输水隧洞安全监控与预警技术研究进展

2014-03-23何勇军范光亚徐海峰

东北水利水电 2014年10期

关键词：隧洞大坝反演

何勇军，范光亚，徐海峰，李铮

（1.南京水利科学研究院，江苏南京 210001；2.水利部大坝安全管理中心，江苏南京 210029）

输水隧洞安全监控与预警技术研究进展

何勇军1，2，范光亚1，2，徐海峰1，2，李铮1，2

（1.南京水利科学研究院，江苏南京 210001；2.水利部大坝安全管理中心，江苏南京 210029）

输水隧洞是长距离调水的主要工程之一，安全监控与预警是输水隧洞施工期和运行期安全管理的重要组成部分。文章介绍了近年来输水隧洞安全监控与预警技术研究的应用情况，分析了此方面尚存的问题，得出需要大量的监测数据资料、不断完善预报预警模型的识别能力，可以提高安全预警和决策能力。

输水隧洞；安全监测；反演分析；监控指标；安全预警

1 概况

我国缺水的干旱半干旱面积占 52%，缺水带来的工农业年损失巨大，以千亿计算。目前，我国城市供水以地表水或地下水为主，有些城市因地下水过度开采，造成地下水位下降，甚至形成了几百平方公里的大漏斗。受经济社会用水快速增长和土地开发利用等因素的影响，导致淡水生态系统功能整体呈现“局部改善、整体退化”的态势。跨流域调水工程是一项耗资昂贵的增加供水工程，是从丰水流域向缺水流域调节。大运河就是跨流域调水工程的典型。引黄济青、引滦入津、引滦入唐、大伙房输水工程、云南牛栏江~滇池补水、南水北调等工程都是从丰水流域向缺水流域供水的大工程。

2 输水隧洞安全监控与预警

输水隧洞，尤其是数十公里的超长输水隧洞工程，其工程安全直接关系到调水工程的安全性和可靠性。输水隧洞不仅在结构上有别于公路、铁路等交通隧洞，其运行工况也不相同，输水隧洞所处的特殊地质环境因素对输水隧洞的安全性有重要的影响。同时受到岩土力学理论、数值模拟及勘测技术的限制，目前有些方面几乎不可能在设计阶段就准确预测和评估，如隧洞周围岩体的初始地应力和全部物理力学性状，及其在施工运行过程中的动态响应。输水隧洞的工程安全不仅取决于设计、施工方法的合理，更取决于贯穿工程始终的安全监控工作。输水隧洞安全监控的目的，一是及时发现工程的异常现象或隐患，为加固处理提供科学依据；二是掌握隧洞运行变化规律，指导运行管理；三是验证设计，检验施工，发展理论。输水隧洞安全监控是一个贯穿隧洞施工和运行全过程的工作，不仅要在工程施工过程中通过安全监控以指导工程施工，保证工程建设安全，在工程建成后，为了保障输水工程安全运行，也要对工程的运行安全进行监控。

输水隧洞安全监控与预警主要包括安全检测和监测、监测资料整编、安全分析与评价、隧洞围岩参数反演、安全监控指标体系和拟定、输水隧洞安全管理与预警等。

我国专门针输水离隧洞安全监控的研究起步相对较晚，在实际工程中大多借鉴坝工建设等岩土工程安全监测的相关经验，因此与输水隧洞安全监控有关的研究相对滞后。

2.1 输水隧洞施工期安全检测

隧洞及地下洞室工程，其核心问题在开挖和支护两个关键工序上，即如何开挖，才能更有利于洞室的稳定和便于支护；若需支护时，又如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。及时根据施工监测数据的分析结果，加强对不良洞段的支护，可以有效避免塌方等工程事故发生。在地下洞室开挖和支护施工过程的监测手段方面，主要是通过检测围岩收敛变形、爆破振动效应和围岩松动圈等来评价围岩稳定性、支护安全性和确定衬砌结构施工时机。

围岩收敛位移是隧洞开挖后最直接的响应之一，是了解围岩体变形性质的基础信息、评价稳定性态的依据，也是反演力学参数的基本依据。根据隧洞断面尺寸和围岩特性，收敛观测通常采用钢尺收敛计、高精度全站仪或巴塞特收敛系统等进行观测。

围岩松动范围及其变化是隧洞工程支护和评价围岩稳定的重要参数之一，松动圈研究已经成为隧洞开挖评价和洞室整体稳定评价的关键所在。在工程现场，一般用地质雷达法、地震波、声波仪、多点位移计等探测出围岩中破裂带的厚度，其目的是根据检测成果对施工方案进行指导，修正隧洞锚固、支护和衬砌设计参数。

爆破振动效应观测的目的为在隧洞开挖过程中掌握爆破振动效应衰减规律，控制爆破施工工艺，是保证围岩稳定和施工安全最有效、最直接的监测手段之一。爆破控制稍有不慎易造成隧洞围岩较大扰动，甚至松动，不仅影响施工过程的安全，还将影响到工程建成后长期运行的安全，故隧洞施工过程中的爆破振动观测尤为必要，可为调整施工方案及采用合理的爆破振动控制措施提供直接可靠的依据。

2.2 输水隧洞安全监测

揭示输水隧洞是否运行安全，一般需要通过日常的人工例行检查和仪器监测来完成。日常检查已被大多数调水工程管理单位所理解和接受。但一般输水隧洞均埋于地下或山体中，为隐蔽工程，有些部位无法进行人工检查，或有相当的难度。这就需要在输水隧洞上布设各类安全监测仪器和设备，用以采集隧洞运行的各种性态信息。通过对这些信息的处理和整编分析，结合人工例行检查所提供的情况，对输水隧洞的运行性态及安全状况做出较为客观的评价，这种评价结果可作为隧洞安全运行的依据，还可作为隧洞补强加固或采取其他工程措施的依据。输水隧洞安全监测的主要项目有：位移、应力应变、温度及压力等。

2.3 输水隧洞安全监测资料整编和初步分析

监测资料整编是监测资料分析以及预警反馈的基础。为了提高输水隧洞安全监测工作的质量和水平，必须认真做好监测资料的整理分析工作，包括原始观测资料的检验和误差分析、监测物理量的计算、填表与绘图、异常值的识别与处理及观测资料初步分析与整编等。

2.4 输水隧洞安全分析与评价

输水隧洞安全实时分析与综合评价是根据各监测量的观测数据和日常巡查结果，依据各类规范和专家经验，对观测资料进行不同层次的分析，将定量分析与定性分析相结合，对隧洞安全状况做出综合分析与评价。

近年来，国内外对水库大坝安全分析与评价方面的研究取得了较大进展。意大利、俄罗斯等国均开发了大坝安全的专家诊断系统。在国内，许多专家学者已开始进行大坝安全评价专家系统的研究工作，吴中如、顾冲时等提出了基于 Client/Server 网络体系的“一机四库”系统结构的大坝安全评价专家系统及基于神经网络的大坝安全评价专家系统，并在青海龙羊峡、福建省水口等水电站大坝中得到了应用。刘成栋、何勇军等研制开发了水库大坝安全实时分析与评价系统，实现了大坝安全管理的信息化和网络化，并在察尔森水库（土石坝）和丰乐水库（混凝土坝）进行应用，取得了较好的效果。沈振中等研制和开发了大坝安全实时监控和预警系统，针对施工期、蓄水初期和运行期进行开发，采用了改进粒子群算法，将仿生算法应用于大坝安全预警系统，并将块体系统理论用于拟定大坝安全预警指标。但国内对输水隧洞安全分析与评价方面的研究较少，对输水隧洞安全监控与预警方面的研究更少。

2.5 输水隧洞围岩参数反演分析

输水隧洞的安全性和稳定性与许多因素有关，如围岩构造、围岩物理力学特性、初始地应力、地下水作用等，要做到输水隧洞工程在施工开挖之前就能准确地确定各项支护参数，以及最优的开挖支护方案是很困难的。

反演分析是以隧洞开挖和支护过程监测信息为依据，获得围岩物理力学参数的有效方法。随着隧洞工程围岩稳定理论的发展，以工程现场监测信息为依据来反推岩体力学参数和初始地应力等反演分析的方法已经受到了足够的重视，反演分析已经逐渐成为勘测、设计及施工过程的重要的数值计算方法。输水隧洞反演分析的方法一般有结构力学法、数值分析法和经验类比法等，主要反演计算围岩的变形模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、容重和抗拉强度等。

近年来，许多学者在隧洞围岩物理力学参数的反演分析方面作了有益的探索。宋彦刚等以四川紫坪铺水利工程导流洞施工过程的工程措施为仿真分析对象，跟踪监控量测围岩变形和支护结构受力，获取围岩动态稳定性态以及支护结构性态的综合信息，仿真反演分析围岩各洞段的力学参数与初始地应力，为支护结构的优化设计等提供依据。郝哲等基于差分法、正交设计和人工神经网络建立了隧道围岩物理力学参数反分析方法，该方法按照正交设计要求选取不同物理力学参数，用 FLAC 差分程序计算得出相应的神经网络分析样本，进行网络训练和网络结构及学习参数优化，利用现场监测数据，对韩家岭隧道围岩物理力学参数进行神经网络反分析。傅志浩等基于三维弹塑性损伤有限元方法，依据围岩位移分析数据得到的信息，采用变尺度优化方法对地下工程进行反演分析，取得了较为实际的围岩物理力学参数，并对后续围岩变形进行合理地预测。朱珍德等基于长期现场监测变形位移数据，借助粒子群优化BP神经网络对隧道围岩位移进行了反演分析，该方法利用粒子群算法来优化改进 BP神经网络模型参数，建立最优的待反演参数和位移之间的非线性映射关系，最后再用粒子群算法搜索满足实测位移值的最合适参数。这些反演分析方法大多是基于隧洞围岩性状各向同性的假定，且均以隧洞壁处的最终位移量为目标函数，但未能考虑隧洞围岩不同方向、不同深度各部位岩土质参数的差异性，在反演分析中也未考虑地下水压力对围岩和支护结构的影响，存在一定的局限性。

2.6 输水隧洞安全监控指标体系和拟定

为了正确评价输水隧洞的安全状态，需对隧洞进行安全评判，其中监控指标作为最主要的安全评判准则，是评价和监控输水隧洞安全的关键指标，是建立隧洞预测预警系统的基础。

在大坝安全监控指标方面许多学者作了有益的探索。吴中如等提出了大坝安全监控指标的置信区间估计法、典型监测效应量的小概率法和极限状态法。前两种方法均存在如下缺陷，若大坝没有遭遇过最不利荷载组合作用或者资料系列很短，所拟定的指标只能用来预测大坝遭遇荷载范围内的效应量，未必是真正意义上的安全警戒值；其次，选择建模的资料系列不同，分析计算的标准差以及置信区间的大小也不同，如果计算的标准差较大，可能会出现“漏报”情况；此外，这两种方法没有联系大坝失事的原因和机理，也没有联系大坝的重要性（等级和级别）等。极限状态法需要比较完整的大坝和坝基物理力学参数以及观测资料。谷艳昌等把蒙特卡罗方法引入大坝安全监控指标拟定中，结合大坝原型观测资料，并考虑了基本变量的随机性，所拟定的变形监控指标，不仅具有概率意义，同时也对坝体的结构和材料特性进行了模拟，因此较传统方法更加合理科学；该方法本质上是一种结构分析和统计学相结合的方法，需要大量的观测资料作支撑，且基本变量的假定分布具有人为因素。郑桂水应用非线性有限元计算拟定了引滦隧洞的变形监控指标，这是一种结构力学方法，需要较为准确的隧洞衬砌和围岩的物理力学参数，其拟定的监控指标才是准确的。

目前，在隧洞安全监控指标的拟定方法研究方面较少，现有的研究也基本是仿照大坝安全的监控指标拟定方法，大多采用的是统计学方法。由于一般输水隧洞监测资料系列较短，拟定的监控指标适用性不强，有些还不甚合理。极限状态法和结构分析法能够考虑输水隧洞的结构形态并结合隧洞的安全状态，极限状态法还考虑建筑物的随机性，是拟定监控指标的主要方法，可以为输水隧洞结构不断变化的施工期建立安全监控指标。但是由于输水隧洞的安全状态与隧洞的破坏模式紧密相联，故在拟定输水隧洞的安全监控指标时，应结合输水隧洞的破坏模式进行分析，研究更加合理的临界状态判据与准则，使输水隧洞的安全监控指标真正成为隧洞安全与否的判断标准。

2.7 输水隧洞安全预警

建立输水隧洞安全预警系统的目的是要能灵敏、准确地告示危险前兆，并能及时提供警示，其作用在于超前反馈、及时处置、防患于未然，最大限度地降低事故的发生，避免造成生命和财产损失。

安全预警系统主要包括预警信息系统、预警评价指标体系和预警评价系统，其核心是预警评价指标体系。典型的安全预警基本流程，见图 1。输水安全预警系统的主要内容应包括：①安全实时分析与评价系统：根据安全监测信息，对输水隧洞现状安全运行性态和未来趋势进行分析和评估；②警情分析系统：根据预警指标、警源类型和警情分析模型，对水库的安全运行状况进行分析，确定报警类型和报警级别；③警情发布：根据警情分析成果，对外发布警情信息；④决策支持：提供运行和应急处置的辅助决策。