引水渠道邊坡變形特征及變形預(yù)測的研究

王 碩

(宿州市水利水電建筑勘測設(shè)計有限公司，安徽 宿州 234000)

0 引 言

引水渠道在農(nóng)村飲水調(diào)度中廣泛應(yīng)用，渠道穩(wěn)定運行是保障運行的基礎(chǔ)。山區(qū)引水渠道建立在邊坡上，土的滑坡和變形預(yù)測問題已成為當(dāng)前研究熱點。陳生水等以某膨脹土邊坡為研究對象，通過試驗手段對膨脹土的變形和穩(wěn)定性進行了分析，并總結(jié)了其長期強度變形特性[1]。程展林等以某膨脹土邊坡工程為背景，通過有限元軟件ABAQUS建立三維數(shù)值模型，分析了膨脹土邊坡的變形和穩(wěn)定性[2]。陸定杰等以南陽膨脹土渠道為研究對象，通過現(xiàn)場勘察資料分析了南陽膨脹土渠道滑坡的破壞特征，進一步利用PLAXIS 3D有限元軟件建立渠道模型，對膨脹土渠道演化機制進行研究[3]。鄭東健等以某實際邊坡工程為背景，分析了邊坡的變形規(guī)律[4]。系統(tǒng)研究了多因素時變預(yù)測模型，并將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與多因素時變預(yù)測模型的結(jié)果進行對比，驗證模型的正確性。何少其等以庫岸堆積層滑坡作為研究對象，分析了滑坡位移的分量響應(yīng)模式，并通過多因子模型對滑坡變形進行了預(yù)測[5]。文章以某引水渠道邊坡為例，基于對采取錨桿加固后的渠道邊坡變形監(jiān)測結(jié)果，分析渠道邊坡變形規(guī)律，并結(jié)合不同預(yù)測模型，對渠道邊坡變形進行預(yù)測。

1 工程簡介與現(xiàn)場監(jiān)測

文章研究的膨脹土調(diào)水工程全長共計401km，工程分布范圍較廣，土地的濕度及氣候的濕度均變化大，渠道的穩(wěn)定性較差，從而導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性存在問題。渠道在樁號Y+740-Y+860段為中膨脹土，左側(cè)渠道開挖深度范圍為33-38m，渠道底部的寬度為13m，過水?dāng)嗝孢吰缕露葹?∶3；一級馬道每隔6m設(shè)置一道，寬度為5m。用水泥改性土換填整個渠道，其中馬道換填厚度為1.0m，過水?dāng)嗝鎿Q填厚度為1.5m。橫斷面圖見圖1。

圖1 構(gòu)件橫斷面圖

渠道段的所有馬道都不存在大裂隙，也不存在裂隙密集帶。因此在過水?dāng)嗝娌迦敕綐?，一級馬道以上斷面不設(shè)置其他抗滑樁。2016年5月，二級馬道排水溝的內(nèi)側(cè)壁產(chǎn)生了傾斜位移；三級馬道排水溝產(chǎn)生了斷裂、沉降；三、四級馬道的混凝土拱圈發(fā)生連續(xù)開裂，并且裂縫尺寸存在進一步變大的趨勢，渠道出現(xiàn)淺層滑移現(xiàn)象。

勘察結(jié)果顯示：Y+840的三級渠坡和Y+800的三級渠坡坡腳位置發(fā)生滲水現(xiàn)象，外部水分已滲入換填土層內(nèi)部。在高程155m位置處，渠道邊坡有一變形體，變形體深度約為2.5-7.8m。該位置發(fā)生變形的原因主要為：膨脹土未被換填層完全與外部水分隔絕，膨脹土因滲水產(chǎn)生裂縫并持續(xù)脹縮，渠道邊坡發(fā)生蠕動變形。

為保證渠道運行期間的安全性，2016年11月，采取了一定的應(yīng)急措施：安裝安全監(jiān)測儀器、錨桿加固、增設(shè)排水管。三級渠道邊坡按3m縱向間距布置3排錨桿，錨桿呈矩形，設(shè)計錨固力為100kN，鎖定錨固力>50kN。安全監(jiān)測儀器主要有滲壓計、測斜管等，測斜管的埋置深度范圍為22-32m，圖2給出了滲壓計和測斜管的布置圖。對于圖中測點標號的含義，805-3測點定義為805樁斷面上3級馬道的。

2017年3月的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，所采取的應(yīng)急措施對渠道有一定的限制作用，但未能使渠道位移完全收斂。因此，在2016年5月，在三級渠道邊坡增設(shè)傘形錨桿，共設(shè)6排錨桿，垂直方向上的錨桿間距為2.0m，順水流方向上的錨桿間距為4.0m，設(shè)計錨固力為120kN，鎖定錨固力>100kN。對新加固后的渠道邊坡變形進行現(xiàn)場監(jiān)測。

圖2 給出了滲壓計和測斜管的布置圖

2 基于HCPC法渠道邊坡分析

主成分分析和分層聚類分別簡稱PCA和HC，兩者均為變量相似性度量工具，在主成分分析基礎(chǔ)上開展分層聚類能更加的表述變量間關(guān)系，簡稱HCPC法。采用該法對渠道邊坡變形進行分析。選取新加固后的渠道邊坡變形數(shù)據(jù)進行分析(2017年6月—2020年5月)。圖3給出了各測斜管表面測點位移過程線，圖4給出了渠段環(huán)境量過程線。測斜管發(fā)生變形峰值約為0.5-2.0m的深度。按每月2次的頻率觀測地下水位和測斜管。圖中降雨量表示每日降雨量，渠道水位表示每日平均水位。

圖3 各測斜管表面測點位移過程線 圖4 渠段環(huán)境量過程線

從圖中可以看出，經(jīng)過二次加固后的渠道邊坡變形具有如下規(guī)律：向渠道內(nèi)部位移漸漸變大，二級和四級馬道同時產(chǎn)生變形，兩者變形趨勢基本一致，且有較好的同步響應(yīng)性。不同位置的變形值均不同，呈現(xiàn)出顯著的不均一性，二級和三級邊坡在干濕循環(huán)作用下，兩者的變形最為明顯。渠道邊坡變形首先增大隨后趨于穩(wěn)定，錨桿錨固力調(diào)整期間，渠道邊坡變形呈飛速發(fā)展隨后趨于穩(wěn)定的趨勢，在2017年10月后，錨桿的群錨效果逐漸發(fā)揮作用，變形發(fā)展逐漸穩(wěn)定，但仍具有周期波動性。

對各測斜管位移峰值進行分析，得到變形測點分區(qū)平面映射，如圖5所示。從圖中可以看出，位移分布在空間上呈不均衡性，且較為明顯。Y+805、Y+835位置處的渠道邊坡變形為最值，獨自形成一個分區(qū)。進一步結(jié)合現(xiàn)場查勘，Y+805位置渠道邊坡在高程155m處存在滑動面，這是由膨脹土渠坡滑移導(dǎo)致的。

圖5 變形測點分區(qū)平面映射

3 變形預(yù)測模型

3.1 指數(shù)平滑法

時間序列模型表示如下：

δ=Tt+St+Rt

(1)

式中：Tt為趨勢項；St為波動項；Rt為隨機項。

該方法以目前時間為起始點，通過分析歷史狀態(tài)預(yù)測未來狀態(tài)，時間越近的數(shù)據(jù)影響越顯著，同時可以避免隨機干擾所帶來的影響，進而開展時間序列分析。預(yù)測變形的精度受加權(quán)系數(shù)影響較為明顯，提高加權(quán)系數(shù)會加快后序列額衰減，加權(quán)系數(shù)合理取值范圍在0.1-0.3，當(dāng)加權(quán)系數(shù)取0.2時，預(yù)測結(jié)果最精準。

該渠道所在區(qū)域淺部土層活動顯著，以2016年6月—2018年11月期間觀測點805-3-m位置處表明位移峰值為例，對該處位移進行預(yù)測分析。圖6給出了指數(shù)平滑法分離得到的波動項和趨勢項和實測值。如圖所示，對渠道進行錨桿加固后，渠道邊坡位移首先加速增大，隨著錨桿錨固力的提升，渠道邊坡位移增長逐漸趨于平緩。

圖6 指數(shù)平滑法分離得到的波動項和趨勢項和實測值

3.2 自回歸移動平均模型預(yù)測

自回歸移動平均模型，同樣是通過歷史狀態(tài)預(yù)測未來狀態(tài)，AR和MA分別表示自回歸和移動平均模型，該模型的表達式為：

(2)

式中：d為階數(shù)(讓序列平穩(wěn)的差分次數(shù))；d為>0的整數(shù)，通常情況<2；L表示滯后算子；εt為白噪聲序列；φi為自回歸系數(shù)，1≤i≤p，i為整數(shù)，p為自回歸項；θi為移動系數(shù)，1≤i≤q，i為整數(shù)；q為移動平均項數(shù)；Xt為隨機變量。

利用該模型進行變形預(yù)測時，時間序列必須得平穩(wěn)，若時間序列不平穩(wěn)，則需進行處理使其平穩(wěn)。同樣以2017年6月至2019年11月期間觀測點805-3-m位置處表明位移峰值為例建立ARIMA模型，未驗證模型的正確性，通過10階交叉檢驗進行驗證；確定所建立的模型的階數(shù)d；建立ARIMA(1,2,2)模型，殘差為白噪聲，同樣進行10階交叉檢驗，從而對變形進行預(yù)測。其中，模型訓(xùn)練階段的平均絕對誤差值為0.195，模型預(yù)測階段的平均絕對誤差為0.462，模型訓(xùn)練階段的平均絕對百分比誤差值為0.262，模型預(yù)測階段的平均絕對誤差平均絕對百分比誤差值為0.637。圖7給出了實測值、模型預(yù)測值和擬合值。

圖7 實測值、模型預(yù)測值和擬合值

3.3 多因素非線性回歸模型

進一步建立觀測點805-3-m在2017年6月至2019年11月期間的多元非線性回歸模型。選取時效、地下水位、日均氣溫、有效降雨量、渠道水位等敏感因素，R2=0.908(模型復(fù)相關(guān)系數(shù))，模型訓(xùn)練階段的平均絕對誤差值為0.923，模型預(yù)測階段的平均絕對誤差為2.830，模型訓(xùn)練階段的平均絕對百分比誤差值為1.022，模型預(yù)測階段的平均絕對誤差平均絕對百分比誤差值為3.150。圖8給出了不同影響因素對渠道邊坡位移的影響程度。從圖中可以看出，當(dāng)采取錨桿加固后，時效為渠道邊坡變形的主導(dǎo)因素，溫度、降雨量和地下水位為渠道邊坡變形次影響因素，渠道水位對渠道邊坡變形影響最小。因此，在溫度、降雨量和地下水位已知的基礎(chǔ)上，構(gòu)建渠道邊坡變形的多因素非線性回歸函數(shù)，可建立變形預(yù)測模型。

綜上所示，指數(shù)平滑法適用于對加固處理后渠道變形初期的波動性和趨勢性進行分析，而自回歸移動平均模型和多因素非線性回歸模型，可渠道變形進行預(yù)測，同時能獲得不同影響因素的影響程度。

圖8 不同影響因素對渠道邊坡位移的影響程度

4 結(jié) 論

文章以渠道邊坡為例，基于對采取錨桿加固后的渠道邊坡變形監(jiān)測結(jié)果，分析渠道邊坡變形規(guī)律，結(jié)合預(yù)測模型，對渠道邊坡變形進行預(yù)測。得到以下結(jié)論：

1)受氣溫、降雨等不同因素的影響，渠道邊坡變形規(guī)律復(fù)雜，如不隔絕溫度、降雨、地下水位等影響，運營期的渠道存在滑坡風(fēng)險；

2)通過錨桿、排水孔對渠道進行加固后，渠道邊坡變形前期變化顯著，隨后變形趨于穩(wěn)定，可見所采取的加固措施效果顯著；

3)指數(shù)平滑法適用于對加固處理后渠道變形初期的波動性和趨勢性進行分析，而自回歸移動平均模型和多因素非線性回歸模型，可渠道變形進行預(yù)測，同時能獲得不同影響因素的影響程度。