调水工程运行安全监控指标探讨

摘要:调水工程是关系国计民生的重大基础设施，也是水资源优化配置的生态环境工程。基于土体结构、岩体结构和混凝土结构的破坏机理，结合统计学的“3σ准则”，对调水工程安全监测效应量监控指标等级划分方法进行研究。将工程安全状态从正常向异常变异的临界点对应的效应量值定义为监控指标的“一般警戒值”，将工程安全状态从异常向险情变异的临界点对应的效应量值定义为监控指标的“严重警戒值”，为评判工程运行安全性提供了科学依据。

关键词:调水工程;安全监控;监控指标;等级划分;工作状态

我国水资源呈现时空分布明显不均的特点，导致部分地区存在水资源严重短缺的问题，调水工程是解决水资源短缺、优化水资源配置的有效途径。截至2020年底，世界上已建成大型调水工程350余项，其中我国的南水北调工程、美国的北水南调工程和俄罗斯的东水西调工程并称为世界上的三大著名调水工程［1］。调水工程通常为跨流域工程，一般规模宏大，地形、地质和运行条件复杂，渠道工程渠线长，建筑物种类样式多。调水工程安全不仅涉及到工程本身的运行安全，而且涉及到沿线地区的公共安全。为确保工程运行安全，预防灾害发生，需要对工程开展安全监测，评判工程安全状态，拟定安全监控指标，实施工程安全监控和预警。监测效应量的监控指标，是对工程的荷载或效应量所规定的安全界限值［2］，是评判工程安全运行状态的一种科学依据，也是工程从一种工作状态向另一种工作状态转变的判断指标。从一种工作状态向另一种工作状态转变的临界点属于安全监控的关键性节点，也是对监控指标进行分级的工作状态节点。目前安全监控指标的研究主要集中在大坝安全领域［3－4］，调水工程安全监控指标的研究成果还不多，且大多以南水北调中线工程为主要研究对象［5－7］。其中，监控指标等级划分尚无明确的规定，也没有形成公认的划分方法。为此，本文针对调水工程安全监控问题，从工程破坏机理和统计学理论两个方面，对监测效应量安全监控指标的等级划分方法进行研究。

1基于工程破坏机理

调水工程既包括渠道工程，又包括各类建筑物;既包括各类土体结构和岩体结构，又包括混凝土结构。

1．1土体破坏机理

调水工程中普遍存在土体结构，比如采用散粒体填筑而成的填方渠段的渠堤结构，在山体中开挖形成的挖方渠段的表层土体等［8］。失稳是土体结构主要的破坏模式，其中滑坡最为常见。土坡的滑动面通常被假设为一个圆弧面。在外荷载等因素的作用下，如果滑动面上的抗滑力大于滑动力，则滑动面稳定;如果滑动面上的抗滑力小于滑动力，则滑动面失稳。土坡失稳过程表现为:首先在滑动面的局部(如滑动面的坡脚、以及滑动面上的薄弱部位)产生塑性变形，形成拉伸破坏区;该破坏区沿滑动面逐渐扩大，最终贯通整个滑动面，导致滑坡失稳［9］。从塑性区的产生，到塑性区逐渐贯通并导致沿贯通面滑动失稳，是一个渐进的破坏过程。因此，可以将塑性区形成时所对应的监测效应量值视为监控指标等级划分中的一种等级临界点，将塑性区贯通时所对应的监测效应量值视为监控指标等级划分中的另一种等级临界点。

1．2岩体破坏机理

调水工程中存在大量的输水隧洞、倒虹吸等建筑物，这些建筑物大多穿过山体中的岩体，或穿过河底的岩体，围岩破坏是主要的破坏模式。以输水隧洞的围岩为例，围岩破坏失稳是一个渐变的过程［10］，图1为围岩从开始变形、逐渐破坏到最终失稳的变形全过程。图1岩体变形典型曲线图1中，OA段为围岩处于弹性的阶段，围岩的工作状态是正常的;AB段为围岩处于稳定塑性变形的阶段，围岩所出现的塑性变形是可容许的塑性变形，因而围岩的工作状态也是正常的;BE为加速塑性变形的阶段，当越过B点时，围岩进入有害塑性工作阶段，围岩工作状态进入异常状态;当越过C点时，围岩进入变形急剧加速状态，围岩工作状态进入险情状态，直至围岩最终破坏失稳(BE段)。图1中，B点是可容许塑性变形与有害塑性变形的临界点，“OB段”对应的变形监测效应量数值区域属于正常区域，因此，可将B点对应的安全状态视为从正常状态向异常状态转变的临界点，将B点对应的变形监测效应量值视为监控指标等级划分中的一种等级临界点。变形越过B点后，BC段为围岩处于有害塑性变形的初期，但尚不至产生破坏失稳，此阶段围岩的安全状态虽出现异常，但并未恶化;当越过C点时，围岩进入塑性变形急剧加速的工作阶段，C点为急剧加速的临界点，一旦越过C点，围岩即进入向失稳破坏加速发展的状态。因此，可将“BC段”对应的变形监测效应量数值区域视为异常区域，将“CE段”对应的变形监测效应量数值区域视为险情区域，将C点对应的安全状态视为从异常状态向险情状态转变的临界点，将C点对应的变形监测效应量值视为监控指标等级划分中的另一种等级临界点。

1．3钢筋混凝土结构破坏机理

非预应力混凝土结构按“概率极限状态设计法”进行设计。以钢筋混凝土受弯构件为例，受弯构件的受力状态可以划分为3个阶段，如图2所示。图中，Mcr为混凝土出现裂缝时的开裂弯矩;My为钢筋达到屈服强度fy时的屈服弯矩，对应的梁中点的挠度为δy;Mu为钢筋达到极限强度fu时的极限弯矩，对应的梁中点的挠度为δu。1)未裂阶段(第Ⅰ阶段)。钢筋及混凝土均在弹性范围内工作，截面上未出现裂缝，其受力特点基本上与均质弹性体受弯构件相同。若荷载增加到使受拉区边缘应变达到混凝土极限拉应变，则截面处于即将开裂的状态，即达到第Ⅰ阶段的末端;此时对应的截面应力状态为受弯构件进行抗裂验算的依据。2)裂缝工作阶段(第Ⅱ阶段)。当受弯构件上的弯矩增加到使某一薄弱截面的下部产生第一条裂缝时，构件的受力状态进入裂缝工作阶段。裂缝出现后，受拉区混凝土拉力主要由钢筋承担，因此裂缝处钢筋应变和应力明显增大。当钢筋拉应力达到屈服强度时，第Ⅱ阶段应力状态结束;此时对应的截面应力状态为受弯构件正常使用极限状态的验算依据。3)破坏阶段(第Ⅲ阶段)。钢筋屈服后，随着弯矩的增大，裂缝迅速向上扩展。当弯矩增加到极限弯矩时，受压区边缘达到混凝土极限压应变，构件因受压区混凝土压碎而完全破坏;此时对应的截面应力状态可以作为受弯构件“极限承载力”的计算依据。在实际工程应用中，为保证结构安全，原则上结构不允许进入破坏阶段(第Ⅲ阶段);同时，对于非预应力钢筋混凝土结构，由于混凝土抗拉强度很低，产生裂缝是不可避免的，因此未裂阶段(第Ⅰ阶段)也不是运行中需要控制的状态。基于此，非预应力钢筋混凝土结构工作状态的控制主要体现在裂缝工作阶段(第Ⅱ阶段)。由于非预应力钢筋混凝土结构出现裂缝是必然的，只要裂缝宽度不影响结构正常运用即可，因此，可将限制裂缝宽度作为监控指标等级划分中的一种等级临界点;此后，结构一旦达到裂缝工作阶段(第Ⅱ阶段)应力状态末端的工作状态，则结构即将进入破坏阶段(第Ⅲ阶段)的工作状态，因此，可将此时作为监控指标等级划分中的另一种等级临界点。

2基于统计学理论

监测效应量对环境变量变化引起工程运行性态变化以及观测误差等因素的综合反映。现有的研究表明，渠道水位、气温、降雨等环境变量以及观测误差均基本服从或近似服从正态分布。因此，在工程安全监测领域，一般认为监测效应量的数据序列也基本服从正态分布或近似服从正态分布［2］。在理论上，正态随机变量y的取值范围为(－∞，+∞);但在实际工程中，监测值只能是在某一有限范围内变动，该范围一般认为是(μ－3σ，μ+3σ)，如图3;其中，μ为测值序列的均值;σ为测值序列的标准差。这就是统计学中的由图3可知，测值y落在(μ－3σ，μ+3σ)区间的概率为99．73%，测值y落在(μ－3σ，μ+3σ)以外的概率约为0．3%。也就是说，一旦测值y出现在(μ－3σ，μ+3σ)以外，就有理由认为y是一个不应该出现的小概率事件。造成测值异常的原因，可能是观测误差，也可能是由于工程安全状态发生了不利变化。因此，从统计学的角度来看，“3σ准则”为拟定监测效应量的监控指标提供了一条有效途径。(1)利用式(1)计算标准差σ时，采用均值作为真值。此时，测值序列需要满足所有样本值yi为来源于同一母体、服从或近似服从正态分布的独立等精度测值。但实际工程中，上述条件是难以严格满足的。为此，通过建立监测数学模型，将拟合值y^(t)作为真值，采用监测模型的剩余标准差S作为标准差σ，从而拟定监控指标，即将“3σ准则”转变为“3S准则”。

3等级的划分

以上基于工程破坏机理和基于统计学理论研究了效应量监控指标的等级问题。研究表明，上述研究均具有一个共同点，即工程工作状态的转变主要有两个临界控制点，据此可将效应量监控指标划分为2个等级，汇总见表1。表1中的第一临界点为工程安全状态从正常工作状态向异常工作状态变异的临界点，可以将其对应的效应量值定义为监控指标的“一般警戒值”。效应量达到或越过“一般警戒值”时，预示着工程的运行性态出现了异常，正在向不利于工程安全的方向发展，但尚不会导致工程出现严重的安全问题。“一般警戒值”的作用主要是在工程运行性态出现异常迹象而提出的一种提醒，提醒工程管理者给予足够的重视，必要时应采取适当的措施降低工程的安全风险，改善工程的运行性态。表1中的第二临界点为工程安全状态从异常工作状态向险情工作状态变异的界限点，可以将其对应的效应量值定义为监控指标的“严重警戒值”。效应量达到或越过“严重警戒值”时，表明工程的运行性态已进入了不安全的险情状态，工程的失事概率或破坏风险急剧增大。“严重警戒值”的作用是在工程运行性态进入险情状态时发出一种明确的具有紧迫性的警告，要求工程管理者立即或尽快采取适当的措施对工程的安全风险进行处置。

4结语

调水工程运行安全监控指标以运行期监测效应量实测成果为依据，其目的在于为保障调水工程安全运行提供科学判据。本文从调水工程中渠堤工程和建筑物的土体结构、岩体结构和混凝土结构的破坏机理出发，分析了调水工程从一种工作状态向另一种工作状态变异的临界点;从统计学出发，讨论了异常测值的判断界限。本文将调水工程安全状态从正常工作状态向异常工作状态变异的临界点视为第一临界点，将对应的临界值定义为监控指标的“一般警戒值”，其作用在于当工程运行性态出现异常迹象时提醒工程管理者给予足够的重视。将调水工程安全状态从异常工作状态向险情工作状态变异时的界限点视为第二临界点，将对应的临界值定义为监控指标的“严重警戒值”，其作用在于当工程运行性态进入险情状态时向管理者发出一种明确的具有紧迫性的警告。

作者：程丽 何金平 单位：四川省水利水电勘测设计研究院有限公司 武汉大学水利水电学院