考慮時變效應(yīng)的土石壩安全風(fēng)險綜合評價模型

李 益，蔡 新，3，徐錦才，李洪煊，戴雙喜

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京 210098;3.河海大學(xué)水利水電學(xué)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)險評價更加科學(xué)、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(dāng)為基本要素的土石壩安全風(fēng)險評價指標體系，研究、提出了土石壩安全風(fēng)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(fēng)險的影響.

1 土石壩安全風(fēng)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(dǎo)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(dāng).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(fēng)險評價指標選取的規(guī)范性、科學(xué)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(fēng)險綜合評價指標體系，如表1所示.

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

2 土石壩安全風(fēng)險綜合評價方法

2.1 安全風(fēng)險評價方法

評價結(jié)構(gòu)安全風(fēng)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(xué)理論，采用綜合評價法對土石壩系統(tǒng)進行安全風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)險評價模型

3.1 時變效應(yīng)下土石壩安全風(fēng)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(dǎo)致土石壩整體安全性降低、風(fēng)險增大，土石壩安全風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)險、壩坡失穩(wěn)的時變效應(yīng)以及土體滲透率的變化導(dǎo)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(dāng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)險時考慮時變效應(yīng)更加合理、科學(xué).本文僅對土石壩安全風(fēng)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(fù)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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