吳為民，董文鼎，黃院生，謝秀棟

（1.福建省水利管理中心，福建 福州 350001；2.福州大學土木工程學院，福建 福州 350001）

0 引言

福建省地處東南沿海，洪、澇、潮、臺風等災害頻繁，興修水利用以防洪、灌溉等功能。截至2019 年，福建省已建水庫合計3665 座，其中，大型水庫21 座，中型水庫188 座，?。ㄒ唬┬退畮?48 座，?。ǘ┬退畮?708 座。土石壩在福建省水庫大壩中所占比例極高，經統(tǒng)計福建省土石壩共有2011 座，占全省水庫總座數(shù)的55%。福建省現(xiàn)有的土石壩多數(shù)修建于上世紀中后期，“三邊”工程特點顯著，特別是對于中小型水庫而言，工程質量差和防洪標準低等出險因素屢見不鮮。

本文采集福建省典型土石壩的出險因素進行統(tǒng)計分析，選取合理的評價指標，構建具有區(qū)域特色的安全評價體系，并計算大壩安全綜合值，定量分析大壩的安全狀態(tài)，使大壩安全鑒定分析更加直觀。

1 土石壩出險因素分析

1.1 福建省土石壩非潰壩出險因素

為了對福建省土石壩進行合理安全評估，選取福建省3座大型水庫、18 座中型水庫、27 座小型水庫，總計48 座水庫先后發(fā)生過的156 宗工程事故進行統(tǒng)計，按照事故的型式，將出險因素分為9 大類和16 小類。9 大類為滲漏、管涌、裂縫、護坡破壞、滑坡塌坑、沖刷破壞、氣蝕破壞、閘門啟閉失控、白蟻打洞及其他事故。其中裂縫分為大壩鋪蓋裂縫、壩體裂縫和其他建筑物裂縫。滲漏分為壩體滲漏、壩頭繞滲、壩基滲漏、溢洪道和輸水洞滲漏?；滤臃譃榇髩嗡?、大壩滑坡和庫坡滑塌。福建省典型土石壩非潰壩出險因素統(tǒng)計結果見圖1。

圖1 福建省典型土石壩非潰壩出險因素統(tǒng)計

由于年代因素，土石壩存在裂縫、滲漏等隱患普遍存在于各類土石壩中，影響程度不一。通過對福建省典型土石壩風險源的統(tǒng)計結果顯示，土石壩滲漏是病險中最常見的災害。主要的根源可能在于大壩興建于新中國成立初期，壩體施工質量欠佳、防滲鋪蓋長度不足、地質情況勘探模糊、壩體內新舊土層結合不好、壩內埋管與壩體接合不嚴密、壩體內排水系統(tǒng)淤堵失效或無排水系統(tǒng)、未嚴格按規(guī)范要求對山體間的裂隙巖層進行止水處理、壩基防滲體系缺陷嚴重、壩基灌漿未達到設計要求、灌漿封孔不夠嚴密等。

裂縫也是土石壩風險統(tǒng)計中常見的現(xiàn)象，多處部位易發(fā)生裂縫，其根源包括壩體不均勻沉降、壩體填料純度較差、基礎處理不佳、填料含水率控制不當、碾壓不密實、壩坡設計較陡、砌筑工藝不良、施工接合面處置欠佳、壩下涵管埋設不合理、地震凍融等[1]。

在數(shù)座土石壩統(tǒng)計資料中，白蟻打洞安全隱患發(fā)生的占比較高，主要歸因于福建當?shù)匮谉岢睗竦臍夂蛴绊懀x蟻災害較為頻繁。大壩服役時間過長，日積月累，引起結構破損，強度降低等。

1.2 全國土石壩潰壩出險因素

《全國水庫垮壩登記冊》按照事故的型式，將出險因素共分為5 大類和16 小類。5 大類為漫壩、質量問題、管理不當、其他原因和原因不詳。其中漫壩包括泄洪能力不足和洪水超設防標準。質量問題包括壩體滲漏、壩體滑坡、基礎滲漏、溢洪道滲漏、溢洪道質量問題、輸水洞滲漏和輸水洞質量問題。管理不當包括超蓄而維護運用不良、降低防洪標準、溢洪道筑捻不及時拆除而導致漫壩和無人管理。其他原因包括庫區(qū)或溢洪道巖坡塌方堵塞泄洪設施、人工扒壩泄洪和工程布置不當[2]。

雖然福建省土石壩發(fā)生潰壩事故案例較少，但為了使土石壩整體性安全評價具有客觀結論，需要將引起潰壩事故與非潰壩性事故的隱患及原因結合分析。根據(jù)評價結果反映大壩的病險程度，從而進一步制定有效的解決方案進行除險加固。

圖2 全國土石壩潰壩出險因素統(tǒng)計

從圖2 可知，導致潰壩的因素眾多，漫壩和壩體滲漏是其中顯著的兩個因素，占所有出險因素的74.2%。鑒于土石壩材料具有特殊性，一旦發(fā)生漫壩事件，則將導致潰壩等嚴重后果。

土石壩因防滲體裂縫產生滲流集中通道，形成管涌現(xiàn)象，導致壩體滲漏，嚴重情況下將發(fā)生潰壩。產生的此隱患主要原因包括：心墻裂縫漏水、壩體單薄或土料透水性大、壩體不均勻沉降、壩后反濾排水體高度不夠、反濾層或反濾設施質量差等。

經過現(xiàn)場調查分析，福建省病險水庫大多為山區(qū)性水庫，不同于平原水庫，其特點是：山區(qū)水庫大部分壩體相對較高、壩長較短，防滲墻質量一般。存在的主要問題有：壩頂及壩后坡裂縫、變形，背水坡滲漏、濕坡，壩內浸潤線高，溢洪道和輸水洞滲漏等影響壩體穩(wěn)定安全。

2 土石壩評價體系建立

2.1 土石壩風險事件關系模型

根據(jù)福建省典型土石壩風險源的統(tǒng)計結果，將出險因素逐層分解便可得到影響土石壩風險的基本事件T，土石壩風險的事件關系見圖3。

圖3 土石壩風險事件關系圖

2.2 大壩安全評價的綜合值計算

在構建安全評價體系過程中，最為關鍵的是針對每一風險事件確定與其對應的指標權重。目前常見確定指標權重的理論包括模糊綜合法，層次分析法，專家調查加權法和德爾菲加權法。查閱在以往土石壩風險評估的研究中發(fā)現(xiàn)，所涉及的影響因素較多且有交互作用和隨機組合的可能性，較難得到準確性高的結論。因此本文在對福建省土石壩風險綜合評價的過程中，在多層次分析法的基礎上引入模糊數(shù)學理論，建立土石壩風險評價模型，使評估過程更加客觀可信。期許對未來可能發(fā)生的風險或潛在的風險做出更可靠的預測。

模糊層次分析法評價思路是：首先歸納影響事件安全性的出險因素，確定因素間的因果關系，對事件建立多層次遞階的結構模型，形成評價體系。其次根據(jù)已經確定的評價因素、因子評價等級和權重的基礎上，運用模糊數(shù)學理論，決定層次間因素的相對重要性，構造因素間的判斷矩陣，對多層次間的關系進行復合運算，確定各判斷矩陣能否符合一致性檢驗。最后建立恰當?shù)脑u價集，通過綜合重要度的計算進行分析[3]。

由于評價指標體系的指標水平邊界的模糊性，為了得到更準確的評價，因此建立各指標的分級隸屬函數(shù)[4]，用下列式（1）～（3）表示。對于定性指標，需要根據(jù)相關的規(guī)范和工程實際情況進行打分，并將其轉化為定量指標，然后根據(jù)定量指標的構造方程得到對應得評價矩陣，將評價矩陣與對應指標的權重值利用式（4）進行點乘，結果為福建省典型土石壩安全評價的綜合分值。

構造方法利用下列公式：

圖4 基于模糊層次分析法的土石壩流程圖

3 工程實例分析

某水庫位于福建省境內，是一座以灌溉為主，結合防洪、發(fā)電、供水等功能效益的重要中型水庫，水庫建設于1968 年，至今經歷過三次加固改造。

該水庫樞紐工程由主、副壩、溢洪道、輸水涵洞等組成。主壩壩型為粘土心墻土石混合壩，最大壩高47.40 m，壩頂長度431 m，壩頂寬度6.3 m，副壩位于河道左岸，系多種土質壩，經多次加固后，現(xiàn)有壩頂長度182.50 m，最大壩高22.90 m，壩頂寬度5.80 m，壩頂高程為77.40 m。溢洪道由進水口、閘室段、陡坡段等組成，進水口為八字墻的矩形槽，底板高程為62.5 m，閘室部分包括閘墩、底板、胸墻等為鋼筋砼結構，閘室內設5 孔6 m×5 m 的弧型鋼閘門。輸水涵洞位于在主壩右岸，由進水段、放水塔等組成。

依據(jù)《水庫大壩安全評價導則》（SL 258-2000），并結合福建土石壩風險關系圖與多位專家意見，選取27 個影響土石壩安全評定的子因素指標，形成由目標層、準則層、指標層3 個層次構成的安全評價指標體系，見圖5。

圖5 土石壩安全評價指標體系

根據(jù)各子因素指標安全性評價的具體情況，按圖5 土石壩安全評價指標體系中的層次結構，構造判斷矩陣并計算相應的權重，得到的結果見表1。

表1 判斷矩形A-B 數(shù)值

根據(jù)上表可得WA=（0.2454，0.0516，0.1378，0.2783，0.1139，0.1395，0.0334），同理可得各級因素的權重，WB1，WB2，WB3，WB4，WB5，WB6，WB7，經確定，各判斷矩陣均滿足一致性檢驗，因此不需要再進行調整。

根據(jù)大壩實際情況和經驗，將指標等級劃分為合格、基本合格、待整改3 個級別，得到系統(tǒng)的評價集為V={vA，vB，vC}，通過專家檢驗法確定隸屬函數(shù)的閾值為（3，6，8），專家根據(jù)大壩實際情況及報告打分為U={3，6，4，7，4，3，5，3，3，4，3，7，5，5，4，4，6，6，7，6，7，3，6，4，5，5，4}。

利用上述公式，得評價矩陣為：

同理可得RB2，RB3，RB4，RB5，RB6，RB7。

根據(jù)水庫大壩總體評價矩陣，由此計算得到各層的評價為EB1=（0.0844，0.3877，0.5278），同理可得EB2，EB3，EB4，EB5，EB6，EB7，大壩的綜合評價EA=（0.0672，0.4519，0.4895）。

在轉化為定量評估過程中，采用P=EVT來表示水庫大壩綜合安全評價值，把評語集V={不安全，基本安全，安全}定量化為V=（8，6，3），顯然指標值越小安全性越高。經計算，B 層評價中，得出的大壩運行管理和抗震安全復核評價值較小，對應的安全度較高，滲流安全評價值較大，對應的安全度較低，應對大壩進行防滲加固，并繼續(xù)加強大壩滲流監(jiān)測。某水庫綜合安全評價中，指標值為4.72，按照等級劃分級別，屬于基本安全，因此將該土石壩安全等級定為三類壩，評價中反映情況與實際情況相符。

4 結語

（1）基于福建省典型土石壩安全隱患的統(tǒng)計結果，結合地域特點下的土石壩出險因素，分析風險產生的主要原因。集成統(tǒng)計的風險因素，建立土石壩風險的評價指標體系，為福建省土石壩安全鑒定提供參照。

（2）將層次分析法與模糊數(shù)學理論相結合，構建適合福建省土石壩風險識別的多層次模糊綜合評價模型，通過工程實例的應用，分析結果具有實際意義，是一種適用于大壩安全評價的簡易方法。