吳為民，董文鼎，黃院生，謝秀棟

（1.福建省水利管理中心，福建 福州 350001；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350001）

0 引言

福建省地處東南沿海，洪、澇、潮、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害頻繁，興修水利用以防洪、灌溉等功能。截至2019 年，福建省已建水庫(kù)合計(jì)3665 座，其中，大型水庫(kù)21 座，中型水庫(kù)188 座，?。ㄒ唬┬退畮?kù)748 座，小（二）型水庫(kù)2708 座。土石壩在福建省水庫(kù)大壩中所占比例極高，經(jīng)統(tǒng)計(jì)福建省土石壩共有2011 座，占全省水庫(kù)總座數(shù)的55%。福建省現(xiàn)有的土石壩多數(shù)修建于上世紀(jì)中后期，“三邊”工程特點(diǎn)顯著，特別是對(duì)于中小型水庫(kù)而言，工程質(zhì)量差和防洪標(biāo)準(zhǔn)低等出險(xiǎn)因素屢見不鮮。

本文采集福建省典型土石壩的出險(xiǎn)因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建具有區(qū)域特色的安全評(píng)價(jià)體系，并計(jì)算大壩安全綜合值，定量分析大壩的安全狀態(tài)，使大壩安全鑒定分析更加直觀。

1 土石壩出險(xiǎn)因素分析

1.1 福建省土石壩非潰壩出險(xiǎn)因素

為了對(duì)福建省土石壩進(jìn)行合理安全評(píng)估，選取福建省3座大型水庫(kù)、18 座中型水庫(kù)、27 座小型水庫(kù)，總計(jì)48 座水庫(kù)先后發(fā)生過的156 宗工程事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照事故的型式，將出險(xiǎn)因素分為9 大類和16 小類。9 大類為滲漏、管涌、裂縫、護(hù)坡破壞、滑坡塌坑、沖刷破壞、氣蝕破壞、閘門啟閉失控、白蟻打洞及其他事故。其中裂縫分為大壩鋪蓋裂縫、壩體裂縫和其他建筑物裂縫。滲漏分為壩體滲漏、壩頭繞滲、壩基滲漏、溢洪道和輸水洞滲漏。滑坡塌坑分為大壩塌坑、大壩滑坡和庫(kù)坡滑塌。福建省典型土石壩非潰壩出險(xiǎn)因素統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1。

圖1 福建省典型土石壩非潰壩出險(xiǎn)因素統(tǒng)計(jì)

由于年代因素，土石壩存在裂縫、滲漏等隱患普遍存在于各類土石壩中，影響程度不一。通過對(duì)福建省典型土石壩風(fēng)險(xiǎn)源的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，土石壩滲漏是病險(xiǎn)中最常見的災(zāi)害。主要的根源可能在于大壩興建于新中國(guó)成立初期，壩體施工質(zhì)量欠佳、防滲鋪蓋長(zhǎng)度不足、地質(zhì)情況勘探模糊、壩體內(nèi)新舊土層結(jié)合不好、壩內(nèi)埋管與壩體接合不嚴(yán)密、壩體內(nèi)排水系統(tǒng)淤堵失效或無排水系統(tǒng)、未嚴(yán)格按規(guī)范要求對(duì)山體間的裂隙巖層進(jìn)行止水處理、壩基防滲體系缺陷嚴(yán)重、壩基灌漿未達(dá)到設(shè)計(jì)要求、灌漿封孔不夠嚴(yán)密等。

裂縫也是土石壩風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)中常見的現(xiàn)象，多處部位易發(fā)生裂縫，其根源包括壩體不均勻沉降、壩體填料純度較差、基礎(chǔ)處理不佳、填料含水率控制不當(dāng)、碾壓不密實(shí)、壩坡設(shè)計(jì)較陡、砌筑工藝不良、施工接合面處置欠佳、壩下涵管埋設(shè)不合理、地震凍融等[1]。

在數(shù)座土石壩統(tǒng)計(jì)資料中，白蟻打洞安全隱患發(fā)生的占比較高，主要?dú)w因于福建當(dāng)?shù)匮谉岢睗竦臍夂蛴绊?，蟲蟻災(zāi)害較為頻繁。大壩服役時(shí)間過長(zhǎng)，日積月累，引起結(jié)構(gòu)破損，強(qiáng)度降低等。

1.2 全國(guó)土石壩潰壩出險(xiǎn)因素

《全國(guó)水庫(kù)垮壩登記冊(cè)》按照事故的型式，將出險(xiǎn)因素共分為5 大類和16 小類。5 大類為漫壩、質(zhì)量問題、管理不當(dāng)、其他原因和原因不詳。其中漫壩包括泄洪能力不足和洪水超設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)量問題包括壩體滲漏、壩體滑坡、基礎(chǔ)滲漏、溢洪道滲漏、溢洪道質(zhì)量問題、輸水洞滲漏和輸水洞質(zhì)量問題。管理不當(dāng)包括超蓄而維護(hù)運(yùn)用不良、降低防洪標(biāo)準(zhǔn)、溢洪道筑捻不及時(shí)拆除而導(dǎo)致漫壩和無人管理。其他原因包括庫(kù)區(qū)或溢洪道巖坡塌方堵塞泄洪設(shè)施、人工扒壩泄洪和工程布置不當(dāng)[2]。

雖然福建省土石壩發(fā)生潰壩事故案例較少，但為了使土石壩整體性安全評(píng)價(jià)具有客觀結(jié)論，需要將引起潰壩事故與非潰壩性事故的隱患及原因結(jié)合分析。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果反映大壩的病險(xiǎn)程度，從而進(jìn)一步制定有效的解決方案進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

圖2 全國(guó)土石壩潰壩出險(xiǎn)因素統(tǒng)計(jì)

從圖2 可知，導(dǎo)致潰壩的因素眾多，漫壩和壩體滲漏是其中顯著的兩個(gè)因素，占所有出險(xiǎn)因素的74.2%。鑒于土石壩材料具有特殊性，一旦發(fā)生漫壩事件，則將導(dǎo)致潰壩等嚴(yán)重后果。

土石壩因防滲體裂縫產(chǎn)生滲流集中通道，形成管涌現(xiàn)象，導(dǎo)致壩體滲漏，嚴(yán)重情況下將發(fā)生潰壩。產(chǎn)生的此隱患主要原因包括：心墻裂縫漏水、壩體單薄或土料透水性大、壩體不均勻沉降、壩后反濾排水體高度不夠、反濾層或反濾設(shè)施質(zhì)量差等。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，福建省病險(xiǎn)水庫(kù)大多為山區(qū)性水庫(kù)，不同于平原水庫(kù)，其特點(diǎn)是：山區(qū)水庫(kù)大部分壩體相對(duì)較高、壩長(zhǎng)較短，防滲墻質(zhì)量一般。存在的主要問題有：壩頂及壩后坡裂縫、變形，背水坡滲漏、濕坡，壩內(nèi)浸潤(rùn)線高，溢洪道和輸水洞滲漏等影響壩體穩(wěn)定安全。

2 土石壩評(píng)價(jià)體系建立

2.1 土石壩風(fēng)險(xiǎn)事件關(guān)系模型

根據(jù)福建省典型土石壩風(fēng)險(xiǎn)源的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將出險(xiǎn)因素逐層分解便可得到影響土石壩風(fēng)險(xiǎn)的基本事件T，土石壩風(fēng)險(xiǎn)的事件關(guān)系見圖3。

圖3 土石壩風(fēng)險(xiǎn)事件關(guān)系圖

2.2 大壩安全評(píng)價(jià)的綜合值計(jì)算

在構(gòu)建安全評(píng)價(jià)體系過程中，最為關(guān)鍵的是針對(duì)每一風(fēng)險(xiǎn)事件確定與其對(duì)應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重。目前常見確定指標(biāo)權(quán)重的理論包括模糊綜合法，層次分析法，專家調(diào)查加權(quán)法和德爾菲加權(quán)法。查閱在以往土石壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究中發(fā)現(xiàn)，所涉及的影響因素較多且有交互作用和隨機(jī)組合的可能性，較難得到準(zhǔn)確性高的結(jié)論。因此本文在對(duì)福建省土石壩風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)的過程中，在多層次分析法的基礎(chǔ)上引入模糊數(shù)學(xué)理論，建立土石壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，使評(píng)估過程更加客觀可信。期許對(duì)未來可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)或潛在的風(fēng)險(xiǎn)做出更可靠的預(yù)測(cè)。

模糊層次分析法評(píng)價(jià)思路是：首先歸納影響事件安全性的出險(xiǎn)因素，確定因素間的因果關(guān)系，對(duì)事件建立多層次遞階的結(jié)構(gòu)模型，形成評(píng)價(jià)體系。其次根據(jù)已經(jīng)確定的評(píng)價(jià)因素、因子評(píng)價(jià)等級(jí)和權(quán)重的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論，決定層次間因素的相對(duì)重要性，構(gòu)造因素間的判斷矩陣，對(duì)多層次間的關(guān)系進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，確定各判斷矩陣能否符合一致性檢驗(yàn)。最后建立恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)集，通過綜合重要度的計(jì)算進(jìn)行分析[3]。

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的指標(biāo)水平邊界的模糊性，為了得到更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，因此建立各指標(biāo)的分級(jí)隸屬函數(shù)[4]，用下列式（1）～（3）表示。對(duì)于定性指標(biāo)，需要根據(jù)相關(guān)的規(guī)范和工程實(shí)際情況進(jìn)行打分，并將其轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)，然后根據(jù)定量指標(biāo)的構(gòu)造方程得到對(duì)應(yīng)得評(píng)價(jià)矩陣，將評(píng)價(jià)矩陣與對(duì)應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重值利用式（4）進(jìn)行點(diǎn)乘，結(jié)果為福建省典型土石壩安全評(píng)價(jià)的綜合分值。

構(gòu)造方法利用下列公式：

圖4 基于模糊層次分析法的土石壩流程圖

3 工程實(shí)例分析

某水庫(kù)位于福建省境內(nèi)，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電、供水等功能效益的重要中型水庫(kù)，水庫(kù)建設(shè)于1968 年，至今經(jīng)歷過三次加固改造。

該水庫(kù)樞紐工程由主、副壩、溢洪道、輸水涵洞等組成。主壩壩型為粘土心墻土石混合壩，最大壩高47.40 m，壩頂長(zhǎng)度431 m，壩頂寬度6.3 m，副壩位于河道左岸，系多種土質(zhì)壩，經(jīng)多次加固后，現(xiàn)有壩頂長(zhǎng)度182.50 m，最大壩高22.90 m，壩頂寬度5.80 m，壩頂高程為77.40 m。溢洪道由進(jìn)水口、閘室段、陡坡段等組成，進(jìn)水口為八字墻的矩形槽，底板高程為62.5 m，閘室部分包括閘墩、底板、胸墻等為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，閘室內(nèi)設(shè)5 孔6 m×5 m 的弧型鋼閘門。輸水涵洞位于在主壩右岸，由進(jìn)水段、放水塔等組成。

依據(jù)《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL 258-2000），并結(jié)合福建土石壩風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系圖與多位專家意見，選取27 個(gè)影響土石壩安全評(píng)定的子因素指標(biāo)，形成由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層3 個(gè)層次構(gòu)成的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見圖5。

圖5 土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)各子因素指標(biāo)安全性評(píng)價(jià)的具體情況，按圖5 土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造判斷矩陣并計(jì)算相應(yīng)的權(quán)重，得到的結(jié)果見表1。

表1 判斷矩形A-B 數(shù)值

根據(jù)上表可得WA=（0.2454，0.0516，0.1378，0.2783，0.1139，0.1395，0.0334），同理可得各級(jí)因素的權(quán)重，WB1，WB2，WB3，WB4，WB5，WB6，WB7，經(jīng)確定，各判斷矩陣均滿足一致性檢驗(yàn)，因此不需要再進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)大壩實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，將指標(biāo)等級(jí)劃分為合格、基本合格、待整改3 個(gè)級(jí)別，得到系統(tǒng)的評(píng)價(jià)集為V={vA，vB，vC}，通過專家檢驗(yàn)法確定隸屬函數(shù)的閾值為（3，6，8），專家根據(jù)大壩實(shí)際情況及報(bào)告打分為U={3，6，4，7，4，3，5，3，3，4，3，7，5，5，4，4，6，6，7，6，7，3，6，4，5，5，4}。

利用上述公式，得評(píng)價(jià)矩陣為：

同理可得RB2，RB3，RB4，RB5，RB6，RB7。

根據(jù)水庫(kù)大壩總體評(píng)價(jià)矩陣，由此計(jì)算得到各層的評(píng)價(jià)為EB1=（0.0844，0.3877，0.5278），同理可得EB2，EB3，EB4，EB5，EB6，EB7，大壩的綜合評(píng)價(jià)EA=（0.0672，0.4519，0.4895）。

在轉(zhuǎn)化為定量評(píng)估過程中，采用P=EVT來表示水庫(kù)大壩綜合安全評(píng)價(jià)值，把評(píng)語(yǔ)集V={不安全，基本安全，安全}定量化為V=（8，6，3），顯然指標(biāo)值越小安全性越高。經(jīng)計(jì)算，B 層評(píng)價(jià)中，得出的大壩運(yùn)行管理和抗震安全復(fù)核評(píng)價(jià)值較小，對(duì)應(yīng)的安全度較高，滲流安全評(píng)價(jià)值較大，對(duì)應(yīng)的安全度較低，應(yīng)對(duì)大壩進(jìn)行防滲加固，并繼續(xù)加強(qiáng)大壩滲流監(jiān)測(cè)。某水庫(kù)綜合安全評(píng)價(jià)中，指標(biāo)值為4.72，按照等級(jí)劃分級(jí)別，屬于基本安全，因此將該土石壩安全等級(jí)定為三類壩，評(píng)價(jià)中反映情況與實(shí)際情況相符。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）基于福建省典型土石壩安全隱患的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合地域特點(diǎn)下的土石壩出險(xiǎn)因素，分析風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的主要原因。集成統(tǒng)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)因素，建立土石壩風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為福建省土石壩安全鑒定提供參照。

（2）將層次分析法與模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合，構(gòu)建適合福建省土石壩風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型，通過工程實(shí)例的應(yīng)用，分析結(jié)果具有實(shí)際意義，是一種適用于大壩安全評(píng)價(jià)的簡(jiǎn)易方法。