程德虎 ，孫一清 ，杜智浩

（1. 南水北調(diào)中線干線建設(shè)管理局，北京 100038；2. 河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

水工程安全直接關(guān)系公共、生態(tài)安全及社會穩(wěn)定。渠道作為大型調(diào)水工程的重要組成部分，安全狀態(tài)決定整個調(diào)水工程能否正常運行。南水北調(diào)中線工程渠首段渠道包括深挖方和高填方堤段，安全狀況一直是運行管理單位關(guān)注的重點，為此安裝了大量的監(jiān)測儀器，但由于缺乏相應(yīng)的監(jiān)控指標，使得測值的在線分析判斷變得十分困難。在安全監(jiān)控指標研究方面，國內(nèi)河海大學蘇懷智[1-3]、顧沖時[4-6]，南京水利科學研究院谷艷昌[7]及武漢大學何金平[8-9]都對大壩安全監(jiān)控進行過深入研究，并針對大壩擬定過監(jiān)控指標。

近年來，朱凱等[10]在分析原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過正逆向云發(fā)生器產(chǎn)生監(jiān)測數(shù)據(jù)的期望、熵、超熵等數(shù)字特征，利用這些數(shù)字特征計算定量的轉(zhuǎn)換值，從而實現(xiàn)定量—定性—定量的轉(zhuǎn)換，并借助云模型確定安全監(jiān)控指標；孫鵬明[11]采用投影尋蹤方法對大壩不同高程處的位移序列進行降維處理，生成位移投影值及權(quán)重，計算出加權(quán)位移值，并運用正逆向云模型擬定大壩位移安全監(jiān)控綜合指標；聶兵兵[12]為研究極值理論在大壩變形監(jiān)控指標擬定上的計算方法，結(jié)合大壩失事概率擬定監(jiān)控指標；張鯤鵬[13]先用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）濾波方法去噪，然后采用云模型進行安全監(jiān)控指標擬定；謝珊珊[14]借助極值理論，提出基于博弈論的 POT變形預(yù)警模型；肖磊[15]引入改進的快速 Myriad 濾波法對大壩變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，再采用最大熵法和云模型法擬定大壩運行期變形監(jiān)控指標。但對于渠堤的安全監(jiān)控指標擬定，相比較大壩，相關(guān)文獻明顯偏少，因此有必要對渠堤安全變形監(jiān)控指標進行研究。

1 典型斷面測點的布置

35 + 400 標段高填方渠道右岸邊坡，在渠坡頂位置鉆孔安裝測斜管，底部埋深高程為 127.8 m；在外邊坡馬道位置鉆孔埋設(shè)測斜管，底部高程為 128.1 m；在渠道內(nèi)邊坡中部、內(nèi)坡腳，以及渠道底板和渠基深部位置埋設(shè)測壓管和滲壓計。高填方渠道右岸邊坡具體布置如圖 1 所示。10 + 300 標段深挖方渠道右岸邊坡，在渠坡頂位置鉆孔安裝測斜管，底部埋深高程為 146.8 m；在一級馬道位置鉆孔埋設(shè)測斜管，底部高程為 136.0 m；在渠道坡腳處、一級馬道下部邊坡中部，以及渠基和測斜管底部位置埋設(shè)測壓管和滲壓計。深挖方渠道右岸邊坡具體布置如圖2 所示。

圖 1 35 + 400 標段高填方渠道右岸邊坡測點布置圖

這種通過總結(jié)經(jīng)驗的測點布置方法不確定性較大，雖然在工程安全監(jiān)測中發(fā)揮了一定的作用，但是在不同工程中仍存在差異。此方法缺少定量的理論分析，具有很強的經(jīng)驗性，不能完全照搬，因此，采用理論分析方法對測點進行優(yōu)化布置是很有必要的。

2 變形影響因素的分析

南水北調(diào)中線工程渠首段渠道土壤以膨脹土為主，膨脹土是一種遇水膨脹，失水收縮，脹縮效應(yīng)十分顯著的特殊黏性土，具有一般黏性土所沒有的特性，通常把這些特性總結(jié)為脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性。由于膨脹或收縮會導(dǎo)致土體產(chǎn)生裂隙，故脹縮性是引起裂隙性的內(nèi)因。裂隙性是影響土體強度、穩(wěn)定性的一大重要因素，裂隙在破壞膨脹土整體性的同時，為雨水的滲入提供了路徑，使水分進入并使裂隙附近土體軟化，呈放射性擴展，使得負孔隙壓力大幅降低，大大地降低土的抗剪強度，使土體易產(chǎn)生相對滑動。超固結(jié)性是由土層的沉積受荷歷史、年代和土體干燥及陳化等因素引起的，它會促進裂隙的發(fā)展和土體軟化特性的加劇，因此是一個促進膨脹土特殊性質(zhì)的因素。由此可見，裂隙性是影響膨脹土力學性質(zhì)和邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，脹縮性是內(nèi)在因素，超固結(jié)性是促進因素，三者互有聯(lián)系但不是并立的。

膨脹土坡失穩(wěn)的情況在工程中屢次發(fā)生，導(dǎo)致這種滑坡的原因主要有：1）古滑坡或現(xiàn)存的薄弱結(jié)構(gòu)面因工程施工造成應(yīng)力狀態(tài)改變而重新復(fù)活；2）膨脹的特殊性質(zhì)。

膨脹土滑坡一般具有以下幾個顯著的特征：1）滑動往往在持續(xù)降雨的情況下發(fā)生；2）多數(shù)屬淺層滑動；3）有不少滑坡是漸進式的或牽引式的；4）在相當平緩的邊坡上也會發(fā)生。膨脹土滑坡的這些特征，除了當?shù)氐臍庀蠛偷匦蔚纫蛩赝?，主要是由膨脹土本身的特性決定的。

可見，膨脹土變形不僅與渠內(nèi)水位有關(guān)，還與土壤含水率有關(guān)，所以在設(shè)置測點時除了要對土體變形、壓力和孔隙水壓力進行測量外，還應(yīng)對土壤濕度進行測量，由于渠內(nèi)沒有相應(yīng)的濕度監(jiān)測儀器，因此采用前期雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)反映濕度的變化。

3 渠坡位移統(tǒng)計模型的建立

南水北調(diào)中線工程渠道首段中淅川縣段存在眾多高填方和深挖方渠段，易發(fā)生滑坡和崩塌破壞，因此在渠道左右岸布置了大量監(jiān)測儀器，包括土體位移計、含水量儀、滲壓計等。

為較好地評價特殊渠段邊坡的運行安全狀態(tài)，研究其變形發(fā)展規(guī)律，選取樁號 10 + 300 深挖方渠道右岸渠坡中的 IN01HPT 號典型測點，孔深 4 m處的邊坡內(nèi)部水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)（2014 年 11 月—2018 年 1 月）進行分析。系統(tǒng)軟件選擇邊坡內(nèi)部位移分析模塊，通過建立合理的統(tǒng)計模型并嵌入系統(tǒng)模型庫，對邊坡內(nèi)部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計回歸分析。

3.1 影響因子選擇

通過對高填方和深挖方等特殊渠段邊坡破壞形式和機理的分析，以及對水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析可知，影響渠道邊坡變形的主要因素為水壓、時間和降雨量[16-17]，得到邊坡位移的統(tǒng)計模型為

式中：δ 為邊坡水平位移量；δH為水壓分量；δθ為時效分量；δp為降雨分量；C 為統(tǒng)計常數(shù)，由統(tǒng)計回歸分析得到。

各影響因素分析如下：

1）水壓分量。渠水壓力是渠坡的主要荷載，渠道過水后，坡體內(nèi)任一點的水壓位移一般與渠道水深及其二、三次方成比例，由水壓引起的位移分量表達式為

式中：Hi為當天渠道水深；ci為水壓引起的位移分量回歸系數(shù)。

2）時效分量。渠坡內(nèi)部位移時效分量的產(chǎn)生原因很復(fù)雜[18]，邊坡巖土的徐變、接縫或裂縫的變化、巖體裂隙的壓縮等因素都會導(dǎo)致邊坡土體的非彈性變形，這種變形隨時間變化且過程不可逆，同時時效因素還會影響氣溫、降雨、地下水等的變化。這里所描述的時效分量是指在氣溫和降雨等無顯著影響時段，地質(zhì)條件不變的情況下邊坡內(nèi)部的位移分量。時效位移通常在初期變化明顯，其后趨于平穩(wěn)，根據(jù)南水北調(diào)中線調(diào)水工程的實際情況，由時效引起的位移分量可表示為

式中：θ 為觀測日至始測日的累計天數(shù)除以 100；c4，c5分別為時效因子回歸系數(shù)。

3）降雨分量。邊坡內(nèi)部位移相對降雨存在一定的滯后時間[19-21]，依據(jù)經(jīng)驗，降雨分量一般選取測點水平位移測值前半個月內(nèi) 5 個時段，即以前 1，3，5，10，15 d 的降雨量平均值作為影響因子[22]，由降雨引起的位移分量選用下列形式：

式中：Pm為前 m 天的平均降雨量，m 分別取 1，3，5，10，15；ci為降雨引起的位移分量回歸系數(shù)，由回歸分析得到，i = 6，7，8，9，10。

3.2 統(tǒng)計模型建立

根據(jù)南水北調(diào)中線調(diào)水工程特殊渠段的特點，得到特殊渠段邊坡內(nèi)部位移的統(tǒng)計模型為

式中：c0為常數(shù)項。

3.3 系數(shù)確定

根據(jù)公式（5），建立嵌入系統(tǒng)的測點水平位移回歸模型，采用逐步回歸分析法計算得到 10 + 300標段 IN01HPT 號測點的邊坡變形的回歸方程、復(fù)相關(guān)系數(shù)、剩余標準差。統(tǒng)計的水平位移測點的回歸系數(shù) c0～ c10分別為 6.540，0.016，0.003，0，0.089，0.033，-0.027，0，-0.034，0，0.006，復(fù)相關(guān)系數(shù) R 為 0.903，剩余標準差為 0.294。10 + 300標段 IN01HPT 號測點 4 m 孔深處的實測值、擬合值和殘差過程線如圖 3 所示。

圖 3 10 + 300 標段 IN01HPT 測點 4 m 孔深處的實測值、擬合值和殘差過程線

由圖 3 可知，渠坡內(nèi)部位移的回歸擬合值與實測值符合情況良好，復(fù)相關(guān)系數(shù)較大，剩余標準差較小，說明該統(tǒng)計回歸分析模型能夠比較準確地反映渠坡內(nèi)部水平位移的變化規(guī)律和趨勢，同時也驗證了水壓、時效和降雨因子對渠坡內(nèi)部位移具有重要的影響。

3.4 典型測點安全監(jiān)控指標擬定

為實現(xiàn)基于實測數(shù)據(jù)的自動預(yù)警，監(jiān)控指標的擬定是必要的，以典型渠段 IN01HPT 號測點為例，對水平位移監(jiān)控指標進行擬定。將擬定的監(jiān)控指標存入軟件數(shù)據(jù)庫，通過在線調(diào)用實現(xiàn)線上監(jiān)控預(yù)警。

監(jiān)控指標擬定方法主要有結(jié)構(gòu)分析法、數(shù)理統(tǒng)計法、極限狀態(tài)法等，其中結(jié)構(gòu)分析法基于數(shù)值計算，根據(jù)材料線彈性和彈塑性等不同階段，利用非線性有限元、數(shù)值流形、無單元法及不連續(xù)變形分析等數(shù)值計算方法，可擬定南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)控分級指標，相對統(tǒng)計方法而言，計算工作量比較大。數(shù)理統(tǒng)計方法主要有基于置信區(qū)間法和典型監(jiān)測效應(yīng)量小概率法 2 種方法，基于實測資料的置信區(qū)間法在邊坡沒有遭遇過最不利工況，或資料系列較短時，建立的統(tǒng)計模型只能用來預(yù)測大壩遭遇荷載范圍內(nèi)的效應(yīng)量，不一定能反映最不利荷載組合時的警戒值。相比之下典型小概率法的適用性更強。因此，結(jié)合南水北調(diào)中線工程實際情況，選用典型監(jiān)測效應(yīng)量小概率法擬定渠道邊坡內(nèi)部的水平位移等監(jiān)控指標。

通過對 2014 年 11 月— 2018 年 1 月的 IN01HPT號測點不同高程監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以得出該測點在孔深為 4 m 左右時的實測累計位移量最大且長期為正向位移（向渠道反方向為正），因此選取4 m 孔深處的最大位移數(shù)據(jù)作為最不利荷載下典型監(jiān)測效應(yīng)量的樣本，可保證周期內(nèi)其他監(jiān)測效應(yīng)量的安全性。本次計算以半年為 1 個周期，在每個周期內(nèi)選取最不利荷載下的實測位移最大值，具體如表 1 所示。

表 1 典型測點處邊坡內(nèi)部水平位移極值統(tǒng)計表

由表 1 計算樣本的水平位移 δ 的均值和標準差，可得均值= 11.89 mm，標準差 σ =1.38 mm。利用 K-S 檢驗法對各特征時段的最大值進行分布檢驗，經(jīng)檢驗得出 IN01HPT 號測點 4 m 孔深處水平位移的周期最大值服從正態(tài)分布。

由統(tǒng)計理論可知，當失事概率 a 足夠小時，可以認為這是一個幾乎不會發(fā)生的小概率事件，若發(fā)生則為異常情況[19]。基于此，綜合考慮南水北調(diào)中線調(diào)水工程的情況和重要性，取 a = 1% 的概率水平，求得渠坡內(nèi)水平位移的監(jiān)控指標。因此，當邊坡內(nèi)水平位移 δ 大于極值 δm時，概率 P 為

把相關(guān)值代入公式（6），得到

經(jīng)計算得到，監(jiān)控指標 δm= 13.52 mm，即對于南水北調(diào)中線調(diào)水工程 10 + 300 標段 IN01HPT 號測點 4 m 孔深處的水平位移安全監(jiān)控指標擬定為13.52 mm，實測值不應(yīng)大于 13.52 mm。

4 結(jié)語

渠堤變形安全監(jiān)控的擬定可以獲取更加可靠的檢測資料和保證渠堤安全的基礎(chǔ)。依據(jù)大壩變形安全監(jiān)控指標的擬定方法，在考慮各類對渠堤變形影響因素的基礎(chǔ)上，對渠堤擬定監(jiān)控指標進行了研究。通過對典型測點水平位移的指標擬定，證明了渠堤擬定監(jiān)控指標的可行性，不僅可為渠堤監(jiān)控指標的擬定提供可資借鑒的方法，而且還為將來制定渠堤安全監(jiān)控指標的相關(guān)規(guī)范提供參考依據(jù)。監(jiān)控指標擬定是一個較為復(fù)雜的綜合性問題，所提出的監(jiān)控指標擬定方法還有待進一步完善，結(jié)合實際工程時需要進行進一步優(yōu)化。