大型堤壩防洪可靠性分析

梁永樂

(廣州市水務科學研究所，廣東 廣州 510230)

大型堤壩為水土保持、防洪以及安全生產(chǎn)帶來了可觀的收益。目前，對堤壩結構實際測量性態(tài)的研究主要借助工程經(jīng)驗來進行[1- 3]，而且這個過程是基于單個測點，針對單個項目，通過獲得實測效應量建立起來的單測點數(shù)學模型，主要包括統(tǒng)計模型、確定性模型和混合模型3種類型[4- 8]。該單測點數(shù)學模型在現(xiàn)有的安全監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，然而由于單測點數(shù)學模型主要反映工程某一部位單個測點的結構狀態(tài)，在整體結構狀態(tài)的反饋方面仍存在局限[9- 11]。因此，只有通過整體地綜合比較、分析和評價，才能真正對堤壩結構的性態(tài)做出確鑿、合理、真實的評價[12- 15]。

本文以廣東省某大型堤壩為例，通過模糊綜合評價法對該堤進行了綜合安全評價，做到了定量與定性相結合，并確定了堤壩等級和分類，為類似堤壩安全評價提供一種方法。

1 工程概況

國內(nèi)某大型堤壩位于南沙區(qū)南沙街南部(如圖1所示)，北以莞佛高速為界，南臨鳧洲水道、蕉門水道，東臨獅子洋，西接慧谷西組團。本次慧谷片區(qū)超級堤工程屬蕉東聯(lián)圍一部分，位于慧谷東組團南側臨蕉門水道、鳧洲水道處，沿岸現(xiàn)有堤頂高程為8.00～8.60m，堤內(nèi)現(xiàn)為城區(qū)及工廠，工程區(qū)北面為黃山魯森林公園，山頂高程約為270m，山體呈北東西向走向，西面為蕉門水道，地形北高南低。

圖1 大型堤壩位置圖

該堤處亞熱帶季風氣候區(qū)，屬亞熱帶季風海洋氣候，由于背山面海，海洋性氣候顯著，氣候溫和潮濕，具有溫暖多雨、光熱充足、溫差較小、夏季長等氣候特征。南沙區(qū)為臺風影響區(qū)，臺風一般發(fā)生在7—9月，根據(jù)1959—1998年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，造成影響的臺風有115次，年均受影響的次數(shù)2.85次，最多為5次/a。臺風最大風力在9級以上，并帶來暴雨，破壞力極大。

根據(jù)平面地質(zhì)測繪及鉆探資料，場區(qū)地層自上而下為:第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層、第四系上更新世沖積層及奧陶紀二長花崗巖。堤身填土主要為回填砂質(zhì)粘土、粘土及回填砂卵礫土，灰黃色、褐黃色，填筑不均一，其中填筑厚度1.20～4.70m，層底高程4.30～5.40m，層頂高程6.00～9.00m；填筑厚度2.70～5.20m，層底高程2.30～6.00m，層頂高程2.70～5.20m。根據(jù)地勘報告提供的壩基允許承載力，各種地層均可滿足本壩系建筑土壩的要求；在滲透方面，由于壩系沒有水利任務，對滲透水量不要求嚴格控制，但要注重防止?jié)B透變形。

圖2 壩體安全評價的遞階層次結構圖

2 可靠性評價方法

2.1 評價體系

在對防洪堤壩安全評價的過程中，由于影響土壩安全狀態(tài)的因素非常多，同時，評價過程中有很多不確定性的因素。因此本文充分調(diào)查和研究國內(nèi)及國外關于土壩安全評價的現(xiàn)狀，選用基于層次分析法的模糊數(shù)學理論。要得到堤壩的安全狀態(tài)或等級的評價結論，首先對影響土壩安全狀態(tài)的內(nèi)在因素進行安全評價指標因素的分析，這些因素包括物理與邏輯上的相互關系，除此之外還要遵循一定的選擇原則，并綜合考慮實際工程經(jīng)驗和相關理論規(guī)范，從整體的角度出發(fā)確定各個層次的指標因素。通過綜合各因素來構建矩陣，從而建立起土壩安全綜合評價結構體系，如圖2所示。在評價體系建立之后，要逐層進行安全判斷并將結果綜合，使待解的問題層次化。繼而加以解決，得出最終的綜合的可靠的安全評價結果。

借助于層次分析方法并結合堤壩建設與管理運行的特點，首先將與防洪壩系安全有關的各種因素條理化層次化，選取影響防洪壩系的因素，構造出一個樹狀結構的層次結構模型。

2.2 評價集

在具體實施過程中，當我們在對堤壩安全狀態(tài)做出評價時，首先對所提出的評價指標因素進行評價，并給出這些因素的優(yōu)缺點。我國將壩體的安全分為A、B、C 3類，通過具體的分類可以對堤壩安全評價進行鑒定，并將結果作為土壩除險加固的依據(jù)。將這種方法應用到具體實際中時，要求壩體管理者對堤壩當前的安全性態(tài)有充足的動態(tài)的掌握以及對堤壩安全狀態(tài)做出更精準的判斷?；谶@些考慮，在對堤壩進行安全評價時，根據(jù)具體情況，將堤壩的安全標準劃分為5個不同等級，即將安全標準評價集分為5級，見表1。

表1 評價等級對應表

2.3 評價準則

2.3.1工程質(zhì)量評價

工程質(zhì)量評價從水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件出發(fā)，通過以下2個方面進行:①檢查工程的實際施工質(zhì)量是否符合國家現(xiàn)行的相關規(guī)范；②檢查工程投入使用運行以來實際實施狀況以及質(zhì)量變化。借此來考察其能否保證工程的安全運行。在這個過程中，對于土壩工程質(zhì)量的評價則主要包括壩基及岸坡、防滲和護坡2個方面。

2.3.2堤壩運行管理評價

對堤壩進行運行管理主要是為了在對堤壩進行安全鑒定時，評價結果能夠提供給我們堤壩運行時的性狀等方面的基礎資料，在具體實施過程中，其主要評價的內(nèi)容包括調(diào)度管理、檢查監(jiān)測、定期巡檢、養(yǎng)護修理。

2.3.3防洪標準評價

對于堤壩而言，防洪是一項重要的工作，需要掌握大量的水文資料，包括堤壩設計階段通過計算所得的洪水以及運行期間延長的水文資料。鑒于堤壩建成后各項活動的影響和堤壩工程狀況隨時間的推移會出現(xiàn)的種種問題，需要進行洪水調(diào)節(jié)及復核計算，綜合考慮上述因素，對堤壩抗洪能力的工程狀況進行評價。除此之外，考慮到建壩后各種活動的影響以及隨時間的推移堤壩的工程現(xiàn)狀，需要進行設計洪水調(diào)洪和復核的計算，通過綜合考慮上述因素評價堤壩抗洪能力的工程效果，從結果上看防洪壩現(xiàn)狀是否滿足國家現(xiàn)行規(guī)范的要求。換句話說就是最大泄流量能否安全下泄，對于這一指標的評價主要包括防洪能力與泄洪能力2個方面。

2.3.4結構安全評價

在實際過程中，壩體的結構安全評價指的是，通過復核計算出堤壩靜力條件下的狀態(tài)是否滿足國家現(xiàn)行規(guī)范要求。除常規(guī)狀況，當遭遇地震類似震動狀況時，我們需要對堤壩的結構進行抗震安全復核。

2.3.5滲流安全評價

滲流安全對大壩的安全而言是潛在的巨大影響因素，滲流破壞是影響土壩安全的主要原因之一。滲流安全性評價就是通過復核堤壩滲流條件，保證堤壩按設計的條件安全運行，這些滲流條件包括原設計施工的滲流控制措施，以及實際滲流狀態(tài)。滲流安全性評價內(nèi)容包括以下幾個方面： ①反濾排水設施是否完善，設計施工是否滿足現(xiàn)行有關的規(guī)范和要求，防滲設施是否健全；②從壩體歷史角度看，了解過去檢查過程中發(fā)現(xiàn)的問題是否對壩體安全造成影響；③通過對堤壩防滲性能和反濾排水條件的分析，預測未來高水位堤壩的滲流安全性；④對于那些已經(jīng)出現(xiàn)了問題的堤壩，需要分析其產(chǎn)生的原因和可能帶來的危害。在防洪壩系的實際應用中，我們主要是對以下幾個指標因素進行了分析研究，包括出逸點、位勢、壩體滲透水壓力與下游排水設施。

2.4 評價權重

首先根據(jù)前人的研究總結及專家的意見，結合對土壩安全評價目標的觀點，設計專家打分表，以Excel表格形式展現(xiàn)出來。然后找專家打分，要求專家長期在堤壩安全評價領域工作并非常熟悉防洪壩系，打分的方式則采用背靠背單獨打分，打分完成后，將打分成果匯總然后進行分析。最后采用層次分析法，計算得出評價權重。

3 可靠性分析應用

3.1 影響因素指標權重

通過矩陣計算得到影響土壩安全的各因素指標的權重，通過匯總后其權重系數(shù)見表2。

表2 權重表

從表2我們可以看出，工程質(zhì)量、結構安全、運行管理這3個指標所占的權重比較大，符合實際情況。并且5大影響指標里的各個影響因素所占的權重結果也是比較理想的。

3.2 壩體安全等級

采用模糊綜合評價法把評判指標因素集作為評判的結果，具體反映了防洪壩安全等級或者狀態(tài)。縱坐標表示隸屬度，在各評價等級下各個影響因素的安全等級分布狀態(tài)，通過計算得出的土壩安全評價等級柱狀圖如圖3所示。

圖3 壩體安全評價等級

通過模糊綜合評價決策法判定該防洪壩系工程項目的安全狀態(tài)等級屬于B級，結果表明，土壩基本正常，安全狀況良好，建議對高水位下堤壩安全狀態(tài)加強監(jiān)測，確保工程安全運行以及經(jīng)濟效益和社會效益的最大化。采用構建的評價體系模型得出的結果與實際的土壩現(xiàn)狀進行對比分析，進一步驗證且修正了模型的可靠性。

4 結論

結合廣東某大型堤壩的工程實際，對堤壩工程實例進行了安全綜合評價系統(tǒng)技術的研究。在綜合掌握了國內(nèi)外關于模糊綜合評價技術研究的現(xiàn)狀下，提出了適合于該防洪堤壩安全綜合評價的模型和方法，并簡要開發(fā)適用于土壩安全綜合評價的模型。通過對堤壩安全現(xiàn)狀進行安全評價和分析，該堤壩安全綜合評價的系統(tǒng)理論模型和方法有效，為以后其他類似堤壩的安全評價提供了良好的評價支持。