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        突變評價法在均質(zhì)土壩安全風(fēng)險管理中的應(yīng)用研究

        2018-12-31 00:00:00凌建平周志威
        水能經(jīng)濟(jì) 2018年9期

        【摘要】土石壩是我國水庫建筑的主要形式,對我國水利工程建設(shè)具有重要的意義。然而,根據(jù)國內(nèi)外大壩事故統(tǒng)計結(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)土壩作為水庫堤壩,對土壩的安全風(fēng)險管理極為重要。本文將基于突變評價法(CTEM),綜合考慮各風(fēng)險因素的影響,以某水庫均質(zhì)土壩為例,進(jìn)一步研究均質(zhì)土壩安全風(fēng)險評估方法與管理措施。

        【關(guān)鍵詞】均質(zhì)土壩;突變評價法;安全風(fēng)險管理

        前言

        據(jù)統(tǒng)計,目前我國建成的大中小型水庫將近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%,在我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(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或在運行過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,對均質(zhì)土壩進(jìn)行安全風(fēng)險評估迫在眉睫。

        近年來,國內(nèi)學(xué)者先后對土石壩類水利工程安全風(fēng)險管理作出深入的研究。鄭小武、王薇、謝洪等基于綜合評價法對土石壩安全風(fēng)險進(jìn)行定量評估;陳璽、王篤波等深入影響地震對土石壩安全的影響并做出安全風(fēng)險分析;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)險剖析。本文將基于均質(zhì)土壩安全研究現(xiàn)狀,利用突變評價法,對均質(zhì)土壩安全風(fēng)險管理進(jìn)行研究。

        1、工程概況

        四川某水庫,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。水庫總?cè)萘考s126萬m3,水庫控制流域面積約21萬km2 ,屬于?。á瘢┬退畮?。水庫大壩為均質(zhì)土壩,高19.5m,壩長約135.9m,土壩工程等級為Ⅳ等,設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。水庫建成于1962年12月,使用年齡已逾50年,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,九江市鄱陽縣某水庫均質(zhì)土壩存在一定的安全隱患。

        2、風(fēng)險因素識別

        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)計高度不夠。當(dāng)季節(jié)性或偶發(fā)性洪水發(fā)生時,由于設(shè)計高度不夠(或是壩體沉降),壩頂高度未能達(dá)到要求高度,導(dǎo)致洪水漫過壩頂;第二,泄洪力不足。泄洪力不足的原因是由設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)達(dá)不到要求,導(dǎo)致溢洪道堵塞,水庫水位抬升;第三,洪水量超標(biāo)。區(qū)域強(qiáng)降雨超過預(yù)計標(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)行除險加固前,需要對大壩的安全做出評價,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線位置不合理、壩體滲透系數(shù)過高等因素造成,會造成均質(zhì)土壩內(nèi)部破壞,引發(fā)壩體滑坡。

        3、突變評價法

        3.1突變評價理論簡介

        突變理論最初是由法國數(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,主要是對自然界或者社會中所產(chǎn)生的情形當(dāng)中發(fā)生不連續(xù)性地變化過程進(jìn)行解釋,詳細(xì)描述了現(xiàn)實中所產(chǎn)生現(xiàn)象為什么會從形態(tài)的一種形式突然躍到完全不同地另外一種形式。其中一個重要的特點就是研究社會領(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,來推測未來事物,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。突變理論通過對勢函數(shù)分叉集方程中控制變量歸一化,利用突變評價準(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 4 個時,常見的突變模型的分解方式有三種,如圖1所示

        3.2風(fēng)險指標(biāo)體系構(gòu)建

        采用突變評價法對土石壩的安全做出評價時,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,同時對各因素的重要度進(jìn)行排序。(2)根據(jù)實際工程數(shù)據(jù)確定各底層指標(biāo)評價值,并進(jìn)行無量綱處理,使其都在[0,1]范圍內(nèi)突變模糊隸屬度值。(3)運用歸一公式及評價準(zhǔn)則,逐步遞歸求出最終的綜合評價值,見表1。

        在突變模型中各控制變量對狀態(tài)變量的重要度排序,根據(jù)實際運行中控制變量與狀態(tài)變量的對立統(tǒng)一關(guān)系所決定的,在運用突變評價法進(jìn)行分析時,應(yīng)該首先根據(jù)重要度對對控制變量進(jìn)行排序。由于在突變評價法中,控制變量重要度的排序?qū)υu價結(jié)果影響很大,所以要根據(jù)實際工程,并且借助以往經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析及咨詢各專家,來進(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,通過具體的工程對各位具有多年實際研究經(jīng)驗的專家進(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)險評價模型構(gòu)建

        建立風(fēng)險評價模型,需要根據(jù)已得評價值,按照突變模型進(jìn)行計算,突變評價法歸一公式如下表2所示:

        4、結(jié)語

        以某水庫均質(zhì)土壩為例,根據(jù)實地調(diào)查以及個人工程經(jīng)驗進(jìn)行安全風(fēng)險因素辨析,最后基于突變評價法對各安全風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行定量評價并得出最后得分結(jié)果,按照安全標(biāo)準(zhǔn)對均質(zhì)土壩的安全等級進(jìn)行劃分并給出相應(yīng)建議,以期達(dá)到對國內(nèi)均質(zhì)土壩進(jìn)行合理的安全風(fēng)險評估與管理。

        參考文獻(xiàn):

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