李 益，蔡 新，3，徐錦才，李洪煊，戴雙喜

(1.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; 2.河海大學力學與材料學院，江蘇南京 210098;3.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098; 4.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州 310012;5.南京市市政設(shè)計研究院，江蘇南京 210008)

擋水建筑物是水電站主要組成部分之一，其安全性直接影響水電站的正常運行，對水電站擋水建筑物進行安全風險評估尤為重要.土石壩是水電站擋水建筑物中應(yīng)用最廣泛的一種壩型，因而對土石壩進行安全風險評估是重中之重.土石壩除險加固和失事實例表明，洪水漫頂、滑坡失穩(wěn)和滲透變形是土石壩的主要破壞模式[1-3].傳統(tǒng)的土石壩安全評估中，單獨對洪水漫頂、滑坡失穩(wěn)、滲透變形3項進行可靠度計算，得出三者的安全水平，并沒有評估土石壩整體的安全風險，尋求一種能有效評價土石壩整體安全性的方法是亟待解決的問題.結(jié)構(gòu)的荷載和抗力在設(shè)計基準期內(nèi)隨時間變化，土石壩安全的主要影響因素是動態(tài)變化的，土石壩安全性具有明顯的時變特征，考慮時變效應(yīng)的土石壩安全風險評價更加科學、合理.

本文在總結(jié)、分析大量調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，歸納了影響土石壩整體安全的主要因素，構(gòu)建了以洪水漫頂、滑坡失穩(wěn)、滲透變形和管理不當為基本要素的土石壩安全風險評價指標體系，研究、提出了土石壩安全風險綜合評判模型，并初步探討了洪水漫頂、滑坡失穩(wěn)和滲透變形的時變效應(yīng)對土石壩整體安全風險的影響.

1 土石壩安全風險評價指標體系

水利部農(nóng)村電氣化研究所通過現(xiàn)場調(diào)研并對調(diào)查資料的統(tǒng)計分析得出導致小水電站土石壩失事的主要原因有洪水漫壩、壩體失穩(wěn)、滲透變形破壞和管理不當.進一步分析以上原因，得到影響土石壩安全的主要因素有:洪水漫頂、上游滑坡失穩(wěn)、下游滑坡失穩(wěn)、管涌、流土、接觸沖刷、接觸流失、運行時間、安全檢測和維護加固等.

在對土石壩安全影響因素分析基礎(chǔ)上，以安全風險評價指標選取的規(guī)范性、科學性、全面性、層次性、獨立性和可行性為基本原則，以土石壩整體安全性為總目標，將總目標分解為滲透、漫壩、穩(wěn)定、管理4項子目標，每項子目標再分解成若干基礎(chǔ)指標，構(gòu)造出多層次、多目標的土石壩安全風險綜合評價指標體系，如表1所示.

表1 土石壩安全風險評價指標體系Table 1 Safety risk assessment model for earth-rock dams

2 土石壩安全風險綜合評價方法

2.1 安全風險評價方法

評價結(jié)構(gòu)安全風險的方法總體可以歸結(jié)為三大類:定性評價法、定量評價法和綜合評價法.定性評價法(如專家評判法、加權(quán)評分法)主要用于指標的非定量化評估，操作簡單、快捷，但帶有人為的主觀成分;定量評價法(如可靠度計算法、安全系數(shù)法、有限元計算法)可計算出指標的具體評估值，但實際應(yīng)用范圍有限;綜合評價法由于兼有前兩者的優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用.

本文引入模糊數(shù)學理論，采用綜合評價法對土石壩系統(tǒng)進行安全風險評估，采用層次分析法來確定各指標體系的權(quán)重.

2.2 基礎(chǔ)指標失效概率計算方法

基礎(chǔ)指標根據(jù)其特性可分為定性指標和定量指標[4].本文將各基礎(chǔ)指標分為A，B，C，D 4個等級，每個等級對應(yīng)相應(yīng)的安全級別和失效概率范圍如表2所示.對于定性指標，由于其模糊性和非定量化的特點，可先由多位專家綜合定出其指標等級，再在其指標級別對應(yīng)的失效概率范圍內(nèi)確定指標的失效概率;對于定量指標，可以通過可靠度計算等方法計算出其失效概率[5-10]，也可以采用與定性指標相同的方法進行計算.

表2 基礎(chǔ)指標等級Table 2 Level of basic indices

2.3 土石壩安全風險計算方法

確定各指標權(quán)重系數(shù)以及各基礎(chǔ)指標的失效概率后，就可以構(gòu)建土石壩安全風險綜合評價模型如下:

式中:Pfm——第m個子目標的失效概率;Am，Tm——第m個子目標下基礎(chǔ)指標的權(quán)重系數(shù)矩陣和失效概率列陣;k——第m個子目標下基礎(chǔ)指標的個數(shù);PF——土石壩整體安全失效概率;B，P——子目標的權(quán)重系數(shù)矩陣和失效概率列陣.

3 考慮時變效應(yīng)的安全風險評價模型

3.1 時變效應(yīng)下土石壩安全風險評價模型

影響土石壩安全的主要因素在其生命周期內(nèi)隨時間動態(tài)變化，由于這種變化是趨劣性的，導致土石壩整體安全性降低、風險增大，土石壩安全風險具有明顯的時變效應(yīng).考慮時變效應(yīng)后，土石壩安全風險綜合評判模型可表示為

式中:Pfmt——時間為t時第m個子目標的失效概率;Amt，Tmt——時間為 t時第m個子目標下基礎(chǔ)指標的權(quán)重系數(shù)矩陣和失效概率列陣;k——第m個子目標下基礎(chǔ)指標的個數(shù);PFt——時間為 t時土石壩整體安全失效概率;Bt，Pt——時間為t時子目標的權(quán)重系數(shù)矩陣和失效概率列陣.

3.2 土石壩安全風險時變效應(yīng)

一般情況下，失效概率隨時間變化是一維或多維的隨機非平穩(wěn)過程，很難具體地表示其時間變化函數(shù).因此，本文采用較為簡單的隨機過程模型進行模擬，即:

式中:Pft——時間為t時土石壩指標的失效概率;t0——土石壩完建時間;Pft0——土石壩完建時某項指標的失效概率;φijt——時間為t時指標的衰減程度.

本文主要考慮壩頂高程的改變引起土石壩漫壩風險、壩坡失穩(wěn)的時變效應(yīng)以及土體滲透率的變化導致土石壩滲透的時變效應(yīng)對土石壩整體安全性的影響.因此作如下假定:

a.假定大壩設(shè)計基準期以50a計，沉降穩(wěn)定時總沉降量按原始壩高的1%計算，衰減函數(shù)取為冪形式[11]，則構(gòu)造出的大壩壩高衰減函數(shù)為

式中:αt——時間為t時大壩壩高衰減程度;t——大壩運行時間，a.

b.在分析土石壩滲透時變效應(yīng)時，以土體滲透率k反映土體的滲透特性，k值越大，說明土體越容易發(fā)生滲透破壞.在滲流過程中，土體滲透率與時間之間存在反正切函數(shù)變化關(guān)系[12-13].由此構(gòu)造土體滲透率時變函數(shù):

式中:kt——時間為 t時大壩土體滲透率;k0——大壩建成時土石壩土體滲透率.

其他影響因素的衰減函數(shù)國內(nèi)外研究尚少，本文暫不予考慮.

4 實例分析

某水庫大壩是一座集發(fā)電、防洪、供水、旅游為一體的綜合性大(Ⅰ)型水利樞紐工程.水庫正常高水位185.00m，死水位165.00m.千年一遇設(shè)計洪峰流量6640m3/s，設(shè)計洪水位188.10m，萬年一遇校核洪峰流量8700m3/s，校核洪水位189.50m.大壩為黏土心墻和混凝土心墻相結(jié)合的土石壩，最大壩高70.40m，壩長425.00m，壩頂高程190.40m.

洪水漫頂及上、下游滑坡失穩(wěn)3項基礎(chǔ)指標按定量指標分析，通過Visual Basic語言編程計算出其相應(yīng)的失效概率;其他基礎(chǔ)指標按定性指標分析，通過專家評定其安全級別，然后在安全級別對應(yīng)的失效概率范圍內(nèi)選擇其失效概率;各級指標的權(quán)重由專家給出指標的判斷矩陣，利用層次分析法計算得出.結(jié)合表1所示的大壩安全風險評價指標體系，最終得到整個水庫大壩的整體失效概率，計算成果如表3所示.考慮大壩漫壩、壩坡失穩(wěn)以及大壩滲透的時變效應(yīng)對土石壩整體安全性的影響，得到土石壩整體安全的時變效應(yīng)，如圖1所示.

表3 大壩安全風險評價結(jié)果Table 3 Results of dam safety risk assessment

由表3可知:該大壩整體安全失效概率為96.53×10-6，對應(yīng)的可靠度約為3.73，由表2及規(guī)范[14]可知大壩整體是安全的;對基礎(chǔ)指標進行敏度分析得出，洪水漫頂和下游滑坡失穩(wěn)兩項的權(quán)重系數(shù)占總體權(quán)重的比重較大，在對大壩進行加固維修時應(yīng)首先考慮這兩項的加固措施.

由圖1可得:該土石壩整體安全失效概率隨時間逐漸增大，從96.53×10-6增加到121.14×10-6，相應(yīng)的可靠度由3.73降低到3.67;在完建后5a內(nèi)，大壩整體安全失效概率隨時間增長較快;5a后，失效概率隨時間增長逐漸變緩、趨于穩(wěn)定.說明在土石壩剛完建的幾年內(nèi)，大壩整體安全性不太穩(wěn)定.

圖1 大壩安全風險時變效應(yīng)Fig.1 Time-varying effect of dam safety risk

該水庫大壩于1974年完成混凝土防滲墻的加固施工，1993年完成大壩灌漿防滲施工.檢測資料表明:加固完成后，壩頂存在沉陷現(xiàn)象，經(jīng)回填、壓實黏土后壩頂沉陷趨勢趨于緩和;當防洪限制水位控制在185.00m時，大壩防洪滿足設(shè)計要求;大壩在高庫水位下未出現(xiàn)浸潤線溢出現(xiàn)象，大壩滲流處于安全狀態(tài).與大壩安全現(xiàn)狀比較可知，計算所得結(jié)果能較好地反映出該大壩安全風險狀態(tài)，模型是可行、有效的.

5 結(jié) 語

本文用結(jié)構(gòu)安全風險分析方法取代了傳統(tǒng)的安全系數(shù)法，對土石壩安全風險進行綜合評價，考慮漫壩、滲透、穩(wěn)定和管理對于大壩整體安全性的影響，建立了土石壩安全風險綜合評價模型.土石壩安全主要影響因素具有時變特性，其整體安全性隨時間動態(tài)變化，評估土石壩安全風險時考慮時變效應(yīng)更加合理、科學.本文僅對土石壩安全風險綜合評價方法及其時變效應(yīng)做了初步的研究探討，考慮更多復雜因素時變作用下的土石壩安全綜合評價模型是下一步的研究方向.

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