王 碩

(宿州市水利水電建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)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(yùn)行是保障運(yùn)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(cè)問(wèn)題已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。陳生水等以某膨脹土邊坡為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)手段對(duì)膨脹土的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并總結(jié)了其長(zhǎng)期強(qiáng)度變形特性[1]。程展林等以某膨脹土邊坡工程為背景，通過(guò)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(yáng)膨脹土渠道為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料分析了南陽(yáng)膨脹土渠道滑坡的破壞特征，進(jìn)一步利用PLAXIS 3D有限元軟件建立渠道模型，對(duì)膨脹土渠道演化機(jī)制進(jìn)行研究[3]。鄭東健等以某實(shí)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(shí)變預(yù)測(cè)模型，并將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與多因素時(shí)變預(yù)測(cè)模型的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性。何少其等以庫(kù)岸堆積層滑坡作為研究對(duì)象，分析了滑坡位移的分量響應(yīng)模式，并通過(guò)多因子模型對(duì)滑坡變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)[5]。文章以某引水渠道邊坡為例，基于對(duì)采取錨桿加固后的渠道邊坡變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析渠道邊坡變形規(guī)律，并結(jié)合不同預(yù)測(cè)模型，對(duì)渠道邊坡變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 工程簡(jiǎn)介與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

文章研究的膨脹土調(diào)水工程全長(zhǎng)共計(jì)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(wèn)題。渠道在樁號(hào)Y+740-Y+860段為中膨脹土，左側(cè)渠道開(kāi)挖深度范圍為33-38m，渠道底部的寬度為13m，過(guò)水?dāng)嗝孢吰缕露葹?∶3；一級(jí)馬道每隔6m設(shè)置一道，寬度為5m。用水泥改性土換填整個(gè)渠道，其中馬道換填厚度為1.0m，過(guò)水?dāng)嗝鎿Q填厚度為1.5m。橫斷面圖見(jiàn)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(guò)水?dāng)嗝娌迦敕綐?，一?jí)馬道以上斷面不設(shè)置其他抗滑樁。2016年5月，二級(jí)馬道排水溝的內(nèi)側(cè)壁產(chǎn)生了傾斜位移；三級(jí)馬道排水溝產(chǎn)生了斷裂、沉降；三、四級(jí)馬道的混凝土拱圈發(fā)生連續(xù)開(kāi)裂，并且裂縫尺寸存在進(jìn)一步變大的趨勢(shì)，渠道出現(xiàn)淺層滑移現(xiàn)象。

勘察結(jié)果顯示：Y+840的三級(jí)渠坡和Y+800的三級(jí)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(dòng)變形。

為保證渠道運(yùn)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(cè)儀器、錨桿加固、增設(shè)排水管。三級(jí)渠道邊坡按3m縱向間距布置3排錨桿，錨桿呈矩形，設(shè)計(jì)錨固力為100kN，鎖定錨固力>50kN。安全監(jiān)測(cè)儀器主要有滲壓計(jì)、測(cè)斜管等，測(cè)斜管的埋置深度范圍為22-32m，圖2給出了滲壓計(jì)和測(cè)斜管的布置圖。對(duì)于圖中測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)的含義，805-3測(cè)點(diǎn)定義為805樁斷面上3級(jí)馬道的。

2017年3月的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，所采取的應(yīng)急措施對(duì)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(jí)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?biāo)鞣较蛏系腻^桿間距為4.0m，設(shè)計(jì)錨固力為120kN，鎖定錨固力>100kN。對(duì)新加固后的渠道邊坡變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

圖2 給出了滲壓計(jì)和測(cè)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(lèi)分別簡(jiǎn)稱(chēng)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(kāi)展分層聚類(lèi)能更加的表述變量間關(guān)系，簡(jiǎn)稱(chēng)HCPC法。采用該法對(duì)渠道邊坡變形進(jìn)行分析。選取新加固后的渠道邊坡變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(2017年6月—2020年5月)。圖3給出了各測(cè)斜管表面測(cè)點(diǎn)位移過(guò)程線(xiàn)，圖4給出了渠段環(huán)境量過(guò)程線(xiàn)。測(cè)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(guān)測(cè)地下水位和測(cè)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(cè)斜管表面測(cè)點(diǎn)位移過(guò)程線(xiàn) 圖4 渠段環(huán)境量過(guò)程線(xiàn)

從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)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(jí)和四級(jí)馬道同時(shí)產(chǎn)生變形，兩者變形趨勢(shì)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(jí)和三級(jí)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(shì)，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(dòng)性。

對(duì)各測(cè)斜管位移峰值進(jìn)行分析，得到變形測(cè)點(diǎn)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(dú)自形成一個(gè)分區(qū)。進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查勘，Y+805位置渠道邊坡在高程155m處存在滑動(dòng)面，這是由膨脹土渠坡滑移導(dǎo)致的。

圖5 變形測(cè)點(diǎn)分區(qū)平面映射

3 變形預(yù)測(cè)模型

3.1 指數(shù)平滑法

時(shí)間序列模型表示如下：

δ=Tt+St+Rt

(1)

式中：Tt為趨勢(shì)項(xiàng)；St為波動(dòng)項(xiàng)；Rt為隨機(jī)項(xiàng)。

該方法以目前時(shí)間為起始點(diǎn)，通過(guò)分析歷史狀態(tài)預(yù)測(cè)未來(lái)狀態(tài)，時(shí)間越近的數(shù)據(jù)影響越顯著，同時(shí)可以避免隨機(jī)干擾所帶來(lái)的影響，進(jìn)而開(kāi)展時(shí)間序列分析。預(yù)測(cè)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(huì)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(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果最精準(zhǔn)。

該渠道所在區(qū)域淺部土層活動(dòng)顯著，以2016年6月—2018年11月期間觀(guān)測(cè)點(diǎn)805-3-m位置處表明位移峰值為例，對(duì)該處位移進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。圖6給出了指數(shù)平滑法分離得到的波動(dòng)項(xiàng)和趨勢(shì)項(xiàng)和實(shí)測(cè)值。如圖所示，對(duì)渠道進(jìn)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(zhǎng)逐漸趨于平緩。

圖6 指數(shù)平滑法分離得到的波動(dòng)項(xiàng)和趨勢(shì)項(xiàng)和實(shí)測(cè)值

3.2 自回歸移動(dòng)平均模型預(yù)測(cè)

自回歸移動(dòng)平均模型，同樣是通過(guò)歷史狀態(tài)預(yù)測(cè)未來(lái)狀態(tài)，AR和MA分別表示自回歸和移動(dòng)平均模型，該模型的表達(dá)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(xiàng)；θi為移動(dòng)系數(shù)，1≤i≤q，i為整數(shù)；q為移動(dòng)平均項(xiàng)數(shù)；Xt為隨機(jī)變量。

利用該模型進(jìn)行變形預(yù)測(cè)時(shí)，時(shí)間序列必須得平穩(wěn)，若時(shí)間序列不平穩(wěn)，則需進(jìn)行處理使其平穩(wěn)。同樣以2017年6月至2019年11月期間觀(guān)測(cè)點(diǎn)805-3-m位置處表明位移峰值為例建立ARIMA模型，未驗(yàn)證模型的正確性，通過(guò)10階交叉檢驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)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(jìn)行10階交叉檢驗(yàn)，從而對(duì)變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。其中，模型訓(xùn)練階段的平均絕對(duì)誤差值為0.195，模型預(yù)測(cè)階段的平均絕對(duì)誤差為0.462，模型訓(xùn)練階段的平均絕對(duì)百分比誤差值為0.262，模型預(yù)測(cè)階段的平均絕對(duì)誤差平均絕對(duì)百分比誤差值為0.637。圖7給出了實(shí)測(cè)值、模型預(yù)測(cè)值和擬合值。

圖7 實(shí)測(cè)值、模型預(yù)測(cè)值和擬合值

3.3 多因素非線(xiàn)性回歸模型

進(jìn)一步建立觀(guān)測(cè)點(diǎn)805-3-m在2017年6月至2019年11月期間的多元非線(xiàn)性回歸模型。選取時(shí)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(duì)誤差值為0.923，模型預(yù)測(cè)階段的平均絕對(duì)誤差為2.830，模型訓(xùn)練階段的平均絕對(duì)百分比誤差值為1.022，模型預(yù)測(cè)階段的平均絕對(duì)誤差平均絕對(duì)百分比誤差值為3.150。圖8給出了不同影響因素對(duì)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(shí)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(duì)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(xiàn)性回歸函數(shù)，可建立變形預(yù)測(cè)模型。

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

圖8 不同影響因素對(duì)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(duì)采取錨桿加固后的渠道邊坡變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析渠道邊坡變形規(guī)律，結(jié)合預(yù)測(cè)模型，對(duì)渠道邊坡變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。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(yùn)營(yíng)期的渠道存在滑坡風(fēng)險(xiǎn)；

2)通過(guò)錨桿、排水孔對(duì)渠道進(jìn)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(jiàn)所采取的加固措施效果顯著；

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