穿黃河出湖閘工程安全監測監控指標估算

劉曉娜，呂鴻翔 ，任澤儉

(南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109)

1 工程概況

穿黃河工程是南水北調東線的關鍵性工程，位于山東省東平和東阿2縣境內、黃河下游中段，工程等別Ⅰ等。工程從東平湖引水，經南岸輸水渠段、穿黃樞紐段、北岸穿引黃渠埋涵段，入魯北輸水干渠，總長7.87km。其中出湖閘屬于南岸輸水渠段，位于東平湖西堤(玉斑堤)魏河村北，為穿堤建筑物，是三孔一聯的鋼筋混凝土無壓箱涵，共3孔，總長130.50m。閘孔每孔凈寬6.00m、高3.50m；涵洞每孔凈寬6.40m、高6.00m；出湖閘進口底高程34.54m，出口底高程34.48m。[1]

2 安全監測資料分析[2- 3]

出湖閘地層為現代河流沖積層、沖積湖積層、下河流沖積層，巖性主要為壤土。出湖閘工程的主要監測項目包括接縫開合度、閘基揚壓力和表面沉降變形等。設表面沉降測點20個，測縫計7個，滲壓計5個。本文以出湖閘閘墩垂直位移和基礎揚壓力為例，估算安全監測監控指標。[4- 5]

2.1 閘墩頂部垂直位移

三孔閘墩頂部各設有2個沉降標點，共計8個測點(G1- B1～G1- B8)，采用電子水準儀每季度觀測一次。穿黃工程原設計無基準點，使用施工期留存的工作基點進行觀測，工作基點設在附近穩定的原狀土基上。因2012年9月出湖閘沉降基點遭施工破壞進行重設，后期均以2012年11月8日的新引測基點觀測數據作為初始值。各測點特征值統計見表1，因測次偏少，故未按年度進行統計。

總體來看，在2017年3月以前出湖閘閘頂各處均呈下沉狀態，最大沉降16.16mm，出現在測點G1- B7(2017年3月14日)；但在2017年第二季度閘頂整體突然明顯抬升，最大抬升量約27mm，這種突然發生的整體抬升現象，經分析為工作基點自身變形所致，并非是閘底板的真實變形；截至2018年10月17日，抬升現象仍然存在且保有微弱的增長趨勢。

表1 出湖閘閘頂垂直位移特征值統計 單位：mm

2.2 閘基礎揚壓力

從已有監測成果來看，運行期間閘基礎下游側揚壓力最大77.16kPa，換算成水位約40.36m，出現在2016年9月14日，年變幅除2016年稍大約15kPa外，其他年份均在10kPa以內，特征值統計見表2。

表2 出湖閘閘基礎下游側揚壓力統計 單位：kPa

圖1 東平湖出湖閘閘基礎揚壓力和閘前水位過程線

閘基礎揚壓力主要受閘前水位變化影響，有一定的滯后，經計算2者相關系數為0.75，過程線如圖1所示。目前該處揚壓力基本在66kPa左右變化，高程約39.24m，未見異常。

3 監控指標擬定[6]

3.1 閘墩頂部垂直位移

總體來看，閘墩頂部和翼墻垂直位移觀測序列較短，自觀測以來最多僅23個測次，其中還不乏部分可靠性存疑的測值，實際運行期間有效測次更少。從監測數據上看，出湖閘以沉降變形為主，最大沉降16mm，目前沉降均未見明顯趨緩跡象。因此，針對各座閘門垂直位移監測項目，如果是發生沉降變形的部位，采取控制沉降速率的思路，選取運行期間最大沉降速率作為其監控指標。

出湖閘下游側和檢修閘閘室段的揚壓力受出湖閘閘前水位變化影響較明顯，經計算相關系數均在0.65以上。

3.2 閘基礎揚壓力

針對閘基礎揚壓力監測項目，根據不同部位運行形態的規律和特點，出湖閘下游側和檢修閘閘室段揚壓力因與水位呈一定的相關性，采用置信區間法估算指標[7]。

3.2.1置信區間估算法原理[8- 11]

置信區間法基本原理是統計理論的小概率事件，根據以往的觀測資料，用統計理論(如回歸分析等)或有限元計算，建立監測效應量與荷載之間的數學模型(統計模型、確定性模型或混合模型等)。用這些模型計算在各種荷載作用下監測效應量()與實測值(E)的差值(E-)，該值有(1-α)的概率落在置信帶(Δ=±iσ)范圍之內，而且測值過程無明顯趨勢性變化，則認為是正常的，反之是異常的。

3.2.2出湖閘下游側和檢修閘閘室段揚壓力

分析各閘底板和翼墻的垂直位移以及各閘基礎的揚壓力情況，選用置信區間法估算監控指標分析揚壓力，監控模型基本關系式表示為：

h=hu+hθ

(1)

式中，h—揚壓力；hu—閘前水位分量；hθ—時效分量。

揚壓力與閘前水位的一次方成正比，考慮到滲流過程的滯后性，實際建模時因子選取若干天前的閘前水位平均值，時效分量因子形式基本一致。采用偏最小二乘回歸方法計算統計模型參數，建模時段為2014年1月1日—2018年7月23日，分析時段的起始時間為儀器開始測量的時間，模型成果見表3。

表3 出湖閘下游側和檢修閘閘室段閘基礎揚壓力的回歸模型

圖2 滲壓計G1- P5實測值和模型值過程線

從表3可以看出揚壓力實測數據的建模效果相對較好，復相關系數都在0.7以上，剩余標準差S均低于4kPa，表明所建立的回歸模型精度相對較高，典型測點實測值、模型值過程線如圖2所示。各處揚壓力受水位變化影響較大，水壓分量占比基本在60%以上。

考慮到揚壓力主要受水位影響，且與水位呈正相關，因此選取閘前水位達到最高時刻作為最不利時刻，根據工程設計工作報告，出湖閘的最高運行水位為41.8m，目前閘前水位最高達41.55m，實際計算時選取41.8m作為可能達到的最高水位。基于模型方程和剩余標準差，估算出監控指標。

3.2.3監控指標

綜上所述，穿黃隧洞工程出湖閘監測項目運行期間監控指標匯總見表4。

4 小結

監控指標是其可能的最不利荷載組合下的極限值，是工程安全的預警值[12- 15]。穿黃河工程出湖閘閘頂垂直位移因觀測序列較短，且有部分數據可靠性存疑，故采取控制沉降速率的思路，選取運行期間最大沉降速率作為其監控指標，不同點位分別控制在0.07～0.14mm/d之間；閘基礎揚壓力安全監測實測數據較豐富，且與水位呈現一定的相關性，滿足基于實測數據且與環境量相關性明顯的監測項目可采用置信區間法的要求，用回歸分析計算，構建監測效應量與荷載之間的數學模型，估算出基礎揚壓力監控指標為81.30kPa。綜上所述，不同的安全監控指標需采用不同的、更切合實際的方法估算預警值，便于快速判斷工程安全運行性態。

表4 穿黃隧洞出湖閘工程監控指標