突變?cè)u(píng)價(jià)法在均質(zhì)土壩安全風(fēng)險(xiǎn)管理中的應(yīng)用研究

【摘要】土石壩是我國(guó)水庫(kù)建筑的主要形式，對(duì)我國(guó)水利工程建設(shè)具有重要的意義。然而，根據(jù)國(guó)內(nèi)外大壩事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果，土石壩尤其是均質(zhì)土壩是發(fā)生事故次數(shù)最多的。我國(guó)早期水利工程建設(shè)中應(yīng)用了大量的均質(zhì)土壩作為水庫(kù)堤壩，對(duì)土壩的安全風(fēng)險(xiǎn)管理極為重要。本文將基于突變?cè)u(píng)價(jià)法（CTEM），綜合考慮各風(fēng)險(xiǎn)因素的影響，以某水庫(kù)均質(zhì)土壩為例，進(jìn)一步研究均質(zhì)土壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法與管理措施。

【關(guān)鍵詞】均質(zhì)土壩；突變?cè)u(píng)價(jià)法；安全風(fēng)險(xiǎn)管理

前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)建成的大中小型水庫(kù)將近90000座，其中土石壩比例約占95%，而均質(zhì)土壩則占土石壩總量的38%，在我國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定繁榮中發(fā)揮了及其重要的作用。隨著土壩使用年齡的增長(zhǎng)或在運(yùn)行過(guò)程中受到某些外在因素影響，土石壩的安全性降低，出現(xiàn)裂縫、滲流、等安全問(wèn)題，給區(qū)域生產(chǎn)安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展留下巨大的隱患。因此，對(duì)均質(zhì)土壩進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估迫在眉睫。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者先后對(duì)土石壩類水利工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理作出深入的研究。鄭小武、王薇、謝洪等基于綜合評(píng)價(jià)法對(duì)土石壩安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估；陳璽、王篤波等深入影響地震對(duì)土石壩安全的影響并做出安全風(fēng)險(xiǎn)分析；劉立、姜樹海、劉興芳等基于最新研究方法，從土石壩的安全影響原因方面進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)剖析。本文將基于均質(zhì)土壩安全研究現(xiàn)狀，利用突變?cè)u(píng)價(jià)法，對(duì)均質(zhì)土壩安全風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行研究。

1、工程概況

四川某水庫(kù)，是一座兼具防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)灌溉等功能的區(qū)域水庫(kù)。水庫(kù)總?cè)萘考s126萬(wàn)m3，水庫(kù)控制流域面積約21萬(wàn)km2 ，屬于?。á瘢┬退畮?kù)。水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，高19.5m，壩長(zhǎng)約135.9m，土壩工程等級(jí)為Ⅳ等，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。水庫(kù)建成于1962年12月，使用年齡已逾50年，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，九江市鄱陽(yáng)縣某水庫(kù)均質(zhì)土壩存在一定的安全隱患。

2、風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

影響均質(zhì)土壩工程安全性的因素眾多，既有內(nèi)在因素，如設(shè)計(jì)不合理、施工不合格等；又有外在原因，如受地震、滑坡、洪水等影響。筆者從均質(zhì)土壩的破壞形式分析總結(jié)，將其分作三種：漫頂、土壩失穩(wěn)、滲透破壞。

2.1漫頂

漫頂即指水庫(kù)洪水從壩頂漫出的情況，在這種情況下，土壩本身不在起到防洪的作用，甚至?xí)艿胶樗臎_壞。漫頂?shù)闹饕纬稍颍旱谝?，設(shè)計(jì)高度不夠。當(dāng)季節(jié)性或偶發(fā)性洪水發(fā)生時(shí)，由于設(shè)計(jì)高度不夠（或是壩體沉降），壩頂高度未能達(dá)到要求高度，導(dǎo)致洪水漫過(guò)壩頂；第二，泄洪力不足。泄洪力不足的原因是由設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)不到要求，導(dǎo)致溢洪道堵塞，水庫(kù)水位抬升；第三，洪水量超標(biāo)。區(qū)域強(qiáng)降雨超過(guò)預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致，屬于突發(fā)或少發(fā)事件。

2.2壩體失穩(wěn)

一般情況下，壩體失穩(wěn)是由多種因素共同作用的結(jié)果，發(fā)生管涌、滑坡、裂縫等情況。壩體失穩(wěn)大多發(fā)生在使用年齡比較久的均質(zhì)土壩，由于早期我國(guó)施工尚不規(guī)范，資料采集不甚齊全，大多數(shù)均質(zhì)土壩的工程質(zhì)量都處于較低水平，所以在進(jìn)行除險(xiǎn)加固前，需要對(duì)大壩的安全做出評(píng)價(jià)，并且制定出有效的管理方案，以確保土壩安全，保證經(jīng)濟(jì)不受損失。

2.3滲透破壞

均質(zhì)土壩滲透破壞是指土壩或壩基由于滲流而出現(xiàn)的變形破壞，主要有流土、管涌、接觸沖刷、接觸流通四大類型。滲透破壞主要是由浸潤(rùn)線位置不合理、壩體滲透系數(shù)過(guò)高等因素造成，會(huì)造成均質(zhì)土壩內(nèi)部破壞，引發(fā)壩體滑坡。

3、突變?cè)u(píng)價(jià)法

3.1突變?cè)u(píng)價(jià)理論簡(jiǎn)介

突變理論最初是由法國(guó)數(shù)學(xué)家 Rene Thom 提出，如今被廣泛應(yīng)用在各大領(lǐng)域。突變理論所提出的一系列相關(guān)模型，主要是對(duì)自然界或者社會(huì)中所產(chǎn)生的情形當(dāng)中發(fā)生不連續(xù)性地變化過(guò)程進(jìn)行解釋，詳細(xì)描述了現(xiàn)實(shí)中所產(chǎn)生現(xiàn)象為什么會(huì)從形態(tài)的一種形式突然躍到完全不同地另外一種形式。其中一個(gè)重要的特點(diǎn)就是研究社會(huì)領(lǐng)域以及自然界內(nèi)不連續(xù)性變化這種突變現(xiàn)象；根據(jù)現(xiàn)存的事物，來(lái)推測(cè)未來(lái)事物，從而控制未知事物的發(fā)生。在突變理論中，離散不連續(xù)的變量稱為內(nèi)部變量或狀態(tài)變量，連續(xù)變化的變量稱為外部變量或控制變量。突變理論通過(guò)對(duì)勢(shì)函數(shù)分叉集方程中控制變量歸一化，利用突變?cè)u(píng)價(jià)準(zhǔn)則，逐步遞歸最終求出結(jié)果。當(dāng)控制的變量數(shù)目不超過(guò) 4 個(gè)時(shí)，常見的突變模型的分解方式有三種，如圖1所示

3.2風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系構(gòu)建

采用突變?cè)u(píng)價(jià)法對(duì)土石壩的安全做出評(píng)價(jià)時(shí)，基本的步驟如下：（1）按照影響土石壩的內(nèi)在各種因素和機(jī)理，確定狀態(tài)變量和控制變量，同時(shí)對(duì)各因素的重要度進(jìn)行排序。（2）根據(jù)實(shí)際工程數(shù)據(jù)確定各底層指標(biāo)評(píng)價(jià)值，并進(jìn)行無(wú)量綱處理，使其都在[0，1]范圍內(nèi)突變模糊隸屬度值。（3）運(yùn)用歸一公式及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，逐步遞歸求出最終的綜合評(píng)價(jià)值，見表1。

在突變模型中各控制變量對(duì)狀態(tài)變量的重要度排序，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中控制變量與狀態(tài)變量的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系所決定的，在運(yùn)用突變?cè)u(píng)價(jià)法進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)該首先根據(jù)重要度對(duì)對(duì)控制變量進(jìn)行排序。由于在突變?cè)u(píng)價(jià)法中，控制變量重要度的排序?qū)υu(píng)價(jià)結(jié)果影響很大，所以要根據(jù)實(shí)際工程，并且借助以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及咨詢各專家，來(lái)進(jìn)行盡可能準(zhǔn)確的排序，盡可能的避免出現(xiàn)偏差。

根據(jù)以下兩種方法結(jié)合分析，從而可以得出較為準(zhǔn)確的重要度排序：1）借助以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析法，根據(jù)以往工程并結(jié)合歷史資料，分析出影響均質(zhì)土壩安全的各種因素重要度。2）咨詢專家法，通過(guò)具體的工程對(duì)各位具有多年實(shí)際研究經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行咨詢，根據(jù)匯總的各專家意見最終得出各因素重要度的排序。

3.3風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，需要根據(jù)已得評(píng)價(jià)值，按照突變模型進(jìn)行計(jì)算，突變?cè)u(píng)價(jià)法歸一公式如下表2所示：

4、結(jié)語(yǔ)

以某水庫(kù)均質(zhì)土壩為例，根據(jù)實(shí)地調(diào)查以及個(gè)人工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)因素辨析，最后基于突變?cè)u(píng)價(jià)法對(duì)各安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)并得出最后得分結(jié)果，按照安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)均質(zhì)土壩的安全等級(jí)進(jìn)行劃分并給出相應(yīng)建議，以期達(dá)到對(duì)國(guó)內(nèi)均質(zhì)土壩進(jìn)行合理的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理。

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