引調(diào)水工程渠堤運(yùn)行安全監(jiān)控多指標(biāo)評(píng)判準(zhǔn)則

程德虎，郝澤嘉，何金平,2

(1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072)

引調(diào)水工程是解決水資源時(shí)空分布不均造成部分地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺問(wèn)題的重要途徑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，世界上已有40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)建成了350余項(xiàng)大型調(diào)水工程[1-2]。

南水北調(diào)工程是實(shí)現(xiàn)我國(guó)水資源優(yōu)化配置、促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，是一項(xiàng)“功在當(dāng)代利在千秋”的宏偉生態(tài)環(huán)境工程[3]。南水北調(diào)工程安全不僅是工程本身的安全問(wèn)題，而且關(guān)系到沿線地區(qū)公共安全，確保南水北調(diào)工程安全對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展穩(wěn)定都具有重要意義[4]。

監(jiān)控指標(biāo)是判斷工程運(yùn)行性態(tài)是否正常的一種科學(xué)判據(jù)[5]，利用工程監(jiān)測(cè)資料擬定效應(yīng)量運(yùn)行安全監(jiān)控指標(biāo)，可以有效識(shí)別工程所處的安全狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程潛在的安全隱患，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的健康診斷和安全預(yù)警[6-8]。目前調(diào)水工程安全監(jiān)控研究主要集中在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9-11]、數(shù)學(xué)模型[12-13]、安全預(yù)警[14]等方面，對(duì)監(jiān)控指標(biāo)的研究尚不深入。

監(jiān)控指標(biāo)的表現(xiàn)形式包括定量數(shù)值和定性準(zhǔn)則。定量數(shù)值主要是針對(duì)單個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的數(shù)值大小及其變化趨勢(shì)所規(guī)定的安全界限值，定性準(zhǔn)則是融合多測(cè)點(diǎn)多效應(yīng)量監(jiān)測(cè)信息而形成的若干定性評(píng)判準(zhǔn)則或模型。

擬定定量監(jiān)控指標(biāo)的方法可概括為結(jié)構(gòu)分析法、監(jiān)測(cè)模型法和概率分析法[15-17]。結(jié)構(gòu)分析法基于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或強(qiáng)度條件，針對(duì)特定荷載組合工況，采用結(jié)構(gòu)計(jì)算或數(shù)值模擬等方法計(jì)算效應(yīng)量在該工況下的理論值，作為效應(yīng)量實(shí)測(cè)值的監(jiān)控指標(biāo)；監(jiān)測(cè)模型法基于監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型可有效描述監(jiān)測(cè)效應(yīng)量變化規(guī)律的思想，以監(jiān)測(cè)模型剩余標(biāo)準(zhǔn)差S為依據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)“3S準(zhǔn)則”，以置信區(qū)間作為效應(yīng)量實(shí)測(cè)值的監(jiān)控指標(biāo)；概率分析法將監(jiān)測(cè)效應(yīng)量視為獨(dú)立的隨機(jī)變量，基于概率論中的極值原理和工程中的失效概率等概念，擬定在相應(yīng)失效概率下效應(yīng)量的估計(jì)值，作為效應(yīng)量實(shí)測(cè)值的監(jiān)控指標(biāo)。結(jié)構(gòu)分析法和概率分析法屬于狀態(tài)控制，主要針對(duì)不利荷載組合工況的監(jiān)控；監(jiān)測(cè)模型法屬于過(guò)程控制，適用于效應(yīng)量的全過(guò)程安全監(jiān)控。

定量監(jiān)控指標(biāo)直觀明確，應(yīng)用方便，但針對(duì)的是單個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)控的是局部性態(tài)。引調(diào)水工程渠堤線路長(zhǎng)，工程規(guī)模大，建造條件和運(yùn)行條件復(fù)雜[18]，僅靠單個(gè)測(cè)點(diǎn)的定量數(shù)值指標(biāo)難以全面監(jiān)控工程安全，需要綜合考慮多個(gè)測(cè)點(diǎn)、多種監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的監(jiān)測(cè)信息來(lái)實(shí)施工程的整體安全監(jiān)控。同時(shí)，工程安全本身是一個(gè)具有模糊屬性的不確定性概念，在邊界上難以采用一個(gè)精確的、絕對(duì)的數(shù)值來(lái)界定。此外，表征工程安全的指標(biāo)并不是都可以采用定量數(shù)值來(lái)衡量的，有些需要采用定性的方式來(lái)表達(dá)。因此，在研究定量數(shù)值監(jiān)控指標(biāo)的同時(shí)，也應(yīng)研究定性安全評(píng)判準(zhǔn)則。

定性評(píng)判準(zhǔn)則以多測(cè)點(diǎn)多效應(yīng)量監(jiān)測(cè)信息和巡視檢查結(jié)果等多源信息為基礎(chǔ)，根據(jù)工程的作用機(jī)理(失效模式)和運(yùn)行特點(diǎn)，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)，構(gòu)建基于多源信息的定性綜合評(píng)判準(zhǔn)則，以此對(duì)工程安全作出評(píng)判。定性評(píng)判準(zhǔn)則是工程安全監(jiān)控指標(biāo)的一種重要表現(xiàn)形式，在判別工程運(yùn)行性態(tài)、實(shí)施工程安全監(jiān)控中具有特殊的重要地位，與定量數(shù)值安全監(jiān)控指標(biāo)相互配合，共同保障工程安全。現(xiàn)有研究在多指標(biāo)融合評(píng)判模型方面已取得了一些成果[19]，但在定性評(píng)判準(zhǔn)則方面，由于涉及對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)的凝練，集成難度較大，挑戰(zhàn)性較強(qiáng)，因此目前尚未取得系統(tǒng)性的研究成果。為此，本文以南水北調(diào)中線干線的渠堤工程為例，在對(duì)效應(yīng)量測(cè)值異常表現(xiàn)形式進(jìn)行總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合調(diào)水工程安全運(yùn)行的工程經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)，分別針對(duì)多測(cè)點(diǎn)、多效應(yīng)量監(jiān)測(cè)信息和巡視檢查結(jié)果，凝練出渠堤工程運(yùn)行監(jiān)控的若干定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，為渠堤工程安全運(yùn)行提供一種技術(shù)保障。

1 測(cè)值的異常表現(xiàn)形式

工程運(yùn)行性態(tài)異常，最直觀的表現(xiàn)就是監(jiān)測(cè)效應(yīng)量實(shí)測(cè)值出現(xiàn)異常。對(duì)單個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)值異常主要表現(xiàn)為數(shù)值大小異常、變化過(guò)程異常、變化趨勢(shì)異常和變化規(guī)律異常4種基本形式。

研究測(cè)值的異常表現(xiàn)形式，可為識(shí)別工程異常現(xiàn)象和安全隱患提供科學(xué)依據(jù)，為建立基于多指標(biāo)融合評(píng)判準(zhǔn)則提供分類基礎(chǔ)。當(dāng)多個(gè)測(cè)點(diǎn)、多種效應(yīng)量同時(shí)出現(xiàn)同一類型或多個(gè)類型的異常現(xiàn)象時(shí)，通過(guò)分析這些異常現(xiàn)象在不同測(cè)點(diǎn)、不同效應(yīng)量之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工程運(yùn)行性態(tài)的綜合判斷。

1.1 數(shù)值大小異常

在各種荷載組合的作用下，效應(yīng)量測(cè)值的數(shù)值大小應(yīng)在一定范圍內(nèi)變化。效應(yīng)量測(cè)值大小異常是指實(shí)測(cè)值在數(shù)值上超出了合理的變化范圍，數(shù)值明顯偏大或偏小。效應(yīng)量的合理變化范圍，可根據(jù)效應(yīng)量的變化特性和是否具有監(jiān)控指標(biāo)等因素來(lái)確定。

1.2 變化過(guò)程異常

在工程正常運(yùn)行條件下，效應(yīng)量的變化是一個(gè)漸變的過(guò)程，不應(yīng)該出現(xiàn)突變。若測(cè)值序列中出現(xiàn)了突變，則表明效應(yīng)量變化過(guò)程出現(xiàn)異常。測(cè)值突變主要有3種典型的表現(xiàn)形式，分別為尖點(diǎn)型突變、臺(tái)階型突變和漸變型突變。

尖點(diǎn)型突變的基本特征是：在該時(shí)刻出現(xiàn)了一個(gè)孤立的、與之前及之后時(shí)刻測(cè)值明顯偏大或偏小的測(cè)值，在過(guò)程線上表現(xiàn)為出現(xiàn)一個(gè)或數(shù)個(gè)尖點(diǎn)，見(jiàn)圖1的測(cè)值A(chǔ)和測(cè)值B。

圖1 測(cè)值突變的典型表現(xiàn)形式

臺(tái)階型突變的基本特征是：出現(xiàn)連續(xù)的、成片的明顯大于或小于其他測(cè)值的測(cè)值序列，在過(guò)程線上表現(xiàn)為一個(gè)臺(tái)階狀數(shù)據(jù)序列(見(jiàn)圖1中的D)或臺(tái)坎狀數(shù)據(jù)序列(見(jiàn)圖1中的C)。

漸變型突變的基本特征是：短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)逐漸增大或連續(xù)逐漸減小的多次測(cè)值，在過(guò)程線上表現(xiàn)為短期內(nèi)逐漸增大或逐漸減小的一個(gè)數(shù)據(jù)序列，見(jiàn)圖1中的E。

1.3 變化趨勢(shì)異常

渠堤由土體填筑而成，運(yùn)行初期，在土體固結(jié)、地基壓縮、蓄水或通水荷載等因素的綜合作用下，效應(yīng)量變化較快；隨著土體固結(jié)和地基壓縮的基本完成以及運(yùn)行荷載條件的基本穩(wěn)定，效應(yīng)量的變化也逐漸趨緩，并最終趨于穩(wěn)定或收斂。效應(yīng)量的趨勢(shì)性變化情況是衡量渠堤工程是否安全的一個(gè)重要指標(biāo)。如果效應(yīng)量表現(xiàn)出長(zhǎng)期趨勢(shì)性變化不收斂的異常現(xiàn)象，實(shí)際上就蘊(yùn)含著測(cè)值序列中存在潛在的工程不安全信息。

效應(yīng)量趨勢(shì)性的典型表現(xiàn)形式見(jiàn)圖2[20]，其中：曲線A為趨勢(shì)性收斂的狀態(tài)，屬于趨勢(shì)性變化正常；曲線B、C、D為趨勢(shì)性不收斂的狀態(tài)，屬于趨勢(shì)性變化異常。

圖2 測(cè)值趨勢(shì)性變化的典型表現(xiàn)形式

1.4 變化規(guī)律異常

渠堤工程在正常運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)論是時(shí)間上還是空間上，各監(jiān)測(cè)效應(yīng)量自有其客觀的規(guī)律性。一旦實(shí)測(cè)成果偏離了這種應(yīng)有的客觀規(guī)律性，則可能是觀測(cè)成果本身不可靠，或者是工程安全狀況出現(xiàn)了異常。因此，實(shí)測(cè)效應(yīng)量變化規(guī)律是否符合其自身應(yīng)有的客觀規(guī)律性，也是判斷工程運(yùn)行狀態(tài)是否正常的一種評(píng)判指標(biāo)。

2 多指標(biāo)評(píng)判準(zhǔn)則

南水北調(diào)中線干線工程規(guī)模宏大，包括渠道工程和各類建筑物。其中，渠道工程以明渠輸水方式為主，局部采用管涵過(guò)水。從渠堤斷面來(lái)看，包括挖方渠段、填方渠段和半填半挖渠段；從渠堤特性來(lái)看，包括膨脹土渠段、濕陷性黃土渠段、高地下水渠段、采空區(qū)渠段等。

2.1 基于多測(cè)點(diǎn)的評(píng)判準(zhǔn)則

渠堤工程運(yùn)行性態(tài)一旦出現(xiàn)異常，不會(huì)只在某一個(gè)孤立的測(cè)點(diǎn)部位得到反映，而是會(huì)在一定影響范圍內(nèi)的多個(gè)測(cè)點(diǎn)部位得到體現(xiàn)。因此，單個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)值異常，并不代表該斷面或該區(qū)域的運(yùn)行性態(tài)就一定出現(xiàn)了異常，而應(yīng)對(duì)該斷面或該區(qū)域內(nèi)的所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行綜合分析才能做出判斷，并著重分析各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息之間的關(guān)聯(lián)性。

基于多測(cè)點(diǎn)的評(píng)判準(zhǔn)則，應(yīng)在分析單測(cè)點(diǎn)測(cè)值異常現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究是孤立的單個(gè)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了異常現(xiàn)象，還是成片的多個(gè)測(cè)點(diǎn)都出現(xiàn)了異常現(xiàn)象，以及所出現(xiàn)的異常現(xiàn)象在不同測(cè)點(diǎn)之間是否具有關(guān)聯(lián)性。

多測(cè)點(diǎn)測(cè)值異常表現(xiàn)的關(guān)聯(lián)性。渠堤工程安全監(jiān)測(cè)主要以監(jiān)測(cè)斷面的形式布置，包括重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面和一般監(jiān)測(cè)斷面。在同一監(jiān)測(cè)斷面上，布置有多個(gè)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)。渠堤工程運(yùn)行性態(tài)一旦出現(xiàn)異常，在同一監(jiān)測(cè)項(xiàng)目上的各測(cè)點(diǎn)測(cè)值都會(huì)表現(xiàn)出不同程度的異常；也就是說(shuō)，異常現(xiàn)象通常不會(huì)只出現(xiàn)在孤立的單個(gè)測(cè)點(diǎn)上，異常現(xiàn)象在具有關(guān)聯(lián)性的多個(gè)測(cè)點(diǎn)上會(huì)表現(xiàn)出一致性。因此，當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面上的某一個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)值出現(xiàn)異常而其他測(cè)點(diǎn)測(cè)值均表現(xiàn)正常時(shí)，應(yīng)首先核查異常測(cè)值的可靠性，并重點(diǎn)分析測(cè)點(diǎn)部位的局部性態(tài)；當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面上的多個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)值均出現(xiàn)異常且異常現(xiàn)象的表現(xiàn)形式基本一致時(shí)，應(yīng)首先核查工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性，觀測(cè)儀器的準(zhǔn)確性，并重點(diǎn)分析該監(jiān)測(cè)斷面所在渠段的整體運(yùn)行性態(tài)是否出現(xiàn)了異常。比如，同一監(jiān)測(cè)斷面上布置有多個(gè)表面垂直位移測(cè)點(diǎn)時(shí)，如果只有個(gè)別測(cè)點(diǎn)測(cè)值偏大，或不收斂，則可能是測(cè)點(diǎn)所在的局部因填筑不密實(shí)或其他原因?qū)е鲁两递^大；如果有多個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)值均偏大，或均不收斂，則應(yīng)高度重視該監(jiān)測(cè)斷面處的渠堤整體運(yùn)行性態(tài)是否出現(xiàn)了異常。

多測(cè)點(diǎn)測(cè)值時(shí)空分布的關(guān)聯(lián)性。渠堤工程作為一個(gè)整體，各測(cè)點(diǎn)之間具有物理上的關(guān)聯(lián)性，因而各測(cè)點(diǎn)測(cè)值在分布上具有協(xié)調(diào)性。對(duì)同一監(jiān)測(cè)斷面，各表面垂直位移測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與測(cè)點(diǎn)所在部位的堤高應(yīng)具有協(xié)調(diào)性，堤頂測(cè)點(diǎn)的測(cè)值一般應(yīng)大于馬道測(cè)點(diǎn)的測(cè)值；一旦出現(xiàn)馬道上測(cè)點(diǎn)的表面垂直位移測(cè)值過(guò)大，則需要重視邊坡是否存在局部失穩(wěn)的可能性。對(duì)同一監(jiān)測(cè)區(qū)域，渠堤屬于線性工程，同位于堤頂?shù)亩鄠€(gè)表面垂直位移測(cè)點(diǎn)，沿線路方向在測(cè)值分布上應(yīng)具有協(xié)調(diào)性，特別是填高接近、填料相似的渠段；一旦表面垂直位移沿渠堤線路方向的分布圖存在鋸齒狀或漏斗狀或駝峰狀分布等異常分布現(xiàn)象，則需要分析這些異常分布現(xiàn)象的成因，并重點(diǎn)判斷渠堤運(yùn)行性態(tài)是否出現(xiàn)了異常。對(duì)鉆孔測(cè)斜管實(shí)測(cè)內(nèi)部水平位移，其測(cè)值在豎向分布上應(yīng)具有協(xié)調(diào)性，一般下部水平位移較小，接近孔口位置水平位移較大，呈漸變的“撓曲”分布；一旦豎向分布圖在中間部位出現(xiàn)較大突變，則應(yīng)分析測(cè)斜管在突變測(cè)點(diǎn)處是否穿過(guò)斷層、破碎帶等軟弱結(jié)構(gòu)面，且軟弱結(jié)構(gòu)面是否發(fā)生剪切破壞。

2.2 基于多效應(yīng)量的評(píng)判準(zhǔn)則

渠堤工程在運(yùn)行過(guò)程中，在各種荷載組合的作用下，會(huì)產(chǎn)生各種效應(yīng)量，如變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等。這些效應(yīng)量從不同的角度對(duì)工程安全狀態(tài)給出反映，不同監(jiān)測(cè)效應(yīng)量之間也存在著相互作用和相互影響，因而也表現(xiàn)出一定的關(guān)聯(lián)性。

基于多效應(yīng)量的評(píng)判準(zhǔn)則，以單測(cè)點(diǎn)異常現(xiàn)象的表現(xiàn)形式分析和多測(cè)點(diǎn)異常現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)性分析為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究是某一類監(jiān)測(cè)效應(yīng)量出現(xiàn)了異常現(xiàn)象，還是多種效應(yīng)量都出現(xiàn)了異常現(xiàn)象，以及所出現(xiàn)的異常現(xiàn)象在不同效應(yīng)量之間是否具有關(guān)聯(lián)性。

多效應(yīng)量監(jiān)測(cè)信息之間的關(guān)聯(lián)性，也是分析渠堤工程運(yùn)行性態(tài)的重要途徑和判斷指標(biāo)。

同類多效應(yīng)量之間的關(guān)聯(lián)性。同類多效應(yīng)量，是指同一大類(變形類、滲流類或應(yīng)力應(yīng)變類)內(nèi)的多種監(jiān)測(cè)效應(yīng)量。同類效應(yīng)量之間一般具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此，能更有效地描述工程的整體運(yùn)行性態(tài)。以渠堤工程變形為例，渠堤變形包括表面變形與內(nèi)部變形等。渠堤運(yùn)行狀態(tài)正常時(shí)，表面變形、內(nèi)部變形的測(cè)值表現(xiàn)也會(huì)是正常的。渠堤工程運(yùn)行性態(tài)如果出現(xiàn)異常，不僅會(huì)在表面變形測(cè)值中得到反映，在內(nèi)部變形測(cè)值中也會(huì)有所體現(xiàn)。比如,表面垂直位移不收斂，同一部位的表面水平位移、內(nèi)部水平位移(傾斜儀)等效應(yīng)量也很有可能是不收斂的,如同時(shí)出現(xiàn)表面變形和內(nèi)部變形均不收斂的情況，就應(yīng)高度重視該部位渠堤工程的整體運(yùn)行性態(tài)出現(xiàn)了異常。同類多效應(yīng)量之間的關(guān)聯(lián)性，在利用多效應(yīng)量評(píng)判渠堤工程安全中比較常見(jiàn)。

非同類多效應(yīng)量之間的關(guān)聯(lián)性。非同類多效應(yīng)量之間的關(guān)聯(lián)性，是指變形類、滲流類與應(yīng)力應(yīng)變類這些大類監(jiān)測(cè)效應(yīng)量之間的關(guān)聯(lián)性。渠堤工程作為一個(gè)整體，當(dāng)運(yùn)行性態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，在不同大類監(jiān)測(cè)效應(yīng)量中均會(huì)得到不同程度的反映。比如，如果渠堤工程的防滲系統(tǒng)被削弱，則渠堤內(nèi)的實(shí)測(cè)滲壓水位就會(huì)升高，渠堤填土性能就會(huì)隨之下降，很可能導(dǎo)致渠堤水平位移和垂直位移也隨之增大，一旦非同類多效應(yīng)量同時(shí)出現(xiàn)了具有關(guān)聯(lián)性的異常，則應(yīng)高度重視該渠段的整體運(yùn)行性態(tài)是否出現(xiàn)異常。

2.3 基于巡視檢查的評(píng)判準(zhǔn)則

渠堤工程安全監(jiān)控既包括儀器監(jiān)測(cè)，也包括巡視檢查，因此，渠堤工程安全評(píng)判既要依據(jù)效應(yīng)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也要依據(jù)巡視檢查成果。

渠堤工程巡視檢查應(yīng)重點(diǎn)巡視特殊渠段，包括深挖方渠段(開(kāi)挖深度大于15 m)、高填方渠段(填土高度大于6 m)、膨脹土渠段、高地下水渠段、采空區(qū)渠段[21]、濕陷性黃土類渠段、砂土筑堤渠段等。

2.3.1深挖方渠段

深挖方渠段應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注一級(jí)馬道以上邊坡的變形和地下水位變化情況，一級(jí)馬道以下襯砌底板的隆起、塌陷等變形情況。如果出現(xiàn)以下情況，應(yīng)對(duì)渠堤工程安全狀況給予重點(diǎn)關(guān)注：

邊坡土(巖)體出現(xiàn)滑坡跡象，如表面出現(xiàn)裂縫、土(巖)體發(fā)生崩塌或隆起等現(xiàn)象。

邊坡排水不暢，地下水位升高，如排水管出現(xiàn)淤堵，一級(jí)馬道排水溝出現(xiàn)滲水或積水等現(xiàn)象。

襯砌底板不穩(wěn)定，變形異常，如襯砌底板出現(xiàn)隆起、塌陷、開(kāi)裂等現(xiàn)象。

2.3.2高填方渠段

深挖方渠段應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注渠堤堤頂?shù)淖冃吻闆r：外側(cè)堤坡的穩(wěn)定情況。如果出現(xiàn)以下情況，應(yīng)對(duì)渠堤工程安全狀況給予重點(diǎn)關(guān)注：

堤頂出現(xiàn)裂縫、塌陷、嚴(yán)重的不均勻沉降等異常變形現(xiàn)象。如果出現(xiàn)縱向裂縫，應(yīng)重點(diǎn)分析是否存在堤坡發(fā)生滑坡失穩(wěn)的可能性；如果出現(xiàn)橫向裂縫，應(yīng)結(jié)合表面垂直位移測(cè)值分析堤頂?shù)牟痪鶆虺两登闆r，判斷渠堤是否存在填土不密實(shí)、填料不均勻或填筑材料不恰當(dāng)?shù)仁┕べ|(zhì)量問(wèn)題。

外側(cè)堤坡出現(xiàn)滑坡跡象。如外側(cè)坡腳出現(xiàn)隆起、開(kāi)裂等異常變形現(xiàn)象，堤坡上部出現(xiàn)裂縫、塌陷等異常變形現(xiàn)象。

外坡坡腳出現(xiàn)滲透破壞跡象。如坡腳出現(xiàn)積水、浸泡、滲漏水等異常滲流現(xiàn)象和管涌、流土等滲透破壞現(xiàn)象，外側(cè)堤坡下部出現(xiàn)散浸現(xiàn)象，反濾體出現(xiàn)塌陷、土體流失或淤堵等現(xiàn)象。

2.3.3其他特殊渠段

膨脹土渠段。膨脹土特性與土體干濕變化相關(guān)，遇水膨脹、失水收縮，易產(chǎn)生裂隙，具有漲縮性、裂隙性等特點(diǎn)，其破壞模式可歸納為裂隙強(qiáng)度控制下的滑坡和膨脹作用控制下的滑坡，處理措施主要為換填法，即在一定范圍內(nèi)采用非膨脹土置換膨脹土。基于以上原理，對(duì)膨脹土渠段，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注膨脹土含水率變化引起的裂縫、塌陷、滑塌、隆起等異常變形現(xiàn)象。同時(shí)，膨脹土具有超固結(jié)土特性，在應(yīng)力釋放后土體變形會(huì)出現(xiàn)反彈，在渠堤表面變形上可能表現(xiàn)為上抬。因此應(yīng)結(jié)合表面垂直位移觀測(cè)成果，重點(diǎn)巡查和分析渠堤是否存在持續(xù)的上抬變形。

高地下水渠段。南水北調(diào)中線干線工程沿線穿越高地下水渠段(地下水水位高于渠底高程)約470 km，其中地下水水位高于渠內(nèi)設(shè)計(jì)水位的渠段約160 km。對(duì)高地下水渠段，采取全斷面混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，以避免外水滲入渠道影響水質(zhì)。但是，受高地下水位的頂托，有可能導(dǎo)致渠道襯砌底板發(fā)生抗浮失穩(wěn)，主要表現(xiàn)為襯砌底板隆起破壞。基于以上原理，對(duì)于高地下水渠段，應(yīng)重點(diǎn)巡查襯砌底板結(jié)構(gòu)的狀況，以及導(dǎo)致襯砌底板抗浮失穩(wěn)的主要影響因素。比如，重點(diǎn)巡查混凝土底板是否出現(xiàn)裂縫、隆起等現(xiàn)象，渠道集水井水位是否正常，渠道外水水位是否超過(guò)渠道水位，抽排水設(shè)施是否完好，逆止閥是否存在堵塞、損壞等現(xiàn)象。

采空區(qū)渠段。南水北調(diào)中線干線工程在禹州管理處穿越4處煤礦采空區(qū)，累計(jì)長(zhǎng)度3.11 km，從采空區(qū)頂板巖層向上形成垮塌帶、裂隙帶、彎曲帶“三帶”破壞形式。穿越采空區(qū)的渠堤工程包括全挖方、全填方和半填半挖方渠段型式。為保障工程運(yùn)行安全，對(duì)采空區(qū)采用注漿法進(jìn)行處理。基于以上原理，對(duì)采空區(qū)渠段，應(yīng)重點(diǎn)巡查穿越采空區(qū)的渠堤是否存在裂縫、塌陷等破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重的不均勻沉降、不收斂的傾斜及水平位移等異常變形現(xiàn)象，滲漏等異常滲流現(xiàn)象。同時(shí)，采空區(qū)范圍大，影響范圍廣，因此巡查范圍應(yīng)擴(kuò)大到渠堤以外的地表，重點(diǎn)巡查地表下沉、地表裂縫等破壞現(xiàn)象，以及嚴(yán)重的大范圍不均勻沉降等異常變形，特別是地表是否形成凹陷洼地。

3 應(yīng)用實(shí)例

以南水北調(diào)中線干線工程一段約1.5 km長(zhǎng)度的典型高填方渠段為例，采用多指標(biāo)評(píng)判準(zhǔn)則對(duì)該渠段進(jìn)行安全評(píng)判。該填方渠段填高9～17 m，地面高程119～122 m，該渠段內(nèi)布置了多個(gè)變形監(jiān)測(cè)斷面，包括表面垂直位移監(jiān)測(cè)斷面、表面水平位移監(jiān)測(cè)斷面、測(cè)斜管內(nèi)部水平位移(傾斜)監(jiān)測(cè)斷面、沉降儀內(nèi)部垂直位移監(jiān)測(cè)斷面等。該渠段平面布置見(jiàn)圖3。

圖3 該渠段平面布置

3.1 表面垂直位移

該渠段布置了17個(gè)表面垂直位移監(jiān)測(cè)斷面，共66個(gè)測(cè)點(diǎn)。各表面垂直位移測(cè)點(diǎn)整體上呈下沉變化，自2016年5月起，部分測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量開(kāi)始超過(guò)設(shè)計(jì)警戒值(100 mm)，同期工程巡查發(fā)現(xiàn)堤頂出現(xiàn)裂縫，外側(cè)路肩存在隆起、裂縫、空洞等損壞現(xiàn)象。截至2018年12月，最大值超過(guò)設(shè)計(jì)參考值(50 mm)的測(cè)點(diǎn)共22個(gè)，最大值超過(guò)設(shè)計(jì)警戒值(100 mm)的測(cè)點(diǎn)共4個(gè)。該渠段左岸堤頂代表性測(cè)點(diǎn)表面垂直位移過(guò)程線見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，該渠段多個(gè)測(cè)點(diǎn)持續(xù)下沉的趨勢(shì)性變化尚未收斂，少數(shù)測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)性有所增大。

圖4 該渠段代表性測(cè)點(diǎn)表面垂直位移過(guò)程線

綜合來(lái)看，該渠段實(shí)測(cè)表面垂直位移多個(gè)測(cè)點(diǎn)“測(cè)值偏大”，且“存在未收斂的趨勢(shì)性變化”，因此可以初步判斷該渠段表面垂直位移實(shí)測(cè)性態(tài)存在異常。

3.2 表面水平位移

由于該渠段多個(gè)表面垂直位移測(cè)點(diǎn)測(cè)值出現(xiàn)異常，2016年6月在該渠段A、B、C和D共4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上增設(shè)了13個(gè)水平位移測(cè)點(diǎn)，A、B、C和D監(jiān)測(cè)斷面分別位于表面垂直位移的4號(hào)、6號(hào)、11號(hào)和14號(hào)監(jiān)測(cè)斷面處。B監(jiān)測(cè)斷面表面水平位移變化過(guò)程線見(jiàn)圖5。

圖5 B監(jiān)測(cè)斷面代表性測(cè)點(diǎn)表面水平位移變化過(guò)程線

從圖5可以看出，該斷面右岸的TP01-B、TP02-B和TP03-B共3個(gè)測(cè)點(diǎn)均存在向渠道外側(cè)的趨勢(shì)性變形，其中:TP01-B、TP03-B兩測(cè)點(diǎn)2018年4月以來(lái)的水平位移變化速率大于前期，屬于“存在未收斂的趨勢(shì)性變化”:TP02-B測(cè)點(diǎn)于2018年10月發(fā)生了突變，表面水平位移由-39.5 mm突變?yōu)?116.1 mm，經(jīng)查該突變系受10月份鉆充填孔灌漿施工擾動(dòng)影響所致，不屬于渠堤結(jié)構(gòu)變異引起的運(yùn)行性態(tài)異常。

3.3 內(nèi)部水平位移

2016年6月在該渠段A、B、C共3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上各新增1根測(cè)斜管(IN01-A、IN01-B、IN01-C)觀測(cè)渠堤內(nèi)部水平位移。

截至2018年12月，3根測(cè)斜管實(shí)測(cè)最大累計(jì)內(nèi)部水平位移分別為-58.7、-208.7、-60.1 mm，均位于孔口或接近孔口；各測(cè)斜管實(shí)測(cè)內(nèi)部水平位移主要表現(xiàn)為上大下小，位移分布基本合理；但實(shí)測(cè)內(nèi)部水平位移“存在未收斂的趨勢(shì)性變化”，與相應(yīng)部位表面垂直位移、表面水平位移的趨勢(shì)性變化基本一致。

此外，部分測(cè)斜管孔口累計(jì)水平位移2018年11月08日發(fā)生了由-155.51 mm至-221.39 mm的突變。經(jīng)查，該突變是由于11月初該斷面渠堤二級(jí)馬道進(jìn)行土方填筑碾壓造成的，不屬于渠堤結(jié)構(gòu)變異引起的運(yùn)行性態(tài)異常。

3.4 綜合評(píng)判與處理

綜合上述分析，該高填方渠段內(nèi)多個(gè)表面垂直位移監(jiān)測(cè)斷面上的多個(gè)測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)出“測(cè)值偏大”且“存在未收斂的趨勢(shì)性變化”的異常現(xiàn)象，且異常現(xiàn)象在多測(cè)點(diǎn)之間具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，適用于多測(cè)點(diǎn)評(píng)判準(zhǔn)則；多個(gè)表面水平位移測(cè)點(diǎn)和多個(gè)內(nèi)部水平位移測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)過(guò)程線表現(xiàn)為“存在未收斂的趨勢(shì)性變化”，且異常現(xiàn)象在多效應(yīng)量之間具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，適用于多效應(yīng)量評(píng)判準(zhǔn)則。因此，基于本文提出的“多測(cè)點(diǎn)”“多效應(yīng)量”評(píng)判準(zhǔn)則，可以判定該渠段運(yùn)行安全性態(tài)出現(xiàn)了較為明顯的異常。

2018年5月—2019年6月對(duì)該渠段進(jìn)行了加固處理，對(duì)堤身進(jìn)行了加寬加厚，并設(shè)置了防滲體。處理后，各監(jiān)測(cè)效應(yīng)量變化趨勢(shì)有所減緩，并趨于收斂，目前該部位運(yùn)行安全性態(tài)已得到明顯改善，該問(wèn)題已由“重點(diǎn)異常問(wèn)題”降低為“一般異常問(wèn)題”。

4 結(jié) 語(yǔ)

監(jiān)控指標(biāo)是保障引調(diào)水工程安全運(yùn)行的科學(xué)判據(jù)。定量數(shù)值形式的監(jiān)控指標(biāo)主要針對(duì)單個(gè)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)和工程局部性態(tài)，對(duì)長(zhǎng)距離引調(diào)水工程則需要基于多源信息、工程經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)凝練出定性評(píng)判準(zhǔn)則，與定量監(jiān)控指標(biāo)相互配合，共同保障引調(diào)水工程安全。

定性評(píng)判準(zhǔn)則的建立以單測(cè)點(diǎn)測(cè)值異常表現(xiàn)為依據(jù)，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和巡檢成果為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究多源信息之間的關(guān)聯(lián)性。其中，基于多測(cè)點(diǎn)的評(píng)判準(zhǔn)則重點(diǎn)突出多測(cè)點(diǎn)測(cè)值異常表現(xiàn)上的關(guān)聯(lián)性和空間分布上的關(guān)聯(lián)性，基于多效應(yīng)量的評(píng)判準(zhǔn)則重點(diǎn)突出不同監(jiān)測(cè)效應(yīng)量之間相互作用和相互影響的關(guān)聯(lián)性，基于巡視檢查的評(píng)判準(zhǔn)則重點(diǎn)結(jié)合不同特性渠堤工程的破壞機(jī)理。在對(duì)渠堤工程整體運(yùn)行性態(tài)作出評(píng)判時(shí)，應(yīng)綜合分析多測(cè)點(diǎn)、多效應(yīng)量以及巡視檢查等多源信息。

定性評(píng)判準(zhǔn)則是渠堤工程安全監(jiān)控指標(biāo)的一種重要表現(xiàn)形式，在工程安全監(jiān)控中具有特殊的重要地位。本文提出了一個(gè)基于定性準(zhǔn)則的渠堤工程安全評(píng)價(jià)思路，以期促進(jìn)定性評(píng)判準(zhǔn)則的深入研究，這些定性準(zhǔn)則還有待在工程運(yùn)行中進(jìn)一步檢驗(yàn)和補(bǔ)充，并加強(qiáng)定性準(zhǔn)則在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方面的研究。