǔ)內(nèi)的眾多光纖，實(shí)現(xiàn)對滲水沿程連續(xù)實(shí)時采集，具有監(jiān)測距離長、空間分辨率高、遠(yuǎn)程線性測量等特點(diǎn)。 埋設(shè)的光纖不僅是傳感器，還是單色光源的發(fā)射線路、大量溫度信號所形成光譜反饋信息等的傳輸線路。 這一技術(shù)的發(fā)展不僅克服了點(diǎn)式傳感器測量點(diǎn)有限、成本較高、擾動較大等缺陷，而且大大提高了發(fā)現(xiàn)和定位細(xì)微滲漏險情的概率，進(jìn)而使工程搶險得以及時有效地開展，避免險情的發(fā)生。 但目前已有監(jiān)測技術(shù)和模型功能不適用土石接合部災(zāi)變監(jiān)測，難以實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測預(yù)警。針對分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的原理、主要特點(diǎn)及性能，將其應(yīng)用于穿堤管涵接觸滲流導(dǎo)致的接合部災(zāi)變險情監(jiān)測中，并進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用，研發(fā)了一套穿堤管涵接合部災(zāi)變險情監(jiān)測技術(shù)，對于豐富和完善現(xiàn)有滲漏監(jiān)測技術(shù)手段具有重要意義。

2.2.1 滲漏監(jiān)測

通過在穿堤管涵接合部埋設(shè)分布式測溫光纖網(wǎng)絡(luò)，獲取接合部滲漏發(fā)生、發(fā)展過程中溫度數(shù)據(jù)，分析其時程變化特征，探究光纖測溫值與土石接合部滲漏的相關(guān)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對接合部滲漏災(zāi)變的準(zhǔn)確定位。借助基于加熱法的分布式光纖測溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)對穿堤管涵接合部滲流狀況（流速、集中滲漏、浸潤線等）監(jiān)測，設(shè)計(jì)和裝配了一套由分布式光纖測溫系統(tǒng)（DTS）、滲流（漏）系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成的接合部滲流感知平臺，將接合部分布式光纖滲流感知問題概括為對沿土石接合部垂直光纖方向發(fā)生滲流或滲漏的感知問題；進(jìn)而通過開展非飽和無滲流、飽和無滲流、滲流狀態(tài)下的滲漏定位試驗(yàn)，分析土石接合部滲漏對加熱光纖的影響，實(shí)現(xiàn)土石接合部滲漏災(zāi)變的可靠定位。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光纜加熱功率越大，光纖對土石接合部滲漏愈敏感；在飽和滲流工況下，分布式光纖對土石接合部滲漏災(zāi)變感知靈敏度會降低，若要實(shí)現(xiàn)對小滲漏的定位，則必須加大加熱功率。

2.2.2 滲流流速監(jiān)測

借助基于加熱法的分布式光纖測溫技術(shù)可實(shí)現(xiàn)穿堤管涵接合部滲流流速監(jiān)測。 根據(jù)傳熱學(xué)中線熱源測量流體流速原理，視加熱光纖與水流之間的熱對流遵從流體橫掠單管的強(qiáng)制對流換熱準(zhǔn)則，可推導(dǎo)加熱光纖純水流速監(jiān)控模型。 借助接合部滲流感知平臺，根據(jù)埋設(shè)在同種介質(zhì)中光纖在不同流速、不同加熱功率工況下溫升曲線，可建立均勻介質(zhì)中分布式光纖滲流流速監(jiān)測模型；通過比較分析接合部光纖和同種介質(zhì)中光纖的溫升特征差異，可構(gòu)建適合接合部的分布式光纖滲流流速監(jiān)測模型和方法。 值得注意的是，均質(zhì)土體內(nèi)和接合部滲流特性不同，致使加熱光纖的熱量耗散不相同，同一土體與接合部分布式光纖滲流流速監(jiān)測模型也不完全相同。

另外，光纖傳感技術(shù)在國內(nèi)外未能大范圍應(yīng)用于實(shí)際工程的主要原因之一是分布式光纖傳感器埋設(shè)的成功率低。 在未對光纖采取合理保護(hù)措施的前提下，將結(jié)構(gòu)纖細(xì)的光纖甚至極易損壞的裸光纖直接埋設(shè)在混凝土、土體或其他介質(zhì)內(nèi)，極易導(dǎo)致光纖在實(shí)際工程中失效或達(dá)不到工程應(yīng)用的要求［8］。 國內(nèi)外對堤防土體內(nèi)分布式光纖埋設(shè)方法的介紹不多，關(guān)于穿堤管涵接合部分布式光纖布設(shè)方法的研究幾乎為零。 通過接合部滲流（漏）監(jiān)測的分布式光纖布設(shè)方式研究發(fā)現(xiàn)，為了對滲漏進(jìn)行靈敏感知，可將感溫光纖沿土石接合部S 形布設(shè)，一旦發(fā)生滲漏，滲漏水將穿越多條加熱光纖，引起光纖溫度分布曲線明顯變化，據(jù)此可以定位滲漏通道走向以及初步判斷滲漏量。 由于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的布置在一定程度上會對施工的進(jìn)度產(chǎn)生影響，因此只需對發(fā)生滲漏可能性大的部位進(jìn)行加密布置。 在穿堤管涵施工之前，設(shè)計(jì)好分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)，施工時按照預(yù)設(shè)的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行布設(shè)，光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)可分析接合部溫度的變化過程，起到預(yù)測滲漏的作用，一旦某部位的溫度產(chǎn)生異常，可及時分析并對滲漏進(jìn)行定位。 當(dāng)產(chǎn)生的滲漏暫時不影響堤防的整體性能和安全運(yùn)行時，可根據(jù)光纖監(jiān)測系統(tǒng)對滲漏實(shí)時監(jiān)控和定量分析，如果滲漏出現(xiàn)異常，應(yīng)迅速采取措施進(jìn)行控制。

2.2.3 浸潤線監(jiān)測

可根據(jù)土體導(dǎo)熱系數(shù)與其含水率之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)分布式光纖對土體含水率的定量監(jiān)測。 根據(jù)介質(zhì)不同狀態(tài)下光纖加熱溫升不同，得到基于分布式光纖的浸潤線監(jiān)測方法。

采用分布式光纖對穿堤混凝土涵洞側(cè)壁土石接合部浸潤線進(jìn)行監(jiān)測，布設(shè)方式見圖6。 浸潤線監(jiān)測段光纖在8、12、16 W／m 加熱功率下的溫度分布見圖7?？梢钥闯觯好糠N加熱功率下介質(zhì)內(nèi)光纖溫度分布轉(zhuǎn)折過渡點(diǎn)對應(yīng)介質(zhì)不同狀態(tài)的過渡區(qū)，即44、48 和52 號點(diǎn)為浸潤線上的點(diǎn)；隨著加熱功率的增大，不同狀態(tài)介質(zhì)內(nèi)光纖溫升相差較大，因此更容易找出不同狀態(tài)過渡區(qū)對應(yīng)的光纖溫度分布轉(zhuǎn)折過渡點(diǎn)。

圖6 浸潤線監(jiān)測分布式光纖布設(shè)方式

圖7 浸潤線監(jiān)測段光纖溫度分布

浸潤線光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以從兩方面進(jìn)行：通過直接分析分布式光纖溫度數(shù)據(jù)和分布圖，獲得不同高程上浸潤線上的點(diǎn)，連接這些點(diǎn)即可獲得浸潤線；根據(jù)分布式光纖在特定加熱功率下溫升時程曲線，分析得到土體導(dǎo)熱系數(shù)、土體干濕狀態(tài)以及含水率的定量信息，據(jù)此詳細(xì)分析浸潤線的位置。

2.2.4 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

接合部滲流險情監(jiān)測數(shù)據(jù)序列是一種非線性、非平穩(wěn)信號，其大部分信息主要集中在低頻部分，其噪聲主要分布在高頻部分，而且往往含有間歇性信號。 對總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）算法進(jìn)行改進(jìn)，利用高斯白噪聲具有頻率均勻分布的統(tǒng)計(jì)特性可實(shí)現(xiàn)病險監(jiān)測數(shù)據(jù)序列的降噪處理，原始監(jiān)測數(shù)據(jù)序列中大部分的小幅度波動被去除，監(jiān)測數(shù)據(jù)序列的變化規(guī)律得到了更加明顯的體現(xiàn)。 接合部分布式光纖溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)為包括滲漏在內(nèi)多種因素的綜合響應(yīng)，且響應(yīng)機(jī)制尚不明確。 利用盲源分離技術(shù)盡可能地將溫度數(shù)據(jù)中土壤特性、自然現(xiàn)象等滲漏以外的因素對溫度數(shù)據(jù)的影響分離出去，使分離后的數(shù)據(jù)盡可能地是只受滲漏因素影響的溫度場變化結(jié)果；滲漏、土壤特性、自然現(xiàn)象等因素對溫度數(shù)據(jù)的影響滿足非高斯分布的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立源，利用獨(dú)立成分分析和主成分分析組合方法實(shí)現(xiàn)光纖測溫數(shù)據(jù)中滲漏影響量分離。

監(jiān)測數(shù)據(jù)反映了接合部在環(huán)境與外荷載等作用下的動態(tài)演化過程，而且與其歷史數(shù)據(jù)存在相關(guān)性，因此可從歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取特征量作為支持向量機(jī)（SVM）的輸入，來預(yù)測未來的性態(tài)。 但原型監(jiān)測數(shù)據(jù)序列具有混沌特性，在考慮監(jiān)測序列混沌特性的基礎(chǔ)上，借助相空間重構(gòu)技術(shù)從序列的歷史數(shù)據(jù)中提取特征量作為SVM 輸入，利用混沌粒子群優(yōu)化算法確定SVM 相關(guān)參數(shù)，建立基于CSVM 的土石接合部性態(tài)預(yù)測模型。

對于基于光纖測溫數(shù)據(jù)的滲流預(yù)警問題，因滲漏奇異點(diǎn)和非奇異點(diǎn)的分布式光纖溫度變化過程是不同的，故采取適當(dāng)?shù)姆椒▽Υ┑坦芎潦雍喜繚B漏奇異點(diǎn)和非奇異點(diǎn)的光纖溫度變化過程進(jìn)行度量是建立接合部滲漏隱患自動定位和預(yù)警模型的關(guān)鍵。 根據(jù)滲漏奇異點(diǎn)和非奇異點(diǎn)的光纖溫度變化特征，構(gòu)建基于DTS 測溫數(shù)據(jù)的接合部滲漏隱患自動報警模型，實(shí)現(xiàn)災(zāi)變病險隱患的自動快速預(yù)警。

2.3 災(zāi)變因素辨識方法

災(zāi)變因素辨識是穿堤管涵滲流安全評估和險情處置的前提［9］。 由于穿堤管涵服役環(huán)境復(fù)雜，在多因素耦合作用下，其工作性態(tài)不斷變化，因此災(zāi)變因素辨識應(yīng)定期進(jìn)行，并貫穿穿堤管涵運(yùn)行的全過程。

穿堤管涵滲流災(zāi)變的因素主要包括工程風(fēng)險因素、環(huán)境風(fēng)險因素和人為風(fēng)險因素。 工程風(fēng)險因素識別主要是查找可能影響滲流安全或?qū)е聺B流異常的工程自身缺陷，主要包括回填土缺陷（級配、密實(shí)度、黏粒含量等）、工程自身缺陷（結(jié)構(gòu)裂縫、防滲排水設(shè)施失效、不均勻沉降、接合部空洞等）等。 環(huán)境風(fēng)險因素識別主要是查找可能影響工程安全運(yùn)行或?qū)е鹿こ淌碌耐饬σ蛩?，包括洪水（水位、歷時等）、水力沖刷、地震等。 人為風(fēng)險因素識別主要是查找穿堤管涵安全管理的薄弱環(huán)節(jié)，包括管理體制落后或不規(guī)范、不完善，未及時發(fā)現(xiàn)病險情況，缺少必要的安全監(jiān)測設(shè)施，安全應(yīng)急預(yù)案和搶險預(yù)案與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)，部分管理人員風(fēng)險意識淡薄，人為破壞等。 這些影響因素具有相關(guān)性、動態(tài)性、時空變異性和不確定性。

對穿堤管涵接觸滲流災(zāi)變因素的辨識，將層次分析法、模糊理論、故障樹法、事件樹法等理論分析與經(jīng)驗(yàn)類比方法結(jié)合起來，并采用檢測、探測、監(jiān)測技術(shù)加以驗(yàn)證。 借助理論分析方法或工具，對穿堤管涵土石接合部滲流風(fēng)險事件發(fā)生的可能性、發(fā)生位置、發(fā)生概率，以及導(dǎo)致風(fēng)險事件發(fā)生的影響因素的敏感性等進(jìn)行計(jì)算分析，為因素辨識提供依據(jù)。 在理論分析基礎(chǔ)上，基于工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對風(fēng)險因素或風(fēng)險事件進(jìn)行核對、排查，并利用與現(xiàn)有類似工程的設(shè)計(jì)資料或?qū)崪y數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，注意充分重視分析對象與類比對象之間的相似性。 對于復(fù)雜的或影響重大的穿堤管涵接合部滲流險情問題，應(yīng)采用試驗(yàn)手段進(jìn)行求證，確定影響因素，以便采取相應(yīng)處置措施。

3 接觸滲流災(zāi)變防控措施

對于穿堤管涵而言，接觸滲流災(zāi)變險情是其主要失事模式，甚至導(dǎo)致堤防潰堤事故。 在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理階段均需采取有針對性的災(zāi)變防控措施，以保證工程防洪安全。

設(shè)計(jì)階段，可采取的災(zāi)變防控措施主要包括：①穿堤管涵接合部要選用符合規(guī)范要求的黏性土質(zhì)，并使其密實(shí)程度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；②根據(jù)防滲、排滲、反濾層三者相結(jié)合的原則選擇合適的滲控措施，增加滲徑、減小低出口滲流比降、減輕接觸滲流災(zāi)變破壞力，一般采用在進(jìn)口前做防滲處理，在出口采取排水反濾措施；③為防止沿管涵外壁和填土接合部產(chǎn)生集中滲流，在管涵外圍設(shè)置截水環(huán)，以延長滲徑，減小滲流比降，消除集中接觸滲流的影響；④除了常規(guī)變形、滲壓觀測外，與現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)結(jié)合，在管涵與堤防接合部預(yù)埋分布式光纖等，以準(zhǔn)確監(jiān)測接合部滲流災(zāi)變情況；⑤合理設(shè)計(jì)洞節(jié)間止水，采用多道止水［10］（設(shè)底、外、中、表四道止水），尤其是管涵除險加固過程中新老洞節(jié)接頭處要重點(diǎn)處理，以保證防滲止水系統(tǒng)的完整性；⑥管涵上部結(jié)構(gòu)盡量采用對稱結(jié)構(gòu)，并合理預(yù)估大堤加高培厚對結(jié)構(gòu)承載力及地基承載力的影響，以減小不均勻沉陷發(fā)生的可能性。

施工階段，可采取的災(zāi)變防控措施包括：①施工時確保接合部碾壓密實(shí)，對于碾壓不到或難以壓實(shí)的地方可采取一定的夯實(shí)措施；②嚴(yán)格確保止水質(zhì)量及施工工藝，以避免止水伸縮縫發(fā)生滲漏；③采用新材料新技術(shù)處理土石接合部，做到防患于未然。

運(yùn)行管理階段，可采取的災(zāi)變防控措施包括：①加強(qiáng)日常巡查、監(jiān)測管理，發(fā)現(xiàn)異常及時處理；②定期采用檢測、探測手段對接合部進(jìn)行病險檢查，以及時發(fā)現(xiàn)接合部脫空等缺陷，并采取高聚物注漿病害處理新技術(shù)對接合部進(jìn)行處理［11］；③對各類影響因素包括人員、技術(shù)、制度、觀測設(shè)施、通信、應(yīng)急等方面都應(yīng)做全面詳細(xì)規(guī)定，對重要工程開展數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用，提高智慧管理水平。

4 結(jié) 語

（1）穿堤管涵土石接合部特殊的結(jié)構(gòu)形式，使得其容易由接觸滲流引發(fā)災(zāi)變病險隱患及險情，特別是在高水位作用下，管涵土體接合部等薄弱地帶常產(chǎn)生滲漏，形成滲漏通道。 這種接觸滲流初期對堤防的破壞或許是漸進(jìn)式的，但接觸滲流災(zāi)變破壞達(dá)到一定程度后會加速發(fā)展，危及堤防安全。

（2）通過試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際工程中穿堤管涵土體接合部發(fā)生的接觸滲流災(zāi)變險情，對比分析了土體性質(zhì)、不同壓實(shí)度、水力比降等因素對接觸滲流災(zāi)變的影響。在相同的試驗(yàn)條件下，土體黏粒含量越大、壓實(shí)度越大，滲流穩(wěn)定時間及滲流災(zāi)變破壞時間越長，其抗接觸滲流災(zāi)變演化能力越強(qiáng)。

（3）針對穿堤管涵接合部接觸滲流導(dǎo)致的災(zāi)變病險隱患，研發(fā)的可適用于土石接合部災(zāi)變病險探測的聚束直流電法系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了探測管涵土體深部災(zāi)變病險隱患的功能；利用數(shù)字信號處理技術(shù)，開發(fā)的一套探地雷達(dá)信號分析處理系統(tǒng)，提高了識別災(zāi)變病險隱患的分辨率，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)變隱患的準(zhǔn)確定位，病險成像更加清晰，使操作人員更容易識別災(zāi)變隱患。 結(jié)合常規(guī)物理探測方法，綜合運(yùn)用多種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對穿堤管涵接合部深部災(zāi)變病險的精準(zhǔn)探測。

（4）提出穿堤管涵土石接合部滲流分布式光纖實(shí)時監(jiān)測方法，建立監(jiān)測模型，實(shí)現(xiàn)了分布式光纖對土石接合部滲流災(zāi)變險情的監(jiān)測。 開發(fā)的基于光纖監(jiān)測的滲流預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)變險情的自動快速預(yù)警功能。將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于穿堤管涵接合部滲流監(jiān)測工作中可有效提升工作效率與質(zhì)量，解決了接合部細(xì)微管涌不易監(jiān)測的難題，對接合部滲流災(zāi)變進(jìn)行提前預(yù)測，由事后應(yīng)急處置轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑邦A(yù)測和預(yù)警，有助于管理人員及時采取相應(yīng)的預(yù)防與解決措施，在很大程度上提升了智能管涵運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性及“四預(yù)”水平。

（5）穿堤管涵接合部接觸滲流災(zāi)變防控除應(yīng)選擇適宜的土體材料、防滲排水設(shè)施及確保壓實(shí)質(zhì)量外，還應(yīng)遵循“高防低排”的原則，形成一個完整有效、空間立體的防滲體系，同時應(yīng)做好接合部檢測、探測及監(jiān)測工作。 此外，對災(zāi)變病險隱患采用高聚物注漿技術(shù)處理也是一種快速有效的措施。