防洪堤的可靠性設(shè)計(jì)方法探討

李帥

【摘要】目前堤防安全分析方法多為定值分析的方法。長期實(shí)踐證明是一種有效設(shè)計(jì)方法，但是該方法最大的缺點(diǎn)就是沒有考慮實(shí)際存在的不確定性因素（包括荷載效應(yīng)和抗力等不確定性）的影響。特別是對于堤防工程，堤身土質(zhì)不均勻、堤基地質(zhì)條件差以及我國現(xiàn)有的堤防多為歷史上多次修建、破壞、再修復(fù)加固而逐漸形成的因素，導(dǎo)致堤防土層分布及土工參數(shù)變異性大，存在很大的不確定性，這就使得堤防的安全評價(jià)方法得到安全系數(shù)的大小但并不能完全確切地表征工程的安全程度。本文主要對防洪堤的可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】防洪堤；可靠性；設(shè)計(jì)方法

1、前言

由于受到堤身斷面形狀、堤身填土性質(zhì)、堤基地質(zhì)、水文、地形和施工條件等諸多因素的影響，堤防在汛期往往出現(xiàn)漫頂、堤身（基）滲透破壞、堤身滑坡等險(xiǎn)情。概率設(shè)計(jì)方法將結(jié)構(gòu)的多種參數(shù)作為隨機(jī)變量，可根據(jù)不同堤防結(jié)構(gòu)重要性程度采取相應(yīng)設(shè)計(jì)，無疑有其先進(jìn)性和科學(xué)性。因此，以概率理論為基礎(chǔ)的可靠性設(shè)計(jì)方法在國內(nèi)外均得到較快的發(fā)展，這為巖土工程的設(shè)計(jì)開辟了新的領(lǐng)域。

2、堤防綜合失事風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算模型

若將整個(gè)堤防的可靠性問題視為一個(gè)系統(tǒng)，則該系統(tǒng)由3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：水文失事可靠性子系統(tǒng)、堤防抗?jié)B穩(wěn)定可靠性子系統(tǒng)和堤防整體抗滑穩(wěn)定可靠性子系統(tǒng)。運(yùn)用系統(tǒng)可靠性分析的基本原理，將堤防的失效概率與各子系統(tǒng)的失效概率，乃至與各種極限狀態(tài)的失效概率，建立某種聯(lián)系，從而為堤防的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法提供依據(jù)和設(shè)計(jì)思路。通常認(rèn)為，堤防失事風(fēng)險(xiǎn)可以分為水文失事分析和結(jié)構(gòu)失事分析。水文失事風(fēng)險(xiǎn)包括洪水漫溢風(fēng)險(xiǎn)和洪水越浪風(fēng)險(xiǎn)；結(jié)構(gòu)失事風(fēng)險(xiǎn)注意包括滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)和邊坡滑動(dòng)失事風(fēng)險(xiǎn)。因此，堤防水文失事風(fēng)險(xiǎn)、滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)和堤防邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成了堤防失事綜合風(fēng)險(xiǎn)的主體。

2.1堤段水文失事風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算模型

堤防水文失事風(fēng)險(xiǎn)是指堤防在設(shè)計(jì)、施工和管理運(yùn)用過程中，由于水文因素的不確定性而引起的風(fēng)險(xiǎn)，可分為洪水漫頂風(fēng)險(xiǎn)和堤防越浪風(fēng)險(xiǎn)。

2.2滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算模型

事實(shí)上，發(fā)生堤防滲透破壞并不等于堤防滲透破壞失事。但由于堤防管涌和滲透問題非常復(fù)雜，從安全角度出發(fā)，認(rèn)為堤防發(fā)生滲透破壞即為堤防發(fā)生滲透破壞失事。滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)率的計(jì)算模型為：

式中：h1為計(jì)算堤防失事風(fēng)險(xiǎn)時(shí)規(guī)定的最低水位；h2為計(jì)算堤防失事風(fēng)險(xiǎn)時(shí)規(guī)定的最高洪水位，其上限為堤頂高程h0；FJ（h）為給定洪水位H時(shí)，滲透坡降J大于臨界滲透坡降jk的概率，即滲透破壞條件概率分布函數(shù)。

2.3邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算模型

堤防邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算模型為：

式中：FS（h）為邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)的條件概率分布函數(shù)；其他符號意義同前。對于堤防工程來說，不僅要關(guān)心高洪水位下背水面的穩(wěn)定性，還要考慮堤防在低水位時(shí)或在退水時(shí)臨水面邊坡的穩(wěn)定性。因此，堤防邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算模型，應(yīng)考慮背水面和臨水面邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)模式。

3、計(jì)算條件

3.1工程概況和計(jì)算模型

杭州市濱江區(qū)南沙支堤位于杭州市濱江區(qū)上游段，工程段約3.3km，堤防設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。1997年，錢塘江“79”洪水對南沙支堤工程段造成嚴(yán)重威脅，各堤段都出現(xiàn)了不同程度的險(xiǎn)情，一些堤段不同程度存在滲透穩(wěn)定問題，如堤身及堤基滲漏、散浸與管涌等。發(fā)生這些問題主要是與汛期高水頭，堤身填土碾壓不密實(shí)或不均勻、空隙比較大，堤基性狀、地層結(jié)構(gòu)，堤前灘地寬度、高程等條件有關(guān)。

3.2計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

可靠度分析的精度決定于隨機(jī)變量樣本獲得的準(zhǔn)確性、樣本量大小、樣本的代表性和概率統(tǒng)計(jì)方法的合理性?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)和樣本量為18，是小樣本，宜采用非參數(shù)檢驗(yàn)的的K-C檢驗(yàn)法，對假設(shè)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，置信區(qū)間為0.05。該法的統(tǒng)計(jì)量為：

Dn=max|Fn（x）-F（x）|

式中的統(tǒng)計(jì)量Dn為臨界值，當(dāng)樣本假設(shè)分布函數(shù)在統(tǒng)計(jì)參數(shù)條件下，小于臨界值，則不拒絕假設(shè)統(tǒng)計(jì)概率分布，否則拒絕假設(shè)統(tǒng)計(jì)概率分布。

3.3堤防分項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算

洪水位的不確定性，對堤防穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)性有較大的影響，特別對各種形式的滲透變形，其影響變化更為明顯。對洪水的年最高水位的隨機(jī)變化規(guī)律，水文專家們已作了許多分析研究，本文暫不作深入討論。后續(xù)分析中滲透風(fēng)險(xiǎn)率及滑動(dòng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率均按100年一遇設(shè)防水位情況下考慮。

3.3.1邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率

一般影響堤防邊坡抗滑穩(wěn)定的不確定因素主要有：洪水位、堤身和基礎(chǔ)土質(zhì)的黏聚力等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)指標(biāo)。引起土質(zhì)的物理力學(xué)指標(biāo)不確定性的原因在于：土質(zhì)物理力學(xué)指標(biāo)的差異，取樣、試驗(yàn)和計(jì)算等過程中存在著各種各樣的誤差。然后將各土層參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值及變異系數(shù)作為分析計(jì)算堤防邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。

3.3.2滲透破壞失事風(fēng)險(xiǎn)率

堤防產(chǎn)生滲透變形的不確定性可分為土質(zhì)抗?jié)B臨界坡降的不確定性和防洪堤內(nèi)滲透坡降的不確定性。防洪堤土體抗?jié)B臨界坡降大小與土質(zhì)顆粒的大小、顆粒級配及結(jié)構(gòu)、孔隙率、施工質(zhì)量等因素有關(guān)，而這些因素又具有不確定性，勢必會(huì)使問題復(fù)雜化。為簡化分析計(jì)算，本文分析可直接討論土質(zhì)滲透臨界坡降的不確定性。其方法是收集土質(zhì)滲透臨界坡降分布范圍的資料，并假定其服從三角分布。堤防內(nèi)滲透坡降的不確定性，可用水力學(xué)方法先計(jì)算出上下游水位差，然后估算滲徑長度及分布范圍，并假定其服從三角分布。

3.4綜合失事風(fēng)險(xiǎn)率

根據(jù)上述的全堤段結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，則每一堤段的總失穩(wěn)概率可采用串聯(lián)系統(tǒng)得到。從整體來看，錢塘江南沙支堤段堤防綜合失事風(fēng)險(xiǎn)率主要來自邊坡滑動(dòng)失事風(fēng)險(xiǎn)率的貢獻(xiàn)；滲透失事風(fēng)險(xiǎn)率對綜合失事風(fēng)險(xiǎn)率貢獻(xiàn)相對較小，但隨著洪水位的增高，其在綜合失事風(fēng)險(xiǎn)中所占比重將逐漸增大。在設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下，堤防失事風(fēng)險(xiǎn)率為0.15%，相當(dāng)于可靠度β=2.96。

4、結(jié)語

據(jù)堤防工程分別按整體抗滑穩(wěn)定設(shè)計(jì)和滲透控制設(shè)計(jì)的不同計(jì)算方法，將堤防工程整體系統(tǒng)分為水文失事可靠性子系統(tǒng)、堤防抗?jié)B穩(wěn)定可靠性子系統(tǒng)和堤防整體抗滑穩(wěn)定可靠性子系統(tǒng)。運(yùn)用串并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性理論，采用界限估計(jì)法計(jì)算堤防的各主要失事模式的失事概率，在此基礎(chǔ)上綜合評估得到防洪體系的系統(tǒng)失事率。

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