輸水隧洞動態監控指標擬定方法

楊 陽,何勇軍,2,徐海峰,李宏恩,尹志灝

(1.南京水利科學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)

為了對水資源進行合理調配,國內近年開始了引漢濟渭、引大濟湟、滇中調水等大量輸調水工程的建設,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系到工程供水系統的穩定,其安全研究成為近幾年來的熱點[1]。大量學者從洞室結構、巖體穩定性、施工特征等角度進行了研究[2-3],此外還通過施工期的超前預報來確保工程施工期的安全[4-5]。然而由于輸水隧洞距離長,工程穿越的地質條件復雜,外在環境多樣,同時輸水隧洞安全研究受到巖土力學理論及勘測技術的限制,目前,缺少評估輸水隧洞運行期安全狀況的有效手段[6]。考慮到輸水隧洞的安全狀況取決于設計、施工的合理性,但也能通過工程運行期的安全監測予以反映,輸水隧洞監測信息可為工程安全分析評估提供科學依據,因此確定輸水隧洞的監控指標是實現輸水隧洞安全管理的重點[7]。由于隧洞工程性態、外在環境的不斷變化,在監控指標的基礎上,建立輸水隧洞的動態監控指標更能適應輸水隧洞的安全監控需求[8]。為此,本文在分析研究輸水隧洞監測方法、工程運行安全影響因素的基礎上,選擇內外水壓力、溫度、隧洞襯砌混凝土和圍巖變形等影響因子,構建輸水隧洞安全監控指標模型,按照置信區間法原理擬定監控指標。將長時段監測數據分段分析處理,同時引入移動平均濾波算法,提出了輸水隧洞動態監控指標的擬定方法。同時,結合實際工程監測數據,驗證分析方法的可行性。

1 輸水隧洞監測方法

輸水隧洞因工程地質條件、埋深及施工方法等差異,監測方法根據所需監控的項目不同也會不同。輸水隧洞安全監測的監測類型[9-10]主要包括:變形監測、滲透壓力監測、應力應變監測等。施工期監測主要包括圍巖變形、松弛、裂化的監測和爆破振動監測;運行期重點監測工程長期運行穩定狀態,包括圍巖和襯砌結構的應力應變、金屬結構的應力應變、內外水壓力、滲漏、地表沉降監測等。監測項目一般依據工程規模、重要性、地質條件等因素選取。如工程斷面巖體完整性差、地質條件變化較大,則施工時應對施工段前方巖體進行監測;在高地應力脆性巖體中施工,有可能產生巖爆,需要對巖爆進行監測或預測;對于淺埋隧洞,運行期的地表沉降和拱頂沉降量是極其重要的,需要對其進行監測。

相對施工期,輸水隧洞在運行期受到的荷載類型較多,荷載組合相對復雜。同時運行期相對施工期監測項目增多,為實現輸水隧洞長期安全監控,需著重關注運行期的監測信息。如對圍巖和襯砌的應力應變監測,一般采用多點位移計、滑動式位移計、多向應變計進行監測;對圍巖和襯砌之間的相對變形和受力監測,相對變形一般采用測縫計監測,圍巖與襯砌間的接觸壓力通常采用壓力盒監測;針對鋼筋、錨索、錨桿等金屬構件的監測,可以采用粘貼在構件表面的應變片,也可以直接采用鋼筋計、錨桿應力計、錨索測力計;針對內外水壓力的監測,主要通過在不同位置埋設滲壓計進行監測,或將滲水引流集中測量滲漏量。此外,還需測量輸水隧洞的其他信息,包括環境量和水質。環境量主要包括溫度、氣壓等,水質包括水污染、酸堿度、氯離子成分等。

2 運行期動態影響因素及指標因子

輸水隧洞的埋深、高跨比、圍巖的種類和力學性質、支護方式、隧洞的結構和尺寸都會對隧洞穩定產生影響,此外隧洞所處部位斷層的分布、裂隙水壓、地震都會對隧洞運行穩定性帶來影響。在輸水隧洞進入運行期后,其結構尺寸等因素較為穩定,但受力條件、地質狀況及自身混凝土材料性能都逐漸產生變化,甚至劣化,導致輸水隧洞運行性態產生動態變化。其中,地質構造、巖體結構、襯砌支護材料性能是影響隧洞巖體穩定性的關鍵因素。隨著輸水隧洞通水運行,工程途經的不同地質結構、結構面、裂隙、斷層及褶曲等都會產生變化,襯砌支護混凝土逐漸碳化、老化、開裂,抗壓抗拉性能下降,鋼筋銹蝕,錨索松弛。這些動態變化的因素都會直接影響到輸水隧洞運行穩定。通過分析圍巖應力應變等相關監測數據,可以間接獲得不同結構斷面、裂隙及斷層、襯砌混凝土強度等的變化信息。

此外,輸水隧洞在運行期承受內外水壓力同時作用,外水壓力通常會對隧洞穩定性造成不利影響,是影響圍巖穩定的重要不利因素。這主要表現在,隧洞開挖時洞周形成自由面,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運動的推動力。正常運行時,外水壓力轉化為靜水壓力,裂隙飽和水和孔隙水壓力使得巖體的有效壓應力減小,巖體的應力狀態惡化,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度,造成圍巖的不穩定。對輸水隧洞的滲透壓力進行監測,是最為直觀有效地獲取隧洞內外水壓力的途徑。

因此,圍巖和襯砌結構的應變、變形監測數據,內外水壓力監測數據,應作為輸水隧洞監控診斷的主要指標因子。借助不同監測儀器,獲得輸水隧洞的巖體、襯砌變形,內外水壓力監測數據,考慮隧洞襯砌與圍巖共同承受內、外水壓力荷載及其他荷載的作用,才能建立有效的監控模型[11-12]。

3 輸水隧洞監控模型

以圍巖變形,圍巖和襯砌裂縫開合度作為監控指標,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,輸水隧洞的監控模型基本關系式[13-15]表示為

δ=δP+δT+δθ

(1)

式中:δ為總變形量;δP為水壓力對應的變形分量;δT為溫度變化對應的變形分量;δθ為圍巖徐變、地質結構、裂隙變化、混凝土老化等因素綜合作用對應的變形分量,通常稱為時效分量。

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

δP=a1P

(2)

式中:P為觀測日當天的外水壓力;a1為回歸系數。

b. 溫度變化對應的變形分量。溫度變化對應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,從力學觀點來看,溫度變化對應的變形分量應選擇混凝土和基巖的溫度計測值作為因子。當隧洞襯砌混凝土和圍巖布設有足夠數量的內部溫度計時,其測值可以反映溫度場的變化情況,可以用實測溫度作為因子,溫度變化對應的變形分量可以表示為

(3)

式中:Ti為第i個溫度計的測值;bi為回歸系數;m為溫度計的個數。

c. 時效分量。隧洞變形時效分量產生的原因復雜,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構造的壓縮等時效因素的作用效果,同時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。隧洞開挖并及時支護后,在考慮支護與圍巖的聯合作用時,圍巖可當作黏彈性體[13]。當隧洞開挖后立即支護時,洞壁的徑向位移和時間有如下關系:

ut=umax(1-e-βt)

(4)

式中:t為時間;ut為時刻t的徑向位移;umax為洞室變形量的最終穩定值;β為參數。為應用方便,式(4)可用下式代替:

ut=t/(A+Bt)

(5)

式中：A、B為參數,由實測資料經回歸分析確定[8]。

針對不同工程類型,時效分量的數學模型可選擇指數函數、雙曲函數、多項式、對數函數、指數函數(或對數函數)附加周期項、線性函數。考慮到輸水隧洞多種因素的復雜作用,通常認為正常運行的輸水隧洞,時效分量變化的規律為初期變化急劇,后期漸趨穩定。按照式(5)的形式,時效因子通常選為θ和lnθ(θ為觀測日減去基準日的天數除以100),因此變形的時效分量可表達為

δθ=c1θ+c2lnθ

(6)

式中：c1、c2為系數。

4 輸水隧洞動態監控指標擬定方法

在輸水隧洞監控模型的基礎上,可以進行輸水隧洞監控指標的擬定。常用的監控指標的擬定方法包括極限狀態法、結構分析法、置信區間法和典型監控效應量的小概率法。其中,極限狀態法和結構分析法需分析工程地質條件及受力特征,建立有限元仿真模型,但輸水隧洞地質條件復雜,巖土體力學參數較難準確獲取,據此較難擬定多個不同斷面的監控指標。小概率分析法通過分析對結構強度或穩定不利的荷載組合所產生的效應量,并根據以往觀測資料來估計監控指標,但需要有長期監測資料,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行類比。因此按照小概率法擬定監控指標難度較大[16]。

輸水隧洞的安全運行性態是隨著時間和外在因素動態變化的。伴隨現代計算機和自動化控制技術的發展,工程安全監測數據采集可以做到一日多次實時傳輸。在獲得最新數據后,可以在分析模型中納入新的數據,剔除舊的數據,確保數據長度不變的條件下,建立逐時間段的統計模型。在統計模型計算結果的基礎上,進行平滑濾波得到不同時段的監控指標,實現基于監控系統的實時動態監控目的。本文按照時間順序,選取最新時段分析建模。在監測數據的時間序列上建立一個固定可滑動的時間窗口[19],伴隨新數據的不斷獲取,截取包含最新時段時間窗內的數據進行建模分析,形成移動統計模型。例如,到當前時刻,總測次為n次,設定對應時間窗的測次固定為N,且n>N, 可以取n次測量中最新的N次測量數據進行分析。多次計算中,不斷引入新的數據,放棄舊的數據,形成一種動態實時的分析過程。第i次測量獲得對應的監控模型為

δi=δPi+δTi+δθi

(7)

式中:δPi為第i次測量后最新的N次水壓力數據對應的變形分量;δTi為第i次測量后最新的N次溫度監測數據對應的變形分量;δθi為第i次測量后最新的N次測量數據對應的實效分量。

為了降低噪音的影響,對歷史i組診斷模型監控指標Δm1，Δm2，…，Δmi計算得到的數據進行移動平均濾波計算,得到融入第i次測量數據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、水源樞紐工程、泵站、輸水隧洞等組成,其中水庫至目的地距離長達214 km。

工程某段隧洞監測斷面布置有3套多點位移計(3測點式,測點深度分別為10.0 m、4.0 m和1.5 m)、3組錨桿應力計(3測點式,測點深度分別為3.5 m、2.0 m和0.8 m)、3支測縫計(分別位于隧洞的頂部、左側和右側)、8支鋼筋計(分別位于隧洞的頂部、左側、右側和底部)和3支滲壓計(分別位于隧洞的頂部、左側和底部),用于監測隧洞圍巖的深部變形、支護錨桿的應力變化、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力等。

選擇該斷面的多點位移計(符號為M)和測縫計(符號為J)的監測數據建立統計模型,數據系列起止日期為2010年9月19日至2012年11月9日。采用逐步回歸分析計算統計模型參數,分為3個計算時段：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,時段標記i分別為1、2、3。其中水壓力對應的變形分量考慮外水壓力的1、2、3次項。由于大多數測點都有伴測溫度數據,因此溫度變化對應的變形分量按式(3)選擇多點位移計和測縫計的伴測值作為因子。時效分量選擇時間的對數函數與線性函數組合。得到單次監控模型為

(9)

表1為該斷面多點位移計和測縫計監測數據第一組時段模型的復相關系數和剩余標準差計算結果。圖1為多點位移計M-2-1實測及擬合位移過程線。

表1 某斷面多點位移計和測速計監測數據模型復相關系數及剩余標準差

圖1 多點位移計M-2-1實測及擬合位移過程線

從表1可以看出大部分多點位移計測點和測縫計測點監測數據的建模結果較好,復相關系數較高,表明所建立的回歸模型精度較高。

表2 多點位移計及測縫計監控指標值 mm

6 結 語

針對輸水隧洞地質條件復雜、外在環境多樣,監測類型多樣的特點,分析了輸水隧洞施工期和運行期的監測項目,并著重研究了影響運行工程安全性態的動態影響因素和指標因子特點;針對內外水壓力、溫度、隧洞襯砌土和圍巖的徐變等時效因素,研究了輸水隧洞安全監控指標模型和指標構建方法;在此基礎上,引入移動平均濾波算法,提出了輸水隧洞動態監控指標的擬定方法。結合某個輸水隧洞多點位移計和測縫計的多年監測數據,計算得到了對應測點的動態監控指標。