海堤安全評價指標體系的構(gòu)建及應(yīng)用

謝 婕,龔 政,陳永平,陸 倩,李江夏

(1.河海大學海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點實驗室,江蘇南京 210098; 3.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098; 4.上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司,上海 200061)

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海堤安全評價指標體系的構(gòu)建及應(yīng)用

謝 婕1,龔 政2,陳永平3,陸 倩4,李江夏1

(1.河海大學海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點實驗室,江蘇南京 210098; 3.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098; 4.上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司,上海 200061)

摘要:針對海堤破壞的特點,從漫堤、潰堤兩方面入手,歸納各破壞形式下海堤安全的主要影響因素,運用層次分析法建立海堤安全風險評估指標體系。結(jié)合我國海堤工程的設(shè)計特點,依據(jù)SL435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》,采用模糊數(shù)學中求解隸屬度的方法對指標進行量化,并將海堤安全風險評估指標體系應(yīng)用于浙江臺州某海堤堤段,對該堤段的漫堤、潰堤風險分別作出評價。結(jié)果表明:研究堤段滿足50年一遇的設(shè)計標準;所構(gòu)建海堤安全評價指標體系可用于海堤的漫堤及潰堤風險評估。

關(guān)鍵詞:海堤;潰堤;漫堤;安全評價;層次分析法;模糊數(shù)學;隸屬度

海堤是沿海地區(qū)重要的防潮防浪屏障,可有效地抵御風暴潮等海洋自然災(zāi)害,保障沿海地區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全,是沿海地區(qū)經(jīng)濟和社會發(fā)展的生命線[1]。然而,在特大臺風浪、風暴潮作用下,海堤的破壞往往難以幸免,由于風暴潮和臺風浪對海堤的破壞機理比較復(fù)雜,除了與海岸動力有關(guān)外,還與海堤設(shè)計標準、結(jié)構(gòu)形式以及所處的地理位置有直接的關(guān)系。因此,開展臺風浪、風暴潮作用下的海堤安全風險評估研究有著重要的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)階段,國內(nèi)外針對堤防工程安全風險評估開展了不少研究工作,各國的研究結(jié)果主要與其堤防特點有關(guān),例如,日本的堤防工程特點是防洪標準不高,但質(zhì)量較高,能基本保證不出險情,或者即使洪水漫頂也不會潰堤,因而失事風險考慮得不多,主要依據(jù)《河川堤防總檢點手冊》指導堤防工程安全性調(diào)查和評價工作[2];荷蘭的海堤系統(tǒng)由封閉的堤防圈構(gòu)成,同一堤防圈內(nèi)設(shè)防標準均較高,近年來堤防設(shè)計和加固采用可靠性設(shè)計方法,設(shè)有相應(yīng)的風險標準[3-4]。國內(nèi),海堤安全評價借鑒大壩安全評價方法[5-6],主要將定性指標與定量指標相結(jié)合,建立海堤安全綜合安全評價指標體系[1,7-8]。應(yīng)用這種方法時存在兩個問題:一是在對指標進行量化時,其評價值往往依賴于評價者的經(jīng)驗,主觀性較大;二是直接將堤身、堤基材料等作為評價指標,評價指標偏多,且與堤防破壞形式關(guān)聯(lián)度不高。另外,現(xiàn)有的研究大多針對內(nèi)河堤防,海堤工程雖然是堤防工程的一個分支,但其主要以防御臺風浪和風暴潮為主,其所受荷載、堤身結(jié)構(gòu)與內(nèi)河的堤防工程均有區(qū)別。本文從海堤的漫堤、潰堤兩種破壞形式入手,建立海堤安全評價指標體系,對臺風浪、風暴潮作用下的海堤安全風險作出評價。

1 海堤安全評價指標體系

1. 1 評價指標

海堤是一個復(fù)雜的系統(tǒng),影響其安全的因素眾多,在對其進行安全評價時,應(yīng)盡量考慮主要因素。海堤主要有漫堤和潰堤兩種破壞形式,由于引起這兩種破壞的因素不同,應(yīng)分別予以考慮。近年來,我國已漸漸開始采用允許部分越浪的海堤設(shè)計標準,因此,將漫堤的影響因素歸結(jié)為潮位和越浪量。在潰堤方面,以海堤結(jié)構(gòu)的局部或整體破壞為出發(fā)點,將影響因素歸結(jié)為海堤整體穩(wěn)定性、胸墻抗滑和抗傾穩(wěn)定性、滲透穩(wěn)定性、護坡及護腳穩(wěn)定性。具體評價指標包括胸墻抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)、胸墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、整體穩(wěn)定安全系數(shù)、滲透坡降、護坡塊體質(zhì)量以及護腳塊體質(zhì)量。通過對海堤安全影響因素的分析,運用層次分析法[9],針對漫堤和潰堤兩種破壞形式,分別建立海堤安全評價指標體系,如圖1所示。

圖1 海堤安全評價指標體系

1. 2 指標評價標準

由于目前對海堤工程安全評價的研究處于探索階段,尚缺乏海堤工程的安全等級和評價標準,因此,海堤工程安全評價等級的確定主要參照大壩安全評價方法,并結(jié)合海堤工程的實際情況而確定。參照相關(guān)文獻,將海堤安全等級分為4級,分別為安全、較安全、不安全、很不安全[10-11],如表1所示。

表1 指標評價標準

1. 3 指標的度量

由于所建立海堤安全評價指標體系(圖1)中各指標的量綱不相同,因此采用無量綱化方法將各指標的實際值轉(zhuǎn)化為可相互比較的相對值。無量綱化是通過數(shù)學變換來消除指標量綱影響的方法[12-13],是多指標綜合評價中一個必不可少的步驟。指標的無量綱化過程就是求解隸屬度的過程,為簡單起見,選擇直線型無量綱化方法解決指標的可綜合性問題[14]。根據(jù)指標的特性,可以分為正指標、逆指標。正指標,即指標值越大越安全的指標;負指標為指標值越小越安全的指標。根據(jù)海堤安全評價指標體系中各指標的特點可知,胸墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、胸墻抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)、整體穩(wěn)定安全系數(shù)、護坡塊體質(zhì)量、護腳塊體質(zhì)量為正指標,潮位、越浪量以及滲透坡降為逆指標。正指標、逆指標的計算公式分別為

式中:y為指標的評價值;x為指標的實際值;xmax為指標的最大值;xmin為指標的最小值。

由公式(1)(2)可知,要計算指標的評價值,除了需要確定指標的實際值外,還必須確定有量綱指標的優(yōu)劣上下限,亦即各指標的最大值xmax和最小值xmin。下面分別對各評價指標的具體度量方法進行討論。

a.越浪量。參照JTS145—2—2013《海港水文規(guī)范》中8. 2. 4的公式,計算一定的潮位、波浪組合下的平均越浪量。根據(jù)SL435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》中6. 6的規(guī)定,按允許部分越浪標準設(shè)計的海堤,其堤頂面、內(nèi)坡及坡腳均應(yīng)進行防護并按防沖結(jié)構(gòu)要求進行護面設(shè)計。允許越浪量應(yīng)根據(jù)海堤工程的級別、重要程度和護面防護結(jié)構(gòu)形式的抗沖性綜合確定,同時給出了幾種護面結(jié)構(gòu)形式海堤的允許越浪量。因此,可取實際海堤設(shè)計允許越浪量為最小值,以規(guī)范規(guī)定的最大允許越浪量為最大值。

b.潮位。以海堤的設(shè)計高潮位為最小值,以歷史最高潮位為最大值。

c.胸墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)SL 435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》附錄M規(guī)定,按照正常運用條件對胸墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進行核算,以海堤設(shè)計抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為胸墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的最大值,以安全系數(shù)設(shè)計值的90%為最小值。

d.胸墻抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)。與胸墻抗滑類似,按照正常運用條件對胸墻的抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)進行核算,以海堤設(shè)計安全系數(shù)為最大值,以安全系數(shù)設(shè)計值的90%為最小值。

e.整體穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)SL435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》中10. 2. 3規(guī)定,海堤整體抗滑穩(wěn)定可采用瑞典圓弧滑動法計算,抗滑穩(wěn)定計算應(yīng)符合附錄M的規(guī)定,其整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值。類似地,按照正常運用條件對胸墻的整體穩(wěn)定安全系數(shù)進行核算,以海堤設(shè)計的安全系數(shù)為最大值,以安全系數(shù)設(shè)計值的90%為最小值。

f.滲透坡降。根據(jù)SL435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》中10. 1規(guī)定,滲流計算方法可按照GB50286—1998《堤防工程設(shè)計規(guī)范》附錄E,并根據(jù)SL435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》中10. 1. 9和10. 1. 10中允許坡降規(guī)定量化滲透穩(wěn)定的指標。無論是黏性土還是非黏性土,均可以取臨界坡降為最大值,以允許坡降為最小值。

g.護坡塊體質(zhì)量。護坡穩(wěn)定性以護坡塊體質(zhì)量來表征。根據(jù)SL435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》附錄J規(guī)定,對于波浪作用下的單個預(yù)制混凝土異形塊體、塊石的穩(wěn)定質(zhì)量Q可按公式(3)計算,并以此為最大值,以0. 9Q為最小值。

式中:Q為主要護面層的護面體塊、塊石個體質(zhì)量; ρb為預(yù)制混凝土異型塊體或塊石的密度;ρ為水的密度;H為設(shè)計波高;KD為系數(shù);m為坡度。

h.護腳塊體質(zhì)量。護腳穩(wěn)定性以護腳塊體質(zhì)量來表征。根據(jù)SL435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》附錄J規(guī)定,護底塊石的穩(wěn)定質(zhì)量需根據(jù)堤前最大波浪底流速確定,同時規(guī)定了不同的底流速所需的塊石穩(wěn)定質(zhì)量。

根據(jù)SL435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》附錄J中公式計算堤前最大波浪底流速,以同一級別對應(yīng)的塊石質(zhì)量為最大值,以低一流速級別對應(yīng)的塊石質(zhì)量為最小值。

1. 4 權(quán)重的計算

在多指標綜合評價中,權(quán)重確定得是否合理,直接影響到評價結(jié)果的準確性。因此,科學地確定各指標的權(quán)重在多指標綜合評價中起著舉足輕重的作用。早期的堤防工程安全評價研究主要采用構(gòu)建模糊評判矩陣的方法計算權(quán)重系數(shù),然而,該方法在運用中需要通過矩陣的一致性檢驗,由于堤防工程安全問題的復(fù)雜性和人們認識上可能產(chǎn)生的片面性,使得構(gòu)造出的判斷矩陣往往不具有一致性,為此應(yīng)對矩陣進行調(diào)整,使模糊評判矩陣具有一致性[15]。近年來,針對判斷矩陣較難達到一致性的問題,有學者開始采用G1法[14,16],以避免檢驗矩陣的一致性,計算量大幅度減小。本文采用G1法計算權(quán)重系數(shù)。

G1法計算權(quán)重分3個步驟,首先對各指標按照重要性大小排序,進而采用一定的標度方法量化相鄰指標間的相對重要性,最后通過歸一化條件得到各指標的權(quán)重。本文采用乘積標度法[17]量化指標間的相對重要性,即在對指標重要性兩兩比較時,不先劃分過多的等級,而只設(shè)置2個等級,即指標A與指標B的重要性“相同”或“稍微大”,然后以此作為基礎(chǔ)遞進乘積分析,這樣的權(quán)重確定方法具有較大的靈活性。將9/9～9/1標度法、10/10～18/2標度法、指數(shù)標度法中“稍微大”的標度值的平均值(1. 354)作為乘積標度法“稍微大”的標度值。當指標A與指標B之間的重要性用“稍微大”還不足以反映時,可以用n個“稍微大”來反映,則指標A與指標B的相對重要性為1. 354n。對漫堤形式和潰堤形式,各指標的權(quán)重值如下:

在漫堤破壞形式中,主要考慮潮位(F1)和越浪量(F2)的作用,兩者共同控制漫堤破壞的風險,可以認為兩者的重要性相同。因此,潮位和越浪量的權(quán)重為W=(0. 5,0. 5)。

在潰堤破壞形式中,評價指標包括整體穩(wěn)定安全系數(shù)(F3)、滲透坡降(F4)、胸墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(F5)、胸墻抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)(F6)、護坡塊體質(zhì)量(F7)以及護腳塊體質(zhì)量(F8)。一般認為,滲透失穩(wěn)在海堤破壞中較為常見,且往往會引起管涌、垮堤等較為嚴重的破壞;另外,整體滑動失穩(wěn)也是海堤破壞的主要形式之一。胸墻以及護坡、護腳的破壞是海堤局部結(jié)構(gòu)的破壞,有可能進一步引起海堤整體的功能性破壞,但其本身并不會對海堤主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重的破壞;相對于護坡、護腳而言,胸墻對于海堤結(jié)構(gòu)的影響更為顯著,胸墻破壞直接導致越浪量增加,會進一步加劇波浪對于海堤的破壞作用。因此,各指標按重要性排序為F3=F4＞F5=F6＞F7=F8,指標間的相對重要性為:,由歸一化條件,最終得到各指標的權(quán)重為W = (0. 257,0. 257, 0. 140,0. 140,0. 103,0. 103)。

1. 5 綜合評價

根據(jù)海堤工程風險因子組合的分析層次結(jié)構(gòu),由加法合成法得出評價指標體系的安全評價值:

式中:R為海堤安全評價值;ωi為第i個指標的權(quán)重;yi為第i個指標的評價值。據(jù)此,對照表1,得到海堤評價堤段的綜合安全評價等級。

2 實例分析

某海堤位于浙江省臺州市東部新區(qū)圍墾工程區(qū)域的東側(cè),面臨東海。該堤段總長7614. 56 m,西北東南走向,堤線走向為正東方向偏北7°6′47″,北段沿-1. 6～-1. 8 m(采用1985國家高程基準,下同)等高線布置。該堤段建筑物級別為3級,設(shè)計標準為50年一遇高潮位遭遇50年一遇風浪,按允許部分越浪設(shè)計。50年一遇設(shè)計潮位為5. 19 m,100年一遇設(shè)計潮位為5. 58 m,堤前設(shè)計波要素見表2。

表2 研究堤段堤前波要素

圖2 研究堤段斷面示意圖(高程單位:m)

海堤斷面結(jié)構(gòu)(圖2)采用上陡下斜設(shè)消浪平臺的復(fù)合斷面方案,堤頂高程為7. 80m,防浪墻頂高程為8. 60m,迎海坡的平臺高程為4. 50m,迎海面采用四腳空心塊體護面,堤腳處采用大塊石護底。堤身由拋石體以及閉氣土組成,地基土主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土,計算采用2011年8月的最新地質(zhì)勘測資料。

以該堤段為例,計算不同潮位、波高組合下的海堤安全評價值。計算中,只考慮波浪正向入射的情況,取波浪的周期為14. 0 s,波長根據(jù)頻散關(guān)系試算得到。分別建立各指標的隸屬函數(shù)。將各指標的實際值歸一化為各指標的評價值,結(jié)合指標權(quán)重,可得到不同潮位、平均波高組合下海堤漫堤、潰堤的安全評價值,計算結(jié)果分別列于表3和表4,當安全評價值小于0. 5,表示海堤處于很不安全的狀態(tài)。

將表3和表4中的評價值與表1中指標評價標準進行比較,即得到海堤的安全評價等級?？傮w而言,該堤段的漫堤風險較潰堤風險大。漫堤風險方面,當潮位、波高小于50年一遇的標準時,評價值為1或0. 99,此時堤段處于安全狀態(tài);當潮位、波高達到100年一遇的標準時,評價值在0. 5～0. 7之間,堤段處于不安全狀態(tài),堤防將發(fā)生漫堤破壞;當潮位、波高大于100年一遇的標準時,評價值小于0. 5,堤段處于很不安全狀態(tài),堤防的后方保護區(qū)將被嚴重淹沒。潰堤風險方面,當潮位、波高小于100年一遇的標準時,其評價值均大于0. 7,表明堤段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高,可保證不出現(xiàn)較大的險情,但需要進行局部加固;但當潮位、波高大于100年一遇的標準時,評價值小于0. 7,說明在較大的臺風暴潮來臨時,該堤段仍有潰堤的風險,應(yīng)在臺風到來之前重點加固。因此,該堤段的現(xiàn)有狀態(tài)可滿足50年一遇的防潮標準;在100年一遇的潮位、波浪組合下,將會出現(xiàn)漫堤破壞,局部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞,漫堤風險大于潰堤風險?？梢?應(yīng)用本方法得到的海堤安全評價值,在防潮防臺中可為水利部門的防汛決策提供依據(jù)。

表3 海堤漫堤安全評價計算結(jié)果

表4 海堤潰堤安全評價計算結(jié)果

3 結(jié) 語

本文針對海堤的漫堤、潰堤兩種破壞形式,分別建立海堤安全評價指標體系,并討論了各指標的量化方法和權(quán)重計算方法。將已建立的海堤安全風險評估指標體系應(yīng)用于浙江臺州某海堤,對該堤段的漫堤風險、潰堤風險分別作出評價。

本文所建立的評價體系不再以具體的土質(zhì)參數(shù)為指標,將漫堤破壞的評價指標選為潮位以及越浪量,將潰堤破壞的評價指標選為胸墻抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)、胸墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、整體穩(wěn)定安全系數(shù)、滲透坡降、護坡穩(wěn)定安全系數(shù)以及護腳穩(wěn)定安全系數(shù)。該評價指標體系主觀性大幅度減小,可操作性更強,也更符合我國海堤工程的設(shè)計特點。但海堤安全影響因素眾多而且復(fù)雜,本文所建立的海堤安全評價指標體系尚有不完善之處,例如,指標度量中上下限的確定等。因此,未來將收集更多的現(xiàn)場觀測資料,通過評價指標體系和賦值權(quán)重的優(yōu)化,進一步完善海堤安全評價方法。

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Establishment and application of index system for seawall safety assessment

/ / XIE Jie1, GONG Zheng2, CHEN Yongping3, LU Qian4, LI Jiangxia1(1. Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence, Ministry of Education, Hohai Uniυersity, Nanjing 210098, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Coast Ocean Resources Deυelopment and Enυironment Security, Nanjing 210098, China; 3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai Uniυersity, Nanjing 210098, China; 4. Shanghai Water Engineering Design & Research Institute Co. , Ltd. , Shanghai 200061, China)

Abstract:Based on the characteristics of seawall failure, main factors threatening seawall safety are summarized in terms of the two forms of failure, overtopping and breaches. An index system for seawall safety assessment was established based on the analytic hierarchy process (AHP). Based on features of seawall design in China, the membership degree method from fuzzy mathematics was used to quantify every index according to the Code for Design of Sea Dike Project (SL 435—2008). The index system for seawall safety assessment was applied to a seawall in Taizhou, in Zhejiang Province, in order to assess the risks of overtopping and breaches. The results show that this seawall meets the design requirements for a return period of 50 years. The established index system for seawall safety assessment can be used to investigate the risks of overtopping and breaches of other seawalls.

Key words:seawall; seawall breach; seawall overtopping; safety assessment; analytic hierarchy process; fuzzy mathematics; membership degree

(收稿日期:2015 02- 03 編輯:駱超)

通信作者:龔政(1975—),男,教授,博士,主要從事海岸防災(zāi)減災(zāi)及潮灘系統(tǒng)演變等研究。E-mail:gongzheng@ hhu. edu. cn

作者簡介:謝婕(1990—),女,碩士研究生,主要從事海岸防災(zāi)減災(zāi)及潮灘系統(tǒng)演變等研究。E-mail:xiejie_0916@ foxmail. com

基金項目:水利部公益性行業(yè)科研專項(201201045);國家自然科學基金(51379003);新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-12-0841)

DOI:10. 3880/ j. issn. 1006- 7647. 2016. 02. 011

中圖分類號:TV871

文獻標志碼:A

文章編號:1006- 7647(2016)02- 0059- 05