南水北调中线工程渠堤变形安全监控指标研究

程德虎 ，孙一清 ，杜智浩

（1. 南水北调中线干线建设管理局，北京 100038；2. 河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098）

0 引言

水工程安全直接关系公共、生态安全及社会稳定。渠道作为大型调水工程的重要组成部分，安全状态决定整个调水工程能否正常运行。南水北调中线工程渠首段渠道包括深挖方和高填方堤段，安全状况一直是运行管理单位关注的重点，为此安装了大量的监测仪器，但由于缺乏相应的监控指标，使得测值的在线分析判断变得十分困难。在安全监控指标研究方面，国内河海大学苏怀智[1-3]、顾冲时[4-6]，南京水利科学研究院谷艳昌[7]及武汉大学何金平[8-9]都对大坝安全监控进行过深入研究，并针对大坝拟定过监控指标。

近年来，朱凯等[10]在分析原始监测数据的基础上，通过正逆向云发生器产生监测数据的期望、熵、超熵等数字特征，利用这些数字特征计算定量的转换值，从而实现定量—定性—定量的转换，并借助云模型确定安全监控指标；孙鹏明[11]采用投影寻踪方法对大坝不同高程处的位移序列进行降维处理，生成位移投影值及权重，计算出加权位移值，并运用正逆向云模型拟定大坝位移安全监控综合指标；聂兵兵[12]为研究极值理论在大坝变形监控指标拟定上的计算方法，结合大坝失事概率拟定监控指标；张鲲鹏[13]先用经验模态分解（EMD）滤波方法去噪，然后采用云模型进行安全监控指标拟定；谢珊珊[14]借助极值理论，提出基于博弈论的 POT变形预警模型；肖磊[15]引入改进的快速 Myriad 滤波法对大坝变形监测数据进行预处理，再采用最大熵法和云模型法拟定大坝运行期变形监控指标。但对于渠堤的安全监控指标拟定，相比较大坝，相关文献明显偏少，因此有必要对渠堤安全变形监控指标进行研究。

1 典型断面测点的布置

35 + 400 标段高填方渠道右岸边坡，在渠坡顶位置钻孔安装测斜管，底部埋深高程为 127.8 m；在外边坡马道位置钻孔埋设测斜管，底部高程为 128.1 m；在渠道内边坡中部、内坡脚，以及渠道底板和渠基深部位置埋设测压管和渗压计。高填方渠道右岸边坡具体布置如图 1 所示。10 + 300 标段深挖方渠道右岸边坡，在渠坡顶位置钻孔安装测斜管，底部埋深高程为 146.8 m；在一级马道位置钻孔埋设测斜管，底部高程为 136.0 m；在渠道坡脚处、一级马道下部边坡中部，以及渠基和测斜管底部位置埋设测压管和渗压计。深挖方渠道右岸边坡具体布置如图2 所示。

图 1 35 + 400 标段高填方渠道右岸边坡测点布置图

这种通过总结经验的测点布置方法不确定性较大，虽然在工程安全监测中发挥了一定的作用，但是在不同工程中仍存在差异。此方法缺少定量的理论分析，具有很强的经验性，不能完全照搬，因此，采用理论分析方法对测点进行优化布置是很有必要的。

2 变形影响因素的分析

南水北调中线工程渠首段渠道土壤以膨胀土为主，膨胀土是一种遇水膨胀，失水收缩，胀缩效应十分显著的特殊黏性土，具有一般黏性土所没有的特性，通常把这些特性总结为胀缩性、裂隙性和超固结性。由于膨胀或收缩会导致土体产生裂隙，故胀缩性是引起裂隙性的内因。裂隙性是影响土体强度、稳定性的一大重要因素，裂隙在破坏膨胀土整体性的同时，为雨水的渗入提供了路径，使水分进入并使裂隙附近土体软化，呈放射性扩展，使得负孔隙压力大幅降低，大大地降低土的抗剪强度，使土体易产生相对滑动。超固结性是由土层的沉积受荷历史、年代和土体干燥及陈化等因素引起的，它会促进裂隙的发展和土体软化特性的加剧，因此是一个促进膨胀土特殊性质的因素。由此可见，裂隙性是影响膨胀土力学性质和边坡稳定性的关键因素，胀缩性是内在因素，超固结性是促进因素，三者互有联系但不是并立的。

膨胀土坡失稳的情况在工程中屡次发生，导致这种滑坡的原因主要有：1）古滑坡或现存的薄弱结构面因工程施工造成应力状态改变而重新复活；2）膨胀的特殊性质。

膨胀土滑坡一般具有以下几个显著的特征：1）滑动往往在持续降雨的情况下发生；2）多数属浅层滑动；3）有不少滑坡是渐进式的或牵引式的；4）在相当平缓的边坡上也会发生。膨胀土滑坡的这些特征，除了当地的气象和地形等因素外，主要是由膨胀土本身的特性决定的。

可见，膨胀土变形不仅与渠内水位有关，还与土壤含水率有关，所以在设置测点时除了要对土体变形、压力和孔隙水压力进行测量外，还应对土壤湿度进行测量，由于渠内没有相应的湿度监测仪器，因此采用前期雨量监测数据反映湿度的变化。

3 渠坡位移统计模型的建立

南水北调中线工程渠道首段中淅川县段存在众多高填方和深挖方渠段，易发生滑坡和崩塌破坏，因此在渠道左右岸布置了大量监测仪器，包括土体位移计、含水量仪、渗压计等。

为较好地评价特殊渠段边坡的运行安全状态，研究其变形发展规律，选取桩号 10 + 300 深挖方渠道右岸渠坡中的 IN01HPT 号典型测点，孔深 4 m处的边坡内部水平位移监测数据（2014 年 11 月—2018 年 1 月）进行分析。系统软件选择边坡内部位移分析模块，通过建立合理的统计模型并嵌入系统模型库，对边坡内部位移监测数据进行统计回归分析。

3.1 影响因子选择

通过对高填方和深挖方等特殊渠段边坡破坏形式和机理的分析，以及对水平位移监测数据的整理分析可知，影响渠道边坡变形的主要因素为水压、时间和降雨量[16-17]，得到边坡位移的统计模型为

式中：δ 为边坡水平位移量；δH为水压分量；δθ为时效分量；δp为降雨分量；C 为统计常数，由统计回归分析得到。

各影响因素分析如下：

1）水压分量。渠水压力是渠坡的主要荷载，渠道过水后，坡体内任一点的水压位移一般与渠道水深及其二、三次方成比例，由水压引起的位移分量表达式为

式中：Hi为当天渠道水深；ci为水压引起的位移分量回归系数。

2）时效分量。渠坡内部位移时效分量的产生原因很复杂[18]，边坡岩土的徐变、接缝或裂缝的变化、岩体裂隙的压缩等因素都会导致边坡土体的非弹性变形，这种变形随时间变化且过程不可逆，同时时效因素还会影响气温、降雨、地下水等的变化。这里所描述的时效分量是指在气温和降雨等无显著影响时段，地质条件不变的情况下边坡内部的位移分量。时效位移通常在初期变化明显，其后趋于平稳，根据南水北调中线调水工程的实际情况，由时效引起的位移分量可表示为

式中：θ 为观测日至始测日的累计天数除以 100；c4，c5分别为时效因子回归系数。

3）降雨分量。边坡内部位移相对降雨存在一定的滞后时间[19-21]，依据经验，降雨分量一般选取测点水平位移测值前半个月内 5 个时段，即以前 1，3，5，10，15 d 的降雨量平均值作为影响因子[22]，由降雨引起的位移分量选用下列形式：

式中：Pm为前 m 天的平均降雨量，m 分别取 1，3，5，10，15；ci为降雨引起的位移分量回归系数，由回归分析得到，i = 6，7，8，9，10。

3.2 统计模型建立

根据南水北调中线调水工程特殊渠段的特点，得到特殊渠段边坡内部位移的统计模型为

式中：c0为常数项。

3.3 系数确定

根据公式（5），建立嵌入系统的测点水平位移回归模型，采用逐步回归分析法计算得到 10 + 300标段 IN01HPT 号测点的边坡变形的回归方程、复相关系数、剩余标准差。统计的水平位移测点的回归系数 c0～ c10分别为 6.540，0.016，0.003，0，0.089，0.033，-0.027，0，-0.034，0，0.006，复相关系数 R 为 0.903，剩余标准差为 0.294。10 + 300标段 IN01HPT 号测点 4 m 孔深处的实测值、拟合值和残差过程线如图 3 所示。

图 3 10 + 300 标段 IN01HPT 测点 4 m 孔深处的实测值、拟合值和残差过程线

由图 3 可知，渠坡内部位移的回归拟合值与实测值符合情况良好，复相关系数较大，剩余标准差较小，说明该统计回归分析模型能够比较准确地反映渠坡内部水平位移的变化规律和趋势，同时也验证了水压、时效和降雨因子对渠坡内部位移具有重要的影响。

3.4 典型测点安全监控指标拟定

为实现基于实测数据的自动预警，监控指标的拟定是必要的，以典型渠段 IN01HPT 号测点为例，对水平位移监控指标进行拟定。将拟定的监控指标存入软件数据库，通过在线调用实现线上监控预警。

监控指标拟定方法主要有结构分析法、数理统计法、极限状态法等，其中结构分析法基于数值计算，根据材料线弹性和弹塑性等不同阶段，利用非线性有限元、数值流形、无单元法及不连续变形分析等数值计算方法，可拟定南水北调中线工程安全监控分级指标，相对统计方法而言，计算工作量比较大。数理统计方法主要有基于置信区间法和典型监测效应量小概率法 2 种方法，基于实测资料的置信区间法在边坡没有遭遇过最不利工况，或资料系列较短时，建立的统计模型只能用来预测大坝遭遇荷载范围内的效应量，不一定能反映最不利荷载组合时的警戒值。相比之下典型小概率法的适用性更强。因此，结合南水北调中线工程实际情况，选用典型监测效应量小概率法拟定渠道边坡内部的水平位移等监控指标。

通过对 2014 年 11 月— 2018 年 1 月的 IN01HPT号测点不同高程监测数据的分析，可以得出该测点在孔深为 4 m 左右时的实测累计位移量最大且长期为正向位移（向渠道反方向为正），因此选取4 m 孔深处的最大位移数据作为最不利荷载下典型监测效应量的样本，可保证周期内其他监测效应量的安全性。本次计算以半年为 1 个周期，在每个周期内选取最不利荷载下的实测位移最大值，具体如表 1 所示。

表 1 典型测点处边坡内部水平位移极值统计表

由表 1 计算样本的水平位移 δ 的均值和标准差，可得均值= 11.89 mm，标准差 σ =1.38 mm。利用 K-S 检验法对各特征时段的最大值进行分布检验，经检验得出 IN01HPT 号测点 4 m 孔深处水平位移的周期最大值服从正态分布。

由统计理论可知，当失事概率 a 足够小时，可以认为这是一个几乎不会发生的小概率事件，若发生则为异常情况[19]。基于此，综合考虑南水北调中线调水工程的情况和重要性，取 a = 1% 的概率水平，求得渠坡内水平位移的监控指标。因此，当边坡内水平位移 δ 大于极值 δm时，概率 P 为

把相关值代入公式（6），得到

经计算得到，监控指标 δm= 13.52 mm，即对于南水北调中线调水工程 10 + 300 标段 IN01HPT 号测点 4 m 孔深处的水平位移安全监控指标拟定为13.52 mm，实测值不应大于 13.52 mm。

4 结语

渠堤变形安全监控的拟定可以获取更加可靠的检测资料和保证渠堤安全的基础。依据大坝变形安全监控指标的拟定方法，在考虑各类对渠堤变形影响因素的基础上，对渠堤拟定监控指标进行了研究。通过对典型测点水平位移的指标拟定，证明了渠堤拟定监控指标的可行性，不仅可为渠堤监控指标的拟定提供可资借鉴的方法，而且还为将来制定渠堤安全监控指标的相关规范提供参考依据。监控指标拟定是一个较为复杂的综合性问题，所提出的监控指标拟定方法还有待进一步完善，结合实际工程时需要进行进一步优化。