胶东调水工程输水管道施工质量安全监控方法

王 群

(山东省调水工程运行维护中心烟台分中心，山东 烟台 264000)

我国建设现代水利的步伐逐步加快，在现代水利逐步发展与完善的背景下，胶东地区建立调水工程，引入黄河水为整个区域提供水资源。该系统工程在黄水河泵站—米山水库段，建立4座泵站、5座隧洞、2段暗渠及多条输水管道，使整个胶东地区形成了一个完整的水资源输送体系[1]。为了保证输水管道能够安全、高效参与运输水资源，传统方法参考文献[2]和文献[3]的研究内容，分别利用大数据技术和在线监测系统，对胶东地区输水管道的施工质量安全进行了全天监控[2-3]。但这两种监控方法的监控效果，没有达到预设目标，因此，提出全新的监控方法来监控输水管道施工质量安全。

1 胶东调水工程输水管道施工质量安全监控方法

1.1 评价胶东地区调水工程水网连通度

胶东引黄调水工程输水线路总长480.8km，其中打渔张闸至引黄济青宋庄分水闸段全长约172.5km；新辟明渠段全长约159.6km，新建压力管道、暗渠及隧洞长约为148.7km。本文根据胶东地区调水工程基本结构，建立河湖水系图模型，评价该区域的水网连通度。利用水系图模型方法，利用图论中的相关元素，表征水系中的不同地貌特点。其中线条可以描述河流走向，节点可以表示河流汇合处，弧线表示湖泊或弯道，孤立点表示小型电站及水域。根据胶东地区水文特征，可知交错的河道构成一个河道水网，其中的连通程度各有不同[4]。按照上述方法建立概化图模型(见图1)。

图1 胶东地区水域概化图模型

利用图1所示模型、连通度参数，衡量河湖水系的连通程度，实现对输水管道施工安全以及施工难度的定量分析。根据胶东地区调水工程基本结构可知，该工程与三种不同的水网相关，见图2。

图2 水网连通状态示意图

图中点a与点b、点b与点c之间的线段，代表主河道，点d代表一个小型水域。直观来看，图 2(a)的连通程度小于图2(b)，图2(b)小于图2(c)。根据上述分析提出水网连通度评价过程：根据图模型设置模型编号，得出图的邻接矩阵，利用MATLAB软件进行矩阵数值运算，判断图是否连通；当图不连通时直接得出结论；当图连通时，将图中的线条按照(1,k)的顺序进行编号，依次删除一条边。利用邻接矩阵判断删除边后新图的连通性。若新图不连通则原图的连通性为1；若新图连通则继续删除线条，若删除某两条边后的新图不连通，则原图连通性为2；如果删除任意两条边后的新图仍然连通，则继续删除第三条边。以此类推，当新图不连通时，则默认原图连通性为s，这个数值就是该地区调水工程水网连通度[5-6]。

1.2 计算输水管道冻胀参数与排水减压参数

依据上述连通度评价结果，分析在该参数影响下，输水管道冻胀参数与排水减压参数。从冻胀破坏成因来看，输水管道为了适应水网的连通状况，设计了管道的整体走向和分段长度，但受地下水位、渠床土质以及施工操作的影响，输水管道存在冻胀破坏问题，因此参考《渠系工程抗冻胀设计规范》，利用下式计算管道冻胀参数：

Hd=lnsμdqdH′

(1)

式中d——土层厚度；

Hd——工程设计冻深；

μd——考虑日照及遮阴程度的修正系数；

qd——地下水影响系数；

H′——历年最大冻深[7]。

根据《冻土地区建筑地基基础设计规范》可知胶东调水工程输水渠各段标准冻深(见表1)。

表1 输水渠沿线标准冻深

将式(1)的计算结果与表1中的数据进行对比，找到存在较大差异的管道位置[8]。由于河流的径流会有波动情况，因此根据沿线地下水位、土质与渗透系数，计算输水管道承担的排水量，公式为

(2)

式中w——单位排水量；

γ——渗透系数；

D——暗管水位至不透水层的等效深度；

L——地下水位至暗管水位的高度；

C——暗管排水的影响范围[9]。

按照水力学中短管出流原理，计算排水器出水管出水流量：

W=φCβ(2ΔL)

(3)

式中W——出水流量；

φC——出水流量系数；

β——输水管道横截面面积；

ΔL——水位差。

根据上述三组系数，确定输水管道易发生施工问题的节点，为监控管道施工安全，提供监控依据[10-11]。

1.3 拟定输水管道施工质量安全监控指标

安全监控指标是监控输水管道施工质量安全的重要数据，不仅可以通过该指标判定施工质量，也能为输水管道施工带来便利。因此定义施工质量安全准则：

R-λ≥0

(4)

式中R——输水管道的总抗力；

λ——临界荷载组合情况下的总效应量。

根据实际的R值和λ值，将安全监控指标划分为三个级别。当R为施工允许值时，冻胀参数与排水减压参数为警戒值，该指标为一级监控指标，此时的强度条件和稳定条件为

(5)

式中H、[H]——荷载作用下，输水管道的实际冻胀程度和允许冻胀程度；

w、[w]——承担的排水量与施工允许承担的排水量；

W、[W]——实际出水流量和允许的出水流量[12-13]。

则根据上述条件得到一级监控指标的计算方程：

σ1=f(H≤[H],w≤[w],W≥[W])

(6)

当R为最不利荷载组合情况下的总效应时，此时的冻胀参数与排水减压参数为危险值，该指标为二级指标，此时管道施工的约束条件为

(7)

公式中的各项参数与上述公式一致。因此得到二级监控指标的计算公式：

σ2=f(H≤[H],w≤[w],W≥[W],R≥λ)

(8)

当R为极限值且λ为极端不利组合下的总效应时，监控指标为三级监控指标，其施工约束条件为

(9)

根据以上约束条件，得到输水管道施工质量安全的三级监控指标，公式为

σ3=f(H≤[H],w≤[w],R≥λ)

(10)

根据上述三级施工质量安全监控指标，设定监控模型的监控标准，管理模块根据监控模型的反馈，给予监控中心不同等级的施工安全风险反馈。至此通过上述拟定的监控指标，对胶东调水工程输水管道施工质量安全，进行全天的数据监控[14-15]。

2 实验与分析

2.1 实验准备

已知胶东调水工程中，输水明渠工程自宋庄分水闸新辟输水明渠，向东北基本沿烟潍公路平行等高线布置，经昌邑、平度、莱州、招远、龙口五个城市，线路全长159.609km，在龙口市的侧岭高家村西接黄水河泵站，其中昌邑市5.261km、平度市32.905km、莱州市70.403km、招远市18.146km、龙口市32.894km。对五个城市中的输水管道进行编号，分别为1号、2号、3号、4号、5号。为了便于实验操作，预先设定12个监控区间(见表2)。

表2 输水管道施工监控区间基本参数

续表

同一测试季节中，胶东地区历年来的水文特征见表3。

表3 历年水文特征统计 单位：m

以上述数据信息为此次实验测试依据，将此次提出的监控方法作为实验组，将传统方法1作为对照1组，将传统方法2作为对照2组，分别利用不同的方法，监控调水工程输水管道施工质量。

2.2 实验组测试过程

此次提出的方法，利用无人机倾斜摄影技术获取调水工程总体施工范围，利用MATLAB软件绘制该地区水系图模型。实验组预先绘制的水系图模型见图3。

图3 胶东调水工程的水系统模型

该模型表示1∶1000的地形数据。该方法完成上述操作后，得到模型的邻接矩阵：

(11)

根据上述计算可知，邻接矩阵B的计算值为1，也就是该区域的连通度为1。根据该连通度计算施工安全影响参数，并拟定监控指标。

2.3 渗透性监控测试

分别利用三个测试组拟定的监控指标，根据表2中设定的12处监控区间，选择其中的L1-4、L3-3、L4-2以及L5-3作为测试对象。测试对象的施工安全监控曲线见图4～图6。

图4 实验组监控曲线

图5 对照1组监控曲线

图6 对照2组监控曲线

根据上述3组监控曲线变化趋势可以看出，对照1组和对照2组中的监控曲线，明显不同于实验组。其中三个测试组的L1-4处监控数据更加贴近；L3-3处监控曲线，出现了一些差异；而L4-2以及L5-3处的监控曲线，则出现了巨大差异。三个测试组在上述四个监控位置的监测结果见表4。

表4 渗透量监控结果

由表4结果可知，此次提出的监控方法得到的渗透量监控数据，与实际数据完全一致。而两种传统方法获得的监控结果，有很多数据偏离实际值。

3 结 语

此次研究结合胶东调水工程的工程现状、当地的水文特性，为监控输水管道施工安全，提供了更加可靠的监控指标。但此次研究还存在不足之处，文中构建的监控模型还有进一步提高性能的可能，因此，在今后的研究工作中，可以设计一套聚类算法，将监控数据进一步细化，为施工安全和调水工程正常使用提供更加可靠的手段，为周围群众的生活、工业农业发展，提供稳定的水资源。