输水隧洞动态监控指标拟定方法

杨 阳,何勇军,2,徐海峰,李宏恩,尹志灏

(1.南京水利科学研究院大坝安全与管理研究所,江苏 南京 210029;2. 水利部大坝安全管理研究中心,江苏 南京 210029)

为了对水资源进行合理调配,国内近年开始了引汉济渭、引大济湟、滇中调水等大量输调水工程的建设,输水隧洞是这些工程的主要建筑物。由于输水隧洞的安全直接关系到工程供水系统的稳定,其安全研究成为近几年来的热点[1]。大量学者从洞室结构、岩体稳定性、施工特征等角度进行了研究[2-3],此外还通过施工期的超前预报来确保工程施工期的安全[4-5]。然而由于输水隧洞距离长,工程穿越的地质条件复杂,外在环境多样,同时输水隧洞安全研究受到岩土力学理论及勘测技术的限制,目前,缺少评估输水隧洞运行期安全状况的有效手段[6]。考虑到输水隧洞的安全状况取决于设计、施工的合理性,但也能通过工程运行期的安全监测予以反映,输水隧洞监测信息可为工程安全分析评估提供科学依据,因此确定输水隧洞的监控指标是实现输水隧洞安全管理的重点[7]。由于隧洞工程性态、外在环境的不断变化,在监控指标的基础上,建立输水隧洞的动态监控指标更能适应输水隧洞的安全监控需求[8]。为此,本文在分析研究输水隧洞监测方法、工程运行安全影响因素的基础上,选择内外水压力、温度、隧洞衬砌混凝土和围岩变形等影响因子,构建输水隧洞安全监控指标模型,按照置信区间法原理拟定监控指标。将长时段监测数据分段分析处理,同时引入移动平均滤波算法,提出了输水隧洞动态监控指标的拟定方法。同时,结合实际工程监测数据,验证分析方法的可行性。

1 输水隧洞监测方法

输水隧洞因工程地质条件、埋深及施工方法等差异,监测方法根据所需监控的项目不同也会不同。输水隧洞安全监测的监测类型[9-10]主要包括:变形监测、渗透压力监测、应力应变监测等。施工期监测主要包括围岩变形、松弛、裂化的监测和爆破振动监测;运行期重点监测工程长期运行稳定状态,包括围岩和衬砌结构的应力应变、金属结构的应力应变、内外水压力、渗漏、地表沉降监测等。监测项目一般依据工程规模、重要性、地质条件等因素选取。如工程断面岩体完整性差、地质条件变化较大,则施工时应对施工段前方岩体进行监测;在高地应力脆性岩体中施工,有可能产生岩爆,需要对岩爆进行监测或预测;对于浅埋隧洞,运行期的地表沉降和拱顶沉降量是极其重要的,需要对其进行监测。

相对施工期,输水隧洞在运行期受到的荷载类型较多,荷载组合相对复杂。同时运行期相对施工期监测项目增多,为实现输水隧洞长期安全监控,需着重关注运行期的监测信息。如对围岩和衬砌的应力应变监测,一般采用多点位移计、滑动式位移计、多向应变计进行监测;对围岩和衬砌之间的相对变形和受力监测,相对变形一般采用测缝计监测,围岩与衬砌间的接触压力通常采用压力盒监测;针对钢筋、锚索、锚杆等金属构件的监测,可以采用粘贴在构件表面的应变片,也可以直接采用钢筋计、锚杆应力计、锚索测力计;针对内外水压力的监测,主要通过在不同位置埋设渗压计进行监测,或将渗水引流集中测量渗漏量。此外,还需测量输水隧洞的其他信息,包括环境量和水质。环境量主要包括温度、气压等,水质包括水污染、酸碱度、氯离子成分等。

2 运行期动态影响因素及指标因子

输水隧洞的埋深、高跨比、围岩的种类和力学性质、支护方式、隧洞的结构和尺寸都会对隧洞稳定产生影响,此外隧洞所处部位断层的分布、裂隙水压、地震都会对隧洞运行稳定性带来影响。在输水隧洞进入运行期后,其结构尺寸等因素较为稳定,但受力条件、地质状况及自身混凝土材料性能都逐渐产生变化,甚至劣化,导致输水隧洞运行性态产生动态变化。其中,地质构造、岩体结构、衬砌支护材料性能是影响隧洞岩体稳定性的关键因素。随着输水隧洞通水运行,工程途经的不同地质结构、结构面、裂隙、断层及褶曲等都会产生变化,衬砌支护混凝土逐渐碳化、老化、开裂,抗压抗拉性能下降,钢筋锈蚀,锚索松弛。这些动态变化的因素都会直接影响到输水隧洞运行稳定。通过分析围岩应力应变等相关监测数据,可以间接获得不同结构断面、裂隙及断层、衬砌混凝土强度等的变化信息。

此外,输水隧洞在运行期承受内外水压力同时作用,外水压力通常会对隧洞稳定性造成不利影响,是影响围岩稳定的重要不利因素。这主要表现在,隧洞开挖时洞周形成自由面,透水性好的围岩在开挖面上形成渗压梯度,增加了周围围岩向洞内运动的推动力。正常运行时,外水压力转化为静水压力,裂隙饱和水和孔隙水压力使得岩体的有效压应力减小,岩体的应力状态恶化,随着围岩中的含水量和饱和度的增加,降低了岩体的变形模量和强度,造成围岩的不稳定。对输水隧洞的渗透压力进行监测,是最为直观有效地获取隧洞内外水压力的途径。

因此,围岩和衬砌结构的应变、变形监测数据,内外水压力监测数据,应作为输水隧洞监控诊断的主要指标因子。借助不同监测仪器,获得输水隧洞的岩体、衬砌变形,内外水压力监测数据,考虑隧洞衬砌与围岩共同承受内、外水压力荷载及其他荷载的作用,才能建立有效的监控模型[11-12]。

3 输水隧洞监控模型

以围岩变形,围岩和衬砌裂缝开合度作为监控指标,并考虑输水隧洞受到水压力、温度、围岩裂隙及断层等因素变化的综合影响,输水隧洞的监控模型基本关系式[13-15]表示为

δ=δP+δT+δθ

(1)

式中:δ为总变形量;δP为水压力对应的变形分量;δT为温度变化对应的变形分量;δθ为围岩徐变、地质结构、裂隙变化、混凝土老化等因素综合作用对应的变形分量,通常称为时效分量。

a. 水压力对应的变形分量。在输水隧洞受到对称均匀外水压力P作用下,径向变形和P成正比,隧洞的水压力对应的变形分量可以表示为

δP=a1P

(2)

式中:P为观测日当天的外水压力;a1为回归系数。

b. 温度变化对应的变形分量。温度变化对应的变形分量是由于隧洞衬砌混凝土和围岩温度变化引起的位移,因此,从力学观点来看,温度变化对应的变形分量应选择混凝土和基岩的温度计测值作为因子。当隧洞衬砌混凝土和围岩布设有足够数量的内部温度计时,其测值可以反映温度场的变化情况,可以用实测温度作为因子,温度变化对应的变形分量可以表示为

(3)

式中:Ti为第i个温度计的测值;bi为回归系数;m为温度计的个数。

c. 时效分量。隧洞变形时效分量产生的原因复杂,它综合反映隧洞混凝土和围岩的徐变、塑性变形以及围岩地质构造的压缩等时效因素的作用效果,同时还包括隧洞混凝土裂缝引起的不可逆位移以及自生体积变形。隧洞开挖并及时支护后,在考虑支护与围岩的联合作用时,围岩可当作黏弹性体[13]。当隧洞开挖后立即支护时,洞壁的径向位移和时间有如下关系:

ut=umax(1-e-βt)

(4)

式中:t为时间;ut为时刻t的径向位移;umax为洞室变形量的最终稳定值;β为参数。为应用方便,式(4)可用下式代替:

ut=t/(A+Bt)

(5)

式中：A、B为参数,由实测资料经回归分析确定[8]。

针对不同工程类型,时效分量的数学模型可选择指数函数、双曲函数、多项式、对数函数、指数函数(或对数函数)附加周期项、线性函数。考虑到输水隧洞多种因素的复杂作用,通常认为正常运行的输水隧洞,时效分量变化的规律为初期变化急剧,后期渐趋稳定。按照式(5)的形式,时效因子通常选为θ和lnθ(θ为观测日减去基准日的天数除以100),因此变形的时效分量可表达为

δθ=c1θ+c2lnθ

(6)

式中：c1、c2为系数。

4 输水隧洞动态监控指标拟定方法

在输水隧洞监控模型的基础上,可以进行输水隧洞监控指标的拟定。常用的监控指标的拟定方法包括极限状态法、结构分析法、置信区间法和典型监控效应量的小概率法。其中,极限状态法和结构分析法需分析工程地质条件及受力特征,建立有限元仿真模型,但输水隧洞地质条件复杂,岩土体力学参数较难准确获取,据此较难拟定多个不同断面的监控指标。小概率分析法通过分析对结构强度或稳定不利的荷载组合所产生的效应量,并根据以往观测资料来估计监控指标,但需要有长期监测资料,且工程需真正遭遇较不利荷载组合,但输水隧洞本身遭遇不利工况的情况较少,且输水隧洞工程各异,很难找到类似工程进行类比。因此按照小概率法拟定监控指标难度较大[16]。

输水隧洞的安全运行性态是随着时间和外在因素动态变化的。伴随现代计算机和自动化控制技术的发展,工程安全监测数据采集可以做到一日多次实时传输。在获得最新数据后,可以在分析模型中纳入新的数据,剔除旧的数据,确保数据长度不变的条件下,建立逐时间段的统计模型。在统计模型计算结果的基础上,进行平滑滤波得到不同时段的监控指标,实现基于监控系统的实时动态监控目的。本文按照时间顺序,选取最新时段分析建模。在监测数据的时间序列上建立一个固定可滑动的时间窗口[19],伴随新数据的不断获取,截取包含最新时段时间窗内的数据进行建模分析,形成移动统计模型。例如,到当前时刻,总测次为n次,设定对应时间窗的测次固定为N,且n>N, 可以取n次测量中最新的N次测量数据进行分析。多次计算中,不断引入新的数据,放弃旧的数据,形成一种动态实时的分析过程。第i次测量获得对应的监控模型为

δi=δPi+δTi+δθi

(7)

式中:δPi为第i次测量后最新的N次水压力数据对应的变形分量;δTi为第i次测量后最新的N次温度监测数据对应的变形分量;δθi为第i次测量后最新的N次测量数据对应的实效分量。

为了降低噪音的影响,对历史i组诊断模型监控指标Δm1，Δm2，…，Δmi计算得到的数据进行移动平均滤波计算,得到融入第i次测量数据后的模型平滑拟合值。公式可表示为

(8)

5 工程算例

某输水工程由水库、水源枢纽工程、泵站、输水隧洞等组成,其中水库至目的地距离长达214 km。

工程某段隧洞监测断面布置有3套多点位移计(3测点式,测点深度分别为10.0 m、4.0 m和1.5 m)、3组锚杆应力计(3测点式,测点深度分别为3.5 m、2.0 m和0.8 m)、3支测缝计(分别位于隧洞的顶部、左侧和右侧)、8支钢筋计(分别位于隧洞的顶部、左侧、右侧和底部)和3支渗压计(分别位于隧洞的顶部、左侧和底部),用于监测隧洞围岩的深部变形、支护锚杆的应力变化、围岩与衬砌接缝处的开合度变化、衬砌的外水压力和衬砌钢筋的应力等。

选择该断面的多点位移计(符号为M)和测缝计(符号为J)的监测数据建立统计模型,数据系列起止日期为2010年9月19日至2012年11月9日。采用逐步回归分析计算统计模型参数,分为3个计算时段：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,时段标记i分别为1、2、3。其中水压力对应的变形分量考虑外水压力的1、2、3次项。由于大多数测点都有伴测温度数据,因此温度变化对应的变形分量按式(3)选择多点位移计和测缝计的伴测值作为因子。时效分量选择时间的对数函数与线性函数组合。得到单次监控模型为

(9)

表1为该断面多点位移计和测缝计监测数据第一组时段模型的复相关系数和剩余标准差计算结果。图1为多点位移计M-2-1实测及拟合位移过程线。

表1 某断面多点位移计和测速计监测数据模型复相关系数及剩余标准差

图1 多点位移计M-2-1实测及拟合位移过程线

从表1可以看出大部分多点位移计测点和测缝计测点监测数据的建模结果较好,复相关系数较高,表明所建立的回归模型精度较高。

表2 多点位移计及测缝计监控指标值 mm

6 结 语

针对输水隧洞地质条件复杂、外在环境多样,监测类型多样的特点,分析了输水隧洞施工期和运行期的监测项目,并着重研究了影响运行工程安全性态的动态影响因素和指标因子特点;针对内外水压力、温度、隧洞衬砌土和围岩的徐变等时效因素,研究了输水隧洞安全监控指标模型和指标构建方法;在此基础上,引入移动平均滤波算法,提出了输水隧洞动态监控指标的拟定方法。结合某个输水隧洞多点位移计和测缝计的多年监测数据,计算得到了对应测点的动态监控指标。