何勇軍，范光亞，徐海峰，李 錚

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210001；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029）

輸水隧洞安全監(jiān)控與預警技術研究進展

何勇軍1，2，范光亞1，2，徐海峰1，2，李 錚1，2

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210001；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029）

輸水隧洞是長距離調水的主要工程之一，安全監(jiān)控與預警是輸水隧洞施工期和運行期安全管理的重要組成部分。文章介紹了近年來輸水隧洞安全監(jiān)控與預警技術研究的應用情況，分析了此方面尚存的問題，得出需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料、不斷完善預報預警模型的識別能力，可以提高安全預警和決策能力。

輸水隧洞；安全監(jiān)測；反演分析；監(jiān)控指標；安全預警

1 概況

我國缺水的干旱半干旱面積占 52%，缺水帶來的工農(nóng)業(yè)年損失巨大，以千億計算。目前，我國城市供水以地表水或地下水為主，有些城市因地下水過度開采，造成地下水位下降，甚至形成了幾百平方公里的大漏斗。受經(jīng)濟社會用水快速增長和土地開發(fā)利用等因素的影響，導致淡水生態(tài)系統(tǒng)功能整體呈現(xiàn)“局部改善、整體退化”的態(tài)勢?？缌饔蛘{水工程是一項耗資昂貴的增加供水工程，是從豐水流域向缺水流域調節(jié)。大運河就是跨流域調水工程的典型。引黃濟青、引灤入津、引灤入唐、大伙房輸水工程、云南牛欄江~滇池補水、南水北調等工程都是從豐水流域向缺水流域供水的大工程。

2 輸水隧洞安全監(jiān)控與預警

輸水隧洞，尤其是數(shù)十公里的超長輸水隧洞工程，其工程安全直接關系到調水工程的安全性和可靠性。輸水隧洞不僅在結構上有別于公路、鐵路等交通隧洞，其運行工況也不相同，輸水隧洞所處的特殊地質環(huán)境因素對輸水隧洞的安全性有重要的影響。同時受到巖土力學理論、數(shù)值模擬及勘測技術的限制，目前有些方面幾乎不可能在設計階段就準確預測和評估，如隧洞周圍巖體的初始地應力和全部物理力學性狀，及其在施工運行過程中的動態(tài)響應。輸水隧洞的工程安全不僅取決于設計、施工方法的合理，更取決于貫穿工程始終的安全監(jiān)控工作。輸水隧洞安全監(jiān)控的目的，一是及時發(fā)現(xiàn)工程的異?，F(xiàn)象或隱患，為加固處理提供科學依據(jù)；二是掌握隧洞運行變化規(guī)律，指導運行管理；三是驗證設計，檢驗施工，發(fā)展理論。輸水隧洞安全監(jiān)控是一個貫穿隧洞施工和運行全過程的工作，不僅要在工程施工過程中通過安全監(jiān)控以指導工程施工，保證工程建設安全，在工程建成后，為了保障輸水工程安全運行，也要對工程的運行安全進行監(jiān)控。

輸水隧洞安全監(jiān)控與預警主要包括安全檢測和監(jiān)測、監(jiān)測資料整編、安全分析與評價、隧洞圍巖參數(shù)反演、安全監(jiān)控指標體系和擬定、輸水隧洞安全管理與預警等。

我國專門針輸水離隧洞安全監(jiān)控的研究起步相對較晚，在實際工程中大多借鑒壩工建設等巖土工程安全監(jiān)測的相關經(jīng)驗，因此與輸水隧洞安全監(jiān)控有關的研究相對滯后。

2.1 輸水隧洞施工期安全檢測

隧洞及地下洞室工程，其核心問題在開挖和支護兩個關鍵工序上，即如何開挖，才能更有利于洞室的穩(wěn)定和便于支護；若需支護時，又如何支護才能更有效地保證洞室穩(wěn)定和便于開挖。及時根據(jù)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結果，加強對不良洞段的支護，可以有效避免塌方等工程事故發(fā)生。在地下洞室開挖和支護施工過程的監(jiān)測手段方面，主要是通過檢測圍巖收斂變形、爆破振動效應和圍巖松動圈等來評價圍巖穩(wěn)定性、支護安全性和確定襯砌結構施工時機。

圍巖收斂位移是隧洞開挖后最直接的響應之一，是了解圍巖體變形性質的基礎信息、評價穩(wěn)定性態(tài)的依據(jù)，也是反演力學參數(shù)的基本依據(jù)。根據(jù)隧洞斷面尺寸和圍巖特性，收斂觀測通常采用鋼尺收斂計、高精度全站儀或巴塞特收斂系統(tǒng)等進行觀測。

圍巖松動范圍及其變化是隧洞工程支護和評價圍巖穩(wěn)定的重要參數(shù)之一，松動圈研究已經(jīng)成為隧洞開挖評價和洞室整體穩(wěn)定評價的關鍵所在。在工程現(xiàn)場，一般用地質雷達法、地震波、聲波儀、多點位移計等探測出圍巖中破裂帶的厚度，其目的是根據(jù)檢測成果對施工方案進行指導，修正隧洞錨固、支護和襯砌設計參數(shù)。

爆破振動效應觀測的目的為在隧洞開挖過程中掌握爆破振動效應衰減規(guī)律，控制爆破施工工藝，是保證圍巖穩(wěn)定和施工安全最有效、最直接的監(jiān)測手段之一。爆破控制稍有不慎易造成隧洞圍巖較大擾動，甚至松動，不僅影響施工過程的安全，還將影響到工程建成后長期運行的安全，故隧洞施工過程中的爆破振動觀測尤為必要，可為調整施工方案及采用合理的爆破振動控制措施提供直接可靠的依據(jù)。

2.2 輸水隧洞安全監(jiān)測

揭示輸水隧洞是否運行安全，一般需要通過日常的人工例行檢查和儀器監(jiān)測來完成。日常檢查已被大多數(shù)調水工程管理單位所理解和接受。但一般輸水隧洞均埋于地下或山體中，為隱蔽工程，有些部位無法進行人工檢查，或有相當?shù)碾y度。這就需要在輸水隧洞上布設各類安全監(jiān)測儀器和設備，用以采集隧洞運行的各種性態(tài)信息。通過對這些信息的處理和整編分析，結合人工例行檢查所提供的情況，對輸水隧洞的運行性態(tài)及安全狀況做出較為客觀的評價，這種評價結果可作為隧洞安全運行的依據(jù)，還可作為隧洞補強加固或采取其他工程措施的依據(jù)。輸水隧洞安全監(jiān)測的主要項目有：位移、應力應變、溫度及壓力等。

2.3 輸水隧洞安全監(jiān)測資料整編和初步分析

監(jiān)測資料整編是監(jiān)測資料分析以及預警反饋的基礎。為了提高輸水隧洞安全監(jiān)測工作的質量和水平，必須認真做好監(jiān)測資料的整理分析工作，包括原始觀測資料的檢驗和誤差分析、監(jiān)測物理量的計算、填表與繪圖、異常值的識別與處理及觀測資料初步分析與整編等。

2.4 輸水隧洞安全分析與評價

輸水隧洞安全實時分析與綜合評價是根據(jù)各監(jiān)測量的觀測數(shù)據(jù)和日常巡查結果，依據(jù)各類規(guī)范和專家經(jīng)驗，對觀測資料進行不同層次的分析，將定量分析與定性分析相結合，對隧洞安全狀況做出綜合分析與評價。

近年來，國內外對水庫大壩安全分析與評價方面的研究取得了較大進展。意大利、俄羅斯等國均開發(fā)了大壩安全的專家診斷系統(tǒng)。在國內，許多專家學者已開始進行大壩安全評價專家系統(tǒng)的研究工作，吳中如、顧沖時等提出了基于 Client/Server 網(wǎng)絡體系的“一機四庫”系統(tǒng)結構的大壩安全評價專家系統(tǒng)及基于神經(jīng)網(wǎng)絡的大壩安全評價專家系統(tǒng)，并在青海龍羊峽、福建省水口等水電站大壩中得到了應用。劉成棟、何勇軍等研制開發(fā)了水庫大壩安全實時分析與評價系統(tǒng)，實現(xiàn)了大壩安全管理的信息化和網(wǎng)絡化，并在察爾森水庫（土石壩）和豐樂水庫（混凝土壩）進行應用，取得了較好的效果。沈振中等研制和開發(fā)了大壩安全實時監(jiān)控和預警系統(tǒng)，針對施工期、蓄水初期和運行期進行開發(fā)，采用了改進粒子群算法，將仿生算法應用于大壩安全預警系統(tǒng)，并將塊體系統(tǒng)理論用于擬定大壩安全預警指標。但國內對輸水隧洞安全分析與評價方面的研究較少，對輸水隧洞安全監(jiān)控與預警方面的研究更少。

2.5 輸水隧洞圍巖參數(shù)反演分析

輸水隧洞的安全性和穩(wěn)定性與許多因素有關，如圍巖構造、圍巖物理力學特性、初始地應力、地下水作用等，要做到輸水隧洞工程在施工開挖之前就能準確地確定各項支護參數(shù)，以及最優(yōu)的開挖支護方案是很困難的。

反演分析是以隧洞開挖和支護過程監(jiān)測信息為依據(jù)，獲得圍巖物理力學參數(shù)的有效方法。隨著隧洞工程圍巖穩(wěn)定理論的發(fā)展，以工程現(xiàn)場監(jiān)測信息為依據(jù)來反推巖體力學參數(shù)和初始地應力等反演分析的方法已經(jīng)受到了足夠的重視，反演分析已經(jīng)逐漸成為勘測、設計及施工過程的重要的數(shù)值計算方法。輸水隧洞反演分析的方法一般有結構力學法、數(shù)值分析法和經(jīng)驗類比法等，主要反演計算圍巖的變形模量、泊松比、內聚力、內摩擦角、容重和抗拉強度等。

近年來，許多學者在隧洞圍巖物理力學參數(shù)的反演分析方面作了有益的探索。宋彥剛等以四川紫坪鋪水利工程導流洞施工過程的工程措施為仿真分析對象，跟蹤監(jiān)控量測圍巖變形和支護結構受力，獲取圍巖動態(tài)穩(wěn)定性態(tài)以及支護結構性態(tài)的綜合信息，仿真反演分析圍巖各洞段的力學參數(shù)與初始地應力，為支護結構的優(yōu)化設計等提供依據(jù)。郝哲等基于差分法、正交設計和人工神經(jīng)網(wǎng)絡建立了隧道圍巖物理力學參數(shù)反分析方法，該方法按照正交設計要求選取不同物理力學參數(shù)，用 FLAC 差分程序計算得出相應的神經(jīng)網(wǎng)絡分析樣本，進行網(wǎng)絡訓練和網(wǎng)絡結構及學習參數(shù)優(yōu)化，利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對韓家?guī)X隧道圍巖物理力學參數(shù)進行神經(jīng)網(wǎng)絡反分析。傅志浩等基于三維彈塑性損傷有限元方法，依據(jù)圍巖位移分析數(shù)據(jù)得到的信息，采用變尺度優(yōu)化方法對地下工程進行反演分析，取得了較為實際的圍巖物理力學參數(shù)，并對后續(xù)圍巖變形進行合理地預測。朱珍德等基于長期現(xiàn)場監(jiān)測變形位移數(shù)據(jù)，借助粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡對隧道圍巖位移進行了反演分析，該方法利用粒子群算法來優(yōu)化改進 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型參數(shù)，建立最優(yōu)的待反演參數(shù)和位移之間的非線性映射關系，最后再用粒子群算法搜索滿足實測位移值的最合適參數(shù)。這些反演分析方法大多是基于隧洞圍巖性狀各向同性的假定，且均以隧洞壁處的最終位移量為目標函數(shù)，但未能考慮隧洞圍巖不同方向、不同深度各部位巖土質參數(shù)的差異性，在反演分析中也未考慮地下水壓力對圍巖和支護結構的影響，存在一定的局限性。

2.6 輸水隧洞安全監(jiān)控指標體系和擬定

為了正確評價輸水隧洞的安全狀態(tài)，需對隧洞進行安全評判，其中監(jiān)控指標作為最主要的安全評判準則，是評價和監(jiān)控輸水隧洞安全的關鍵指標，是建立隧洞預測預警系統(tǒng)的基礎。

在大壩安全監(jiān)控指標方面許多學者作了有益的探索。吳中如等提出了大壩安全監(jiān)控指標的置信區(qū)間估計法、典型監(jiān)測效應量的小概率法和極限狀態(tài)法。前兩種方法均存在如下缺陷，若大壩沒有遭遇過最不利荷載組合作用或者資料系列很短，所擬定的指標只能用來預測大壩遭遇荷載范圍內的效應量，未必是真正意義上的安全警戒值；其次，選擇建模的資料系列不同，分析計算的標準差以及置信區(qū)間的大小也不同，如果計算的標準差較大，可能會出現(xiàn)“漏報”情況；此外，這兩種方法沒有聯(lián)系大壩失事的原因和機理，也沒有聯(lián)系大壩的重要性（等級和級別）等。極限狀態(tài)法需要比較完整的大壩和壩基物理力學參數(shù)以及觀測資料。谷艷昌等把蒙特卡羅方法引入大壩安全監(jiān)控指標擬定中，結合大壩原型觀測資料，并考慮了基本變量的隨機性，所擬定的變形監(jiān)控指標，不僅具有概率意義，同時也對壩體的結構和材料特性進行了模擬，因此較傳統(tǒng)方法更加合理科學；該方法本質上是一種結構分析和統(tǒng)計學相結合的方法，需要大量的觀測資料作支撐，且基本變量的假定分布具有人為因素。鄭桂水應用非線性有限元計算擬定了引灤隧洞的變形監(jiān)控指標，這是一種結構力學方法，需要較為準確的隧洞襯砌和圍巖的物理力學參數(shù)，其擬定的監(jiān)控指標才是準確的。

目前，在隧洞安全監(jiān)控指標的擬定方法研究方面較少，現(xiàn)有的研究也基本是仿照大壩安全的監(jiān)控指標擬定方法，大多采用的是統(tǒng)計學方法。由于一般輸水隧洞監(jiān)測資料系列較短，擬定的監(jiān)控指標適用性不強，有些還不甚合理。極限狀態(tài)法和結構分析法能夠考慮輸水隧洞的結構形態(tài)并結合隧洞的安全狀態(tài)，極限狀態(tài)法還考慮建筑物的隨機性，是擬定監(jiān)控指標的主要方法，可以為輸水隧洞結構不斷變化的施工期建立安全監(jiān)控指標。但是由于輸水隧洞的安全狀態(tài)與隧洞的破壞模式緊密相聯(lián)，故在擬定輸水隧洞的安全監(jiān)控指標時，應結合輸水隧洞的破壞模式進行分析，研究更加合理的臨界狀態(tài)判據(jù)與準則，使輸水隧洞的安全監(jiān)控指標真正成為隧洞安全與否的判斷標準。

2.7 輸水隧洞安全預警

建立輸水隧洞安全預警系統(tǒng)的目的是要能靈敏、準確地告示危險前兆，并能及時提供警示，其作用在于超前反饋、及時處置、防患于未然，最大限度地降低事故的發(fā)生，避免造成生命和財產(chǎn)損失。

安全預警系統(tǒng)主要包括預警信息系統(tǒng)、預警評價指標體系和預警評價系統(tǒng)，其核心是預警評價指標體系。典型的安全預警基本流程，見圖 1。輸水安全預警系統(tǒng)的主要內容應包括：①安全實時分析與評價系統(tǒng)：根據(jù)安全監(jiān)測信息，對輸水隧洞現(xiàn)狀安全運行性態(tài)和未來趨勢進行分析和評估；②警情分析系統(tǒng)：根據(jù)預警指標、警源類型和警情分析模型，對水庫的安全運行狀況進行分析，確定報警類型和報警級別；③警情發(fā)布：根據(jù)警情分析成果，對外發(fā)布警情信息；④決策支持：提供運行和應急處置的輔助決策。

圖1 安全預警基本流程

由于輸水隧洞安全預警研究的起步較晚，在我國長距離輸水隧洞工程中成功應用安全監(jiān)控與預警系統(tǒng)的實例尚未見報道。

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