湖南陵水某堤防工程風(fēng)險(xiǎn)分析方法研究

羅海兵

(湖南省洞庭水電咨詢監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 411228)

1 概述

一般來說，對(duì)于一個(gè)堤防工程，從設(shè)計(jì)、施工到后期的防洪運(yùn)營、堤防安全評(píng)價(jià)都是其中的重要組成部分，它既是對(duì)堤段的防洪能力的評(píng)價(jià)，又是對(duì)堤段抗風(fēng)險(xiǎn)能力的評(píng)價(jià)。由于我國地域遼闊，江河湖海眾多，且人口居住面積較大，因此全國的堤防工程長度較大且保護(hù)范圍較廣。自從1998年洪水以來，我國注重水利行業(yè)發(fā)展，大修水庫的同時(shí)也開始大量修建堤防工程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國已建江河湖海的堤防總長已經(jīng)超過了35萬km，保護(hù)人口已超過6.3億，而且還有逐年增加的趨勢(shì)[1- 3]。如此大量的堤防工程是對(duì)人們安全的重要保障，其安全運(yùn)營關(guān)乎大局，一旦失事，將給國家和人民帶來難以估量的損失，因此開展堤防工程安全評(píng)價(jià)工作勢(shì)在必行。

陵水左岸堤防加固工程位于湖南省中南部衡陽市衡陽縣，是衡陽縣防洪系統(tǒng)的中樞部分。當(dāng)?shù)貙僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，每年從3月開始進(jìn)入多雨季，河流水位的增加會(huì)造成多種不利的水利因素。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察情況，堤基地層主要為粉質(zhì)黏土，堤身主要為黏土和素填土，且有局部堤段為粉砂層，由于粉砂有著層位穩(wěn)定、厚度大且具有中等透水性和液化等特質(zhì)，常常容易在汛期高水位的時(shí)候出現(xiàn)坍塌、管涌、滲透等情況。在衡陽市曾經(jīng)出現(xiàn)過因水位超過警戒線多日后，由于內(nèi)河洪水位上漲，造成堤防潰決，最終對(duì)該區(qū)域造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。而該事件發(fā)生的主要原因就是堤身和堤基中存在有較厚的透水層，即上文提到的砂質(zhì)土，后期為了消除隱患，衡陽縣水利局對(duì)該區(qū)域堤防進(jìn)行了加固處理，并需要重新對(duì)該工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。衡陽縣陵水堤防斷面圖如圖1所示。

風(fēng)險(xiǎn)是一種用來評(píng)價(jià)工程中不確定因素造成工程失穩(wěn)的方法和手段，它依托于巖土工程和結(jié)構(gòu)工程，是這些工程的一種先天特性[4- 5]。一些傳統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)方法常常無法考慮到堤防工程在運(yùn)營過程中的不確定性，而無法對(duì)其安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。本文利用結(jié)構(gòu)可靠度以及概率論等統(tǒng)計(jì)學(xué)研究手段，將風(fēng)險(xiǎn)考慮到堤防工程安全評(píng)價(jià)中，根據(jù)工程失穩(wěn)的一些主要因素，分項(xiàng)進(jìn)行失事模式的風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算，得到綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指數(shù)，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法對(duì)堤防工程進(jìn)行安全評(píng)估，對(duì)于實(shí)際工程的安全評(píng)定有一定的借鑒意義。

圖1 衡陽縣陵水堤防斷面圖

2 分項(xiàng)失事風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算

根據(jù)對(duì)陵水堤防安全失穩(wěn)的分析，將堤防左岸失穩(wěn)的主要因素分為水文、滲透、邊坡失穩(wěn)和地震液化四個(gè)部分，同時(shí)對(duì)四個(gè)失事模型分別進(jìn)行專項(xiàng)分析，在現(xiàn)場進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，并根據(jù)對(duì)現(xiàn)場地基和堤身土體進(jìn)行取樣，進(jìn)行滲透試驗(yàn)、剪切等試驗(yàn)，得到和各個(gè)影響因素有關(guān)的一些參數(shù)特征，這些參數(shù)將作為各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)成分的參考依據(jù)。滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)隨機(jī)變量統(tǒng)計(jì)特征表見表1，滑動(dòng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)隨機(jī)變量統(tǒng)計(jì)特征表見表2。

表1 滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)隨機(jī)變量統(tǒng)計(jì)特征表

表2 滑動(dòng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)隨機(jī)變量統(tǒng)計(jì)特征表

2.1 DikeRisk風(fēng)險(xiǎn)概率程序開發(fā)

為了得到能夠適用于該工況下的滲透破壞失事風(fēng)險(xiǎn)率表達(dá)式，利用Geostudio和VB進(jìn)行程序二次開發(fā)，得到了適用于堤防失事風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算的普適程序DikeRisk,,其主要功能為：

(1)能夠利用所給定條件計(jì)算堤防單元洪水漫溢和漫頂?shù)氖嘛L(fēng)險(xiǎn)率及其與洪水位的關(guān)系，最后得到水文綜合概率隨洪水位的關(guān)系。

(2)能夠利用響應(yīng)面抽樣法，計(jì)算堤防單元滲透破壞下的失事概率及其與洪水位的關(guān)系。

(3)能夠計(jì)算靜力作用下，堤防單元滑動(dòng)破壞下的失事概率及其與洪水位的關(guān)系。

(4)能夠計(jì)算震動(dòng)條件下，堤防單元因砂土液化而失穩(wěn)的概率及其與洪水位的關(guān)系。

(5)通過對(duì)上述各項(xiàng)條件下的堤防失穩(wěn)概率進(jìn)行綜合處理，得到綜合失穩(wěn)概率與洪水位的關(guān)系。

2.2 水文失事風(fēng)險(xiǎn)率

因?yàn)樵摰貐^(qū)洪水資料較為匱乏，為了考慮到洪水位，假定地區(qū)洪水位為簡單的正態(tài)分布，同時(shí)利用該工程的校核洪水位為百年一遇的標(biāo)準(zhǔn)，即11.5m，由此得到洪水位高程概率密度為：

(1)

式中，h—堤防臨水面洪水位。

該地區(qū)因堤防河面較為狹窄，堤頂垂直距離不到19m，堤防水文失事主要為洪水滿溢和洪水漫頂兩種情況。根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》及相關(guān)文獻(xiàn)，可以得到堤頂垂直距離100m為判別洪水漫溢和洪水漫頂?shù)呐R界值，本工程堤頂垂直距離為19m，若為水文失事，該地區(qū)左岸堤防應(yīng)主要為洪水漫溢造成的失事，而不會(huì)是洪水漫頂所造成的。根據(jù)洪水漫溢的概率密度公式得到左岸堤防在水文條件下失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)率為：

(2)

式中，h0—堤頂高程。

根據(jù)以上風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算公式，并將堤頂高程代入式(2)，得到該提防工程左岸水文失事風(fēng)險(xiǎn)率為1.52%。

2.3 滲透破壞失事風(fēng)險(xiǎn)率

根據(jù)工程當(dāng)?shù)氐囊恍┱{(diào)查情況，陵水左岸堤防由于其背水面的地下水位常年處在6～6.5m范圍內(nèi)，而通過查閱資料可知：當(dāng)洪水位低于6m時(shí)，堤防工程發(fā)生滲透破壞和滑動(dòng)失穩(wěn)兩種破壞的概率都是非常小，因此將計(jì)算中的最低洪水位值取為6m。由于滲透破壞失事的概率公式常常沒有直接的理論表達(dá)式和經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，將該洪水位從堤防底部到頂高程分為多個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算，并擬合得到堤防在各個(gè)工況下的滲透破壞失事概率分布函數(shù)為：

(3)

式中，h1—起始水位；h2—最高洪水位；A1，A2，A3；x0—參數(shù)，取值見表3。

表3 A1，A2，A3，x0取值表

利用式(3)和表3中的參數(shù)，帶入不同洪水位高度，可以得到不同洪水位下堤防在加固前和加固后的滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)率及其與內(nèi)河洪水位的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 堤防滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)率隨洪水位變化圖

從圖2可以看出，在內(nèi)河洪水位不斷增大的情況下，加固前和加固后的風(fēng)險(xiǎn)率都隨之呈增大的趨勢(shì)，且前期增大緩慢，直到洪水位到達(dá)各自的臨界值后，風(fēng)險(xiǎn)率開始急劇增大，說明高水位下地方極易發(fā)生滲透破壞的安全事故，需要嚴(yán)加防范。

對(duì)比加固前和加固后的堤防滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)率，發(fā)現(xiàn)堤防在加固后，在高水位下的風(fēng)險(xiǎn)率明顯低于加固前。此外，堤防加固后的臨界洪水位也相對(duì)于加固前有了較大幅度的滯后，從之前的9.7m增大到了10.6m，說明加固后的堤防更不易發(fā)生滲透失穩(wěn)了。

2.4 岸坡滑動(dòng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率

采用相同的方法，將洪水位分為多個(gè)工況，并利用之前的DikeRisk岸坡滑動(dòng)失穩(wěn)計(jì)算程序，得到各設(shè)計(jì)工況下岸坡滑動(dòng)失穩(wěn)的概率，并擬合得到堤防在各個(gè)工況下的滑動(dòng)失穩(wěn)條件概率分布函數(shù)為：

(4)

式中，h1—起始水位；h2—最高洪水位；A1，A2，A3，x0—參數(shù)，取值見表4。

表4 A1，A2，A3，ω取值表

利用式(4)和表4中的參數(shù)，通過計(jì)算得到不同洪水位下的因?yàn)榈谭腊镀禄瑒?dòng)所造成堤防失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)率及其與不同的洪水位之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 堤防滑動(dòng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率隨洪水位變化圖

從圖3中可以看到，加固前和加固后堤防岸坡滑動(dòng)破壞風(fēng)險(xiǎn)率都隨著洪水位的增大而增大，不過加固前的風(fēng)險(xiǎn)率在整個(gè)過程中都增加的較快，而加固后的岸坡滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)率在后期增大較慢，有明顯的穩(wěn)定趨勢(shì)。洪水位為9.7m的時(shí)候，加固前的風(fēng)險(xiǎn)率為0.802%，而加固后的風(fēng)險(xiǎn)率為0.613%，有很大幅度的下降。以上情況說明在堤防進(jìn)行加固措施后，其抗滑穩(wěn)定性有了很大程度的提升，堤防的抗風(fēng)險(xiǎn)能力有了很大的強(qiáng)化作用，特別是降低了滑動(dòng)破壞風(fēng)險(xiǎn)率在洪水位上的敏感度，對(duì)于最高洪水位12.1m的情況下，加固后的岸坡滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)與加固前相比，降低了34.9%

2.5 震動(dòng)液化失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率

在動(dòng)力荷載或者震動(dòng)的作用下，砂土有可能發(fā)生液化現(xiàn)象，是飽水的疏松粉、細(xì)砂土在振動(dòng)作用下突然破壞而呈現(xiàn)液態(tài)的現(xiàn)象。對(duì)陵水左岸堤防工程來說，雖然加固后有進(jìn)行一些改良，但并沒有對(duì)堤防原有堤身和堤基中的砂土類別和性質(zhì)進(jìn)行改變，因此可以假定砂土液化概率相比之前沒有改變。利用之前的回歸擬合方法得到陵水堤防砂土液化風(fēng)險(xiǎn)率為：

(5)

式中，A1，A2，A3，h0—依次取0.1324，0.1477，8.044，17.31；Pe—該地區(qū)地震發(fā)生的概率，根據(jù)從1300年到目前的地震歷史記載取0.031%。

根據(jù)式(5)計(jì)算出不同洪水位下的堤防砂土液化失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率，如圖4所示。

圖4 陵水堤防砂土震動(dòng)液化風(fēng)險(xiǎn)率隨洪水位變化圖

從圖4可以看出，隨著洪水位的增大，堤防砂土震動(dòng)液化風(fēng)險(xiǎn)率隨之增加，然而其增長速率隨著洪水位的增大而逐漸降低，呈衰減態(tài)勢(shì)；砂土震動(dòng)液化的風(fēng)險(xiǎn)率對(duì)于洪水位的敏感性并不是很高，在最大洪水位的情況下，陵水左岸堤防砂土震動(dòng)液化風(fēng)險(xiǎn)率為0.733%。Juang[7]曾從概率的角度分析砂土震動(dòng)液化對(duì)于工程場地的影響，據(jù)此分析得出陵水左岸堤防砂土幾乎不可能出現(xiàn)液化現(xiàn)象，該項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)為可承受的。

3 綜合風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算成果分析

根據(jù)前面的風(fēng)險(xiǎn)率模型，并利用回歸的方式得到了滲透失穩(wěn)、岸坡背水面滑動(dòng)和砂土震動(dòng)液化的風(fēng)險(xiǎn)率與洪水位的關(guān)系，將這幾個(gè)因素進(jìn)行綜合分析，得到綜合失穩(wěn)率與洪水位的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 堤防綜合失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率隨洪水位變化圖

從圖5可以明顯看出，堤防綜合失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率與洪水位之間表現(xiàn)出一種單調(diào)遞增關(guān)系，但這種關(guān)系是非線性的，具體表現(xiàn)為3個(gè)階段：①緩慢增加階段，該階段的堤防失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率隨著洪水位的增加而緩慢增加，且增長速率逐漸降低；②轉(zhuǎn)折階段，該階段風(fēng)險(xiǎn)率隨著洪水位的增長率從一個(gè)較低的水平上升，曲線變陡；③急劇上升階段，風(fēng)險(xiǎn)率隨著洪水位增大呈非穩(wěn)定上升，大部分的堤防失穩(wěn)便發(fā)生在該階段。對(duì)比堤防加固前和加固后的曲線發(fā)現(xiàn)，在第一階段，加固前的風(fēng)險(xiǎn)率與加固后的風(fēng)險(xiǎn)率大致相等，說明該時(shí)期加固措施在堤防抗風(fēng)險(xiǎn)上并沒有實(shí)質(zhì)性的作用，在進(jìn)入第二階段后，加固后的綜合失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率開始相對(duì)加固前有了較為明顯的降低，且其降低幅度隨著洪水位的增大而增大，說明加固措施確實(shí)對(duì)于堤防有一定的防洪加固作用，如最高洪水位12.1m時(shí)，加固后的綜合失事風(fēng)險(xiǎn)率比加固前降低了約26.4%。加固前的臨界風(fēng)險(xiǎn)率為2.275%，對(duì)應(yīng)的洪水位為9.7m，而加固后的臨界風(fēng)險(xiǎn)率為1.592%，即為風(fēng)險(xiǎn)允許值，對(duì)應(yīng)的洪水位為10.6m。

若將洪水位提高為堤頂高程，這個(gè)時(shí)候的堤防綜合失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率將除了滲透失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率以及岸坡背水面滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)率和震動(dòng)液化的風(fēng)險(xiǎn)率這三者之外，還將會(huì)加入水文失事風(fēng)險(xiǎn)率，此時(shí)在圖5中所表現(xiàn)出來的為在洪水位12.1m處出現(xiàn)一段階躍。圖5給出了加固前和加固后的階躍風(fēng)險(xiǎn)率分別為6.26%和4.90%。

4 結(jié)論

通過建立堤防系統(tǒng)失事風(fēng)險(xiǎn)率模型，并結(jié)合陵水左岸某提防工程，對(duì)不同失效模式下的堤防風(fēng)險(xiǎn)率進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

(1)當(dāng)洪水位低于10m時(shí)，堤防失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率對(duì)洪水位的敏感度較低，但當(dāng)洪水位高于9m時(shí)，堤防失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率對(duì)洪水位的敏感度非常高，兩者表現(xiàn)出非常明顯的非線性關(guān)系，因此應(yīng)該在洪水位到達(dá)該臨界值的時(shí)候進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，并及時(shí)的采取防治措施，避免風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。

(2)陵水堤防采取加固措施后，堤防綜合失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率所對(duì)應(yīng)的洪水位臨界值由原來的9.7m提高到10.6m，說明陵水左岸堤防的加固措施是合理和有效的。

(3)加固前的臨界風(fēng)險(xiǎn)率為2.275%，加固后的臨界風(fēng)險(xiǎn)率為1.592%，即為風(fēng)險(xiǎn)容許值，這些值可以在整個(gè)陵水堤防工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中進(jìn)行推廣，為陵水的汛期堤防安全提供參考。