基于壩體安全評(píng)價(jià)模型的復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全分析

于淳蛟

(湖北志宏水利水電設(shè)計(jì)有限公司,武漢 430070)

0 引 言

水利大壩是現(xiàn)代防洪工程以及農(nóng)業(yè)灌溉工程的重要組成部分,對(duì)地區(qū)生態(tài)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有重要的影響。長(zhǎng)期處于運(yùn)作狀態(tài)的水利大壩容易受到內(nèi)外因素的影響,對(duì)大壩的安全使用造成極大影響。如地震、外部應(yīng)力作用、壩體化學(xué)腐蝕以及本身材料性能減縮等,均會(huì)嚴(yán)重破壞壩體結(jié)構(gòu),影響大壩的截水能力。近年來(lái),全球發(fā)生多起大壩引發(fā)的安全事故問(wèn)題。如美國(guó)伊登維爾大壩事故與巴西布魯馬迪尼奧尾礦大壩事故,大壩潰壩造成嚴(yán)重的人員傷亡,同時(shí)對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重影響。因此,要避免大壩出現(xiàn)潰壩事故,需要對(duì)大壩嚴(yán)格實(shí)施質(zhì)量安全評(píng)價(jià),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩運(yùn)作情況,從而避免大壩潰壩事故發(fā)生。

本文提出一種高效的大壩防滲透破壞評(píng)估方法,對(duì)大壩結(jié)構(gòu)與防滲體參數(shù)進(jìn)行研究,構(gòu)建大壩滲流安全評(píng)價(jià)方法。同時(shí),考慮外部因素對(duì)大壩影響,結(jié)合貝葉斯法與工程類比法,構(gòu)建大壩安全評(píng)估模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩安全的有效評(píng)估。研究結(jié)果可對(duì)大壩的維護(hù)與安全運(yùn)營(yíng)提供重要參考。

1 復(fù)合地基壩防滲透安全評(píng)估模型構(gòu)建

1.1 復(fù)合地基壩滲流量模型構(gòu)建

在水利大壩風(fēng)險(xiǎn)研究中,由于大壩的類型、功能等差異,大壩失效概率也存在差別,對(duì)大壩的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也將面臨諸多困難。受到不同風(fēng)險(xiǎn)因素的影響以及大壩本身工藝技術(shù)的差異,不同的潰壩風(fēng)險(xiǎn)在研究中存在一定的關(guān)聯(lián)性,這種關(guān)聯(lián)性也給大壩的質(zhì)量安全分析造成困難[1]。本研究主要以超薄復(fù)合型地基壩體為研究對(duì)象,針對(duì)常見(jiàn)壩體遭受滲透破壞后的失效性展開(kāi)研究。常見(jiàn)超薄型復(fù)合地基壩斷面見(jiàn)圖1。

圖1 常見(jiàn)超薄型復(fù)合地基壩截面圖

常見(jiàn)超薄型復(fù)合地基壩通常屬于非均質(zhì)分區(qū)壩,該類壩體以超薄防滲體居多,并且應(yīng)用廣泛[2]。超薄防滲體中,通常采用混凝土面板、土質(zhì)心墻、混凝土防滲墻等形式進(jìn)行壩體防滲。同時(shí),為了保障壩體具備足夠的力學(xué)性能,壩體地基采用復(fù)合型結(jié)構(gòu)進(jìn)行壩體加固,壩體地基建有基巖層、覆蓋層、防滲墻等,以提高壩體防滲能力。

在一些較大的土石壩工程中,一般會(huì)設(shè)置量水堰來(lái)監(jiān)測(cè)壩體滲漏情況。但量水堰處于覆蓋層時(shí),覆蓋層可能并未設(shè)置截水墻,影響量水堰對(duì)壩體滲水情況的判斷。同時(shí),防滲體內(nèi)的流體分布較為復(fù)雜,在水庫(kù)內(nèi)部可能出現(xiàn)不均勻的集中滲流問(wèn)題,為了方便對(duì)壩體安全的評(píng)估,不考慮防滲體特殊接觸面缺陷。在壩體實(shí)際流量計(jì)算中,若水庫(kù)位置上的防滲體并未出現(xiàn)滲流問(wèn)題,則在實(shí)際計(jì)算中也并不考慮該部分計(jì)算[3]。假設(shè)防滲體下游側(cè)面水頭與壩后水位一致,需要對(duì)壩體與防滲體之間的防滲差異進(jìn)行考慮。一般認(rèn)為水流集中減弱在大壩防滲體內(nèi),水位由壩前向壩后逐步降低。認(rèn)定防滲體內(nèi)的中軸線與流向?yàn)檎魂P(guān)系,并且符合均勻滲透,則壩體滲流滿足達(dá)西定律。

因此,對(duì)壩體防滲性分析采用笛卡爾構(gòu)建直角坐標(biāo),其中壩軸線由左至右為正向X軸,壩體上游至下游為正向Y軸,壩體豎直向?yàn)閆[4]。定義壩體上下游水位分別為Hu與Hd;防滲體軸中心正交向厚度為L(zhǎng)Y(l),表示壩體防滲體工程多道防滲體總和厚度;壩體順軸向?qū)挾葹閃X(l);長(zhǎng)度坐標(biāo)函數(shù)l與豎向坐標(biāo)z表示防滲體的寬度與厚度[5]。壩體壩頂至壩底深度s計(jì)算公式如下:

式中:nup為上游面坡比。

在高程為z的上游側(cè)防滲體,某段高度為dz防滲薄層位置,見(jiàn)圖2。

圖2 超薄復(fù)合型地基壩縱斷面

當(dāng)壩體薄層防滲體在下游水位之上時(shí),有(Hd-z)<0,此刻水頭承受差為(Hu-z);當(dāng)體薄層防滲體在下游水位之下時(shí),此刻水頭承受差為(Hu-Hd)。由達(dá)西定律,可以得到該薄層防滲體位置平均水力梯度,公式如下[6]:

i=H(l)/LY(l)

(2)

式中:H(l)為高程z位置的水頭差。

通過(guò)對(duì)整個(gè)防滲層積分處理,得到防滲層滲流量。

在實(shí)際壩體滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)研究中,復(fù)合地基壩體由于施工、材料等因素,會(huì)導(dǎo)致壩體存在一定的質(zhì)量缺陷,這些缺陷將通過(guò)壩體滲流量反映出來(lái)。同時(shí),壩體的缺陷問(wèn)題會(huì)以集中的位置反映,并不會(huì)規(guī)律性分布[7]。因此,尋找缺陷位置較為困難,而通過(guò)壩體滲透情況,可清楚得到壩體的安全狀態(tài)。

1.2 復(fù)合地基壩綜合安全評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

由于工藝、外界作用力以及材料老化等因素,大壩質(zhì)量問(wèn)題不可避免。同時(shí),大壩的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)由大壩出現(xiàn)潰壩概率以及所造成的后果所決定。根據(jù)相關(guān)資料反映,非確定性的分析技術(shù)在水利工程安全評(píng)價(jià)中有出色的表現(xiàn)[8]。因此,在大壩滲流模型的基礎(chǔ)上,還需要結(jié)合失效率評(píng)價(jià),針對(duì)大壩滲透風(fēng)險(xiǎn)提出一種量化評(píng)價(jià)方法,從而更直觀地評(píng)價(jià)復(fù)合地基壩質(zhì)量安全。

在水利大壩安全質(zhì)量評(píng)估中,失效概率值可以更直觀評(píng)價(jià)工程的安全等級(jí)。考慮到大壩質(zhì)量安全評(píng)估缺乏有效的潰壩評(píng)估數(shù)據(jù),因此引入失效率來(lái)直觀反映大壩質(zhì)量,并結(jié)合貝葉斯法與工程類比法,提出一種復(fù)合地基壩綜合安全評(píng)價(jià)模型。水利大壩在建設(shè)中具有明確的技術(shù)規(guī)范性要求,不同地區(qū)由于環(huán)境與使用差異,水利壩體工程技術(shù)要求存在差異。根據(jù)國(guó)內(nèi)工程技術(shù)規(guī)范要求,將水利建筑質(zhì)量安全劃為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等級(jí),在壩體工程中1至3等級(jí)壩體所對(duì)應(yīng)的坡度失穩(wěn)失效概率分別為4.2、3.7與3.2。水利建筑3個(gè)等級(jí)按照100年使用年限來(lái)設(shè)計(jì),其余建筑為50年設(shè)計(jì)。表1為水利建筑失效率結(jié)果[9]。

表1 水利建筑每年失效率目標(biāo)值

在水利壩體工程中,國(guó)內(nèi)水壩建設(shè)主要以Ⅱ、Ⅲ等級(jí)為壩體建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn),Ⅱ、Ⅲ等級(jí)能夠有效反映出大部分水利工程的設(shè)計(jì)失效目標(biāo)概率。因此,選擇表1中等級(jí)Ⅱ失效概率作為壩體工程的設(shè)計(jì)失效目標(biāo)概率。同時(shí),在實(shí)際壩體質(zhì)量評(píng)估中,工程建設(shè)質(zhì)量、環(huán)境運(yùn)作情況也會(huì)對(duì)壩體的滲透破壞評(píng)估造成影響[10]。因此,在實(shí)際評(píng)估中會(huì)參考工程監(jiān)測(cè)資料,定義復(fù)合地基壩初始滲透破壞失效率與年設(shè)計(jì)失效概率一致,公式如下:

pseepageinital=pD-2·fc

(3)

式中:fc為由專家以及工程建設(shè)工藝所決定的修正系數(shù);pseepageinital為壩體工程基準(zhǔn)失效概率;pD-2為滲透破壞失效率。

根據(jù)國(guó)家水利工程相關(guān)要求以及專家團(tuán)隊(duì)來(lái)明確壩體修正系數(shù)。在壩體安全評(píng)估中,對(duì)于滿足正常要求的壩體工程,定義修正系數(shù)fc=1;對(duì)于不滿足標(biāo)準(zhǔn)失效率的壩體,作為病壩,修正系數(shù)fc=10;對(duì)于具有較大風(fēng)險(xiǎn)的壩體,修正系數(shù)fc=100。pseepageinital可作為壩體工程質(zhì)量評(píng)估的重要指標(biāo),但引入的目標(biāo)失效率過(guò)低,壩體工程在較短的幾個(gè)月或者幾年間,運(yùn)作參數(shù)并不會(huì)影響到后驗(yàn)概率[11]。因此,需要引入綜合計(jì)算方法,以修正壩體工程實(shí)際運(yùn)作下的滲透破壞失效率[12]。

綜合計(jì)算法是由工程類比法與貝葉斯理論相結(jié)合的一種壩體滲透破壞失效率修正方法。在對(duì)壩體滲流狀態(tài)的評(píng)估中,可以通過(guò)防滲系數(shù)以及滲流量來(lái)反映。在對(duì)復(fù)合地基壩的評(píng)價(jià)中,引入滲流量指數(shù)Z來(lái)對(duì)不同環(huán)境作業(yè)下的70座壩體運(yùn)作數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到壩體滲流累計(jì)曲線,見(jiàn)圖3[13]。

圖3 壩體綜合滲透累計(jì)概率曲線

根據(jù)對(duì)多座壩體工程參數(shù)的調(diào)查,通過(guò)工程類比,可得到壩體工程滲漏量的標(biāo)準(zhǔn)范圍。但工程類比法僅考慮壩體工程內(nèi)橫向比較,壩體工程歷史運(yùn)作并未考慮[14]。因此,在此基礎(chǔ)上,引入貝葉斯法修正問(wèn)題。貝葉斯法中,通過(guò)假定變量對(duì)假設(shè)概率進(jìn)行更新的一種研究策略,通過(guò)對(duì)壩體經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及主觀判斷,可以得到一個(gè)更為客觀的計(jì)算結(jié)果[15]。

根據(jù)貝葉斯計(jì)算原理,可在壩體歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中,引入年計(jì)算的滲透破壞損失目標(biāo)值,通過(guò)假設(shè)先驗(yàn)分布情況,計(jì)算得到后驗(yàn)概率,用于評(píng)估復(fù)合地基壩實(shí)際年滲透破壞失效結(jié)果,從而完成對(duì)壩體質(zhì)量安全的評(píng)估。

2 壩體安全評(píng)價(jià)案例分析

2.1 工程概況

選擇甘肅地區(qū)某水利發(fā)電工程為研究對(duì)象,該水電水庫(kù)容量為46.56×108m3。水利壩體工程在我國(guó)行業(yè)規(guī)范中,屬于Ⅱ安全等級(jí)水利工程。壩體到壩頂高程500m,壩頂長(zhǎng)度1 564m,坡高最大為468m。大壩采用復(fù)合地基結(jié)構(gòu),大壩主體處于砂卵石覆蓋層之上,在壩體斜墻區(qū)域設(shè)置1.4厚度的混凝土加固防滲墻。大壩結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 復(fù)合地基壩結(jié)構(gòu)

2.2 混凝土地基壩試驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)綜合安全評(píng)價(jià)方法在復(fù)合體地基壩質(zhì)量安全評(píng)估中的應(yīng)用效果,以滲流量反映壩體的質(zhì)量狀態(tài),選取2020年試驗(yàn)壩體底部與中部?jī)蓚€(gè)重要位置,監(jiān)測(cè)滲流量變化,見(jiàn)圖5。

圖5 復(fù)合地基壩不同位置滲流量預(yù)測(cè)結(jié)果

圖5為兩種監(jiān)測(cè)方法在壩體滲流量預(yù)測(cè)中結(jié)果。壩體由于施工工藝以及選材因素,不同壩體之間防滲效果存在明顯差異。我國(guó)對(duì)壩體工程選擇的防滲墻材料有明確規(guī)定,滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-5cm/s。因此,在滿足標(biāo)準(zhǔn)下,對(duì)試驗(yàn)壩體工程壩底與壩中兩個(gè)重要位置進(jìn)行滲流量監(jiān)測(cè)評(píng)估。

由圖5(a)可知,在監(jiān)測(cè)的5、6、7、8月份,壩體底部滲流量明顯增多。主要原因在于夏季雨量增多,水庫(kù)蓄水量增大,影響壩體的水流量結(jié)果。以7月份監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線來(lái)看,傳統(tǒng)的材料系數(shù)滲流量預(yù)測(cè)結(jié)果為64.45L/s,綜合法滲流量預(yù)測(cè)結(jié)果為30.25L/s,實(shí)際監(jiān)測(cè)滲流量為31.54L/s。整體來(lái)看,綜合法對(duì)壩體滲流量的監(jiān)測(cè)正確率為94.65%,而材料系數(shù)滲流量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為64.56%,綜合法監(jiān)測(cè)效果明顯更好。

由圖5(b)可知,中部與底部相比,整體壓力降低,滲流量明顯減少,同時(shí)滲流量也主要集中于5-8月份期間。根據(jù)壩體滲流量監(jiān)測(cè)曲線來(lái)看,材料系數(shù)預(yù)測(cè)法在壩體滲流量監(jiān)測(cè)中有較大的誤差。主要由于該方法并未考慮流速以及外部作用因素的影響,在整個(gè)滲流量監(jiān)測(cè)中準(zhǔn)確率僅為58.65%,無(wú)法滿足要求。綜合法在壩體中部位置的滲流量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為95.67%,可見(jiàn)綜合法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的材料系數(shù)法。

為了更進(jìn)一步檢驗(yàn)綜合法在壩體質(zhì)量安全中的監(jiān)測(cè)效果,還需要通過(guò)滲透破壞失效率來(lái)反映壩體整體質(zhì)量,見(jiàn)圖6。

圖6 復(fù)合地基壩計(jì)劃目標(biāo)年滲透破壞失效概率結(jié)果

由圖6可知,試驗(yàn)選取了試驗(yàn)壩5年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),來(lái)反映壩體年均滲透破壞損失效率結(jié)果。水位變化會(huì)對(duì)年均滲透破壞失效率造成影響,在2016年1月初,壩體工程剛投入使用階段,年均損失破壞失效率與上游水位均在較低范圍。在2017年后,水位達(dá)到460m以上,年均損失破壞失效率為10-5。同時(shí),在后續(xù)幾年對(duì)壩體進(jìn)行維護(hù),年均損失破壞失效率維持在10-5上下。圖7為復(fù)合地基壩計(jì)劃目標(biāo)年滲透破壞失效概率。

圖7 復(fù)合地基壩計(jì)劃目標(biāo)年滲透破壞失效概率

圖7結(jié)果顯示了3種壩體質(zhì)量評(píng)估方法的年均滲透破壞損失效率。圖7(a)為滲流量與水位變化間的關(guān)系結(jié)果,根據(jù)趨勢(shì)結(jié)果可以看出,水位與滲流量是正比關(guān)系,水位增加,滲流量擴(kuò)大。圖7(b)為3種方法得到年均損失破壞失效率結(jié)果。由結(jié)果來(lái)看,類比法與貝葉斯法均能反映出壩體工程在運(yùn)營(yíng)使用中的滲透破壞失效概率,但綜合法考慮到歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的影響,綜合了另外兩種方法的特點(diǎn),更能直觀反映出工程實(shí)際監(jiān)測(cè)情況,與圖6實(shí)際結(jié)果接近,滿足壩體質(zhì)量評(píng)價(jià)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以超薄復(fù)合地基壩質(zhì)量安全為研究對(duì)象,對(duì)壩體滲透破壞特點(diǎn)進(jìn)行研究,并構(gòu)建滲流量模型?？紤]壩體受水位與時(shí)間周期影響,提出一種綜合性方法,完成對(duì)壩體年均滲透破壞損失效率的分析。與傳統(tǒng)材料系數(shù)法相比,在壩體中部滲流量監(jiān)測(cè)中,綜合法準(zhǔn)確率為95.67%,高于傳統(tǒng)材料系數(shù)法的58.65%。同時(shí),對(duì)試驗(yàn)壩體年均滲透破壞損失效率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。與實(shí)際數(shù)據(jù)相比,綜合法結(jié)合了貝葉斯法與工程類比法的優(yōu)勢(shì),能準(zhǔn)確反映出壩體實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),可更準(zhǔn)確評(píng)估壩體質(zhì)量安全。