梁永樂(lè)

(廣州市水務(wù)科學(xué)研究所，廣東 廣州 510230)

大型堤壩為水土保持、防洪以及安全生產(chǎn)帶來(lái)了可觀的收益。目前，對(duì)堤壩結(jié)構(gòu)實(shí)際測(cè)量性態(tài)的研究主要借助工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行[1- 3]，而且這個(gè)過(guò)程是基于單個(gè)測(cè)點(diǎn)，針對(duì)單個(gè)項(xiàng)目，通過(guò)獲得實(shí)測(cè)效應(yīng)量建立起來(lái)的單測(cè)點(diǎn)數(shù)學(xué)模型，主要包括統(tǒng)計(jì)模型、確定性模型和混合模型3種類型[4- 8]。該單測(cè)點(diǎn)數(shù)學(xué)模型在現(xiàn)有的安全監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用，然而由于單測(cè)點(diǎn)數(shù)學(xué)模型主要反映工程某一部位單個(gè)測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的反饋方面仍存在局限[9- 11]。因此，只有通過(guò)整體地綜合比較、分析和評(píng)價(jià)，才能真正對(duì)堤壩結(jié)構(gòu)的性態(tài)做出確鑿、合理、真實(shí)的評(píng)價(jià)[12- 15]。

本文以廣東省某大型堤壩為例，通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)該堤進(jìn)行了綜合安全評(píng)價(jià)，做到了定量與定性相結(jié)合，并確定了堤壩等級(jí)和分類，為類似堤壩安全評(píng)價(jià)提供一種方法。

1 工程概況

國(guó)內(nèi)某大型堤壩位于南沙區(qū)南沙街南部(如圖1所示)，北以莞佛高速為界，南臨鳧洲水道、蕉門水道，東臨獅子洋，西接慧谷西組團(tuán)。本次慧谷片區(qū)超級(jí)堤工程屬蕉東聯(lián)圍一部分，位于慧谷東組團(tuán)南側(cè)臨蕉門水道、鳧洲水道處，沿岸現(xiàn)有堤頂高程為8.00～8.60m，堤內(nèi)現(xiàn)為城區(qū)及工廠，工程區(qū)北面為黃山魯森林公園，山頂高程約為270m，山體呈北東西向走向，西面為蕉門水道，地形北高南低。

圖1 大型堤壩位置圖

該堤處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)海洋氣候，由于背山面海，海洋性氣候顯著，氣候溫和潮濕，具有溫暖多雨、光熱充足、溫差較小、夏季長(zhǎng)等氣候特征。南沙區(qū)為臺(tái)風(fēng)影響區(qū)，臺(tái)風(fēng)一般發(fā)生在7—9月，根據(jù)1959—1998年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，造成影響的臺(tái)風(fēng)有115次，年均受影響的次數(shù)2.85次，最多為5次/a。臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)力在9級(jí)以上，并帶來(lái)暴雨，破壞力極大。

根據(jù)平面地質(zhì)測(cè)繪及鉆探資料，場(chǎng)區(qū)地層自上而下為:第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層、第四系上更新世沖積層及奧陶紀(jì)二長(zhǎng)花崗巖。堤身填土主要為回填砂質(zhì)粘土、粘土及回填砂卵礫土，灰黃色、褐黃色，填筑不均一，其中填筑厚度1.20～4.70m，層底高程4.30～5.40m，層頂高程6.00～9.00m；填筑厚度2.70～5.20m，層底高程2.30～6.00m，層頂高程2.70～5.20m。根據(jù)地勘報(bào)告提供的壩基允許承載力，各種地層均可滿足本壩系建筑土壩的要求；在滲透方面，由于壩系沒(méi)有水利任務(wù)，對(duì)滲透水量不要求嚴(yán)格控制，但要注重防止?jié)B透變形。

圖2 壩體安全評(píng)價(jià)的遞階層次結(jié)構(gòu)圖

2 可靠性評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)體系

在對(duì)防洪堤壩安全評(píng)價(jià)的過(guò)程中，由于影響土壩安全狀態(tài)的因素非常多，同時(shí)，評(píng)價(jià)過(guò)程中有很多不確定性的因素。因此本文充分調(diào)查和研究國(guó)內(nèi)及國(guó)外關(guān)于土壩安全評(píng)價(jià)的現(xiàn)狀，選用基于層次分析法的模糊數(shù)學(xué)理論。要得到堤壩的安全狀態(tài)或等級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)論，首先對(duì)影響土壩安全狀態(tài)的內(nèi)在因素進(jìn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)因素的分析，這些因素包括物理與邏輯上的相互關(guān)系，除此之外還要遵循一定的選擇原則，并綜合考慮實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)理論規(guī)范，從整體的角度出發(fā)確定各個(gè)層次的指標(biāo)因素。通過(guò)綜合各因素來(lái)構(gòu)建矩陣，從而建立起土壩安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)體系，如圖2所示。在評(píng)價(jià)體系建立之后，要逐層進(jìn)行安全判斷并將結(jié)果綜合，使待解的問(wèn)題層次化。繼而加以解決，得出最終的綜合的可靠的安全評(píng)價(jià)結(jié)果。

借助于層次分析方法并結(jié)合堤壩建設(shè)與管理運(yùn)行的特點(diǎn)，首先將與防洪壩系安全有關(guān)的各種因素條理化層次化，選取影響防洪壩系的因素，構(gòu)造出一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu)模型。

2.2 評(píng)價(jià)集

在具體實(shí)施過(guò)程中，當(dāng)我們?cè)趯?duì)堤壩安全狀態(tài)做出評(píng)價(jià)時(shí)，首先對(duì)所提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，并給出這些因素的優(yōu)缺點(diǎn)。我國(guó)將壩體的安全分為A、B、C 3類，通過(guò)具體的分類可以對(duì)堤壩安全評(píng)價(jià)進(jìn)行鑒定，并將結(jié)果作為土壩除險(xiǎn)加固的依據(jù)。將這種方法應(yīng)用到具體實(shí)際中時(shí)，要求壩體管理者對(duì)堤壩當(dāng)前的安全性態(tài)有充足的動(dòng)態(tài)的掌握以及對(duì)堤壩安全狀態(tài)做出更精準(zhǔn)的判斷?；谶@些考慮，在對(duì)堤壩進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)，根據(jù)具體情況，將堤壩的安全標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個(gè)不同等級(jí)，即將安全標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)集分為5級(jí)，見表1。

表1 評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)表

2.3 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

2.3.1工程質(zhì)量評(píng)價(jià)

工程質(zhì)量評(píng)價(jià)從水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件出發(fā)，通過(guò)以下2個(gè)方面進(jìn)行:①檢查工程的實(shí)際施工質(zhì)量是否符合國(guó)家現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范；②檢查工程投入使用運(yùn)行以來(lái)實(shí)際實(shí)施狀況以及質(zhì)量變化。借此來(lái)考察其能否保證工程的安全運(yùn)行。在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)于土壩工程質(zhì)量的評(píng)價(jià)則主要包括壩基及岸坡、防滲和護(hù)坡2個(gè)方面。

2.3.2堤壩運(yùn)行管理評(píng)價(jià)

對(duì)堤壩進(jìn)行運(yùn)行管理主要是為了在對(duì)堤壩進(jìn)行安全鑒定時(shí)，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠提供給我們堤壩運(yùn)行時(shí)的性狀等方面的基礎(chǔ)資料，在具體實(shí)施過(guò)程中，其主要評(píng)價(jià)的內(nèi)容包括調(diào)度管理、檢查監(jiān)測(cè)、定期巡檢、養(yǎng)護(hù)修理。

2.3.3防洪標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)

對(duì)于堤壩而言，防洪是一項(xiàng)重要的工作，需要掌握大量的水文資料，包括堤壩設(shè)計(jì)階段通過(guò)計(jì)算所得的洪水以及運(yùn)行期間延長(zhǎng)的水文資料。鑒于堤壩建成后各項(xiàng)活動(dòng)的影響和堤壩工程狀況隨時(shí)間的推移會(huì)出現(xiàn)的種種問(wèn)題，需要進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)及復(fù)核計(jì)算，綜合考慮上述因素，對(duì)堤壩抗洪能力的工程狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。除此之外，考慮到建壩后各種活動(dòng)的影響以及隨時(shí)間的推移堤壩的工程現(xiàn)狀，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪和復(fù)核的計(jì)算，通過(guò)綜合考慮上述因素評(píng)價(jià)堤壩抗洪能力的工程效果，從結(jié)果上看防洪壩現(xiàn)狀是否滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范的要求。換句話說(shuō)就是最大泄流量能否安全下泄，對(duì)于這一指標(biāo)的評(píng)價(jià)主要包括防洪能力與泄洪能力2個(gè)方面。

2.3.4結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

在實(shí)際過(guò)程中，壩體的結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指的是，通過(guò)復(fù)核計(jì)算出堤壩靜力條件下的狀態(tài)是否滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范要求。除常規(guī)狀況，當(dāng)遭遇地震類似震動(dòng)狀況時(shí)，我們需要對(duì)堤壩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震安全復(fù)核。

2.3.5滲流安全評(píng)價(jià)

滲流安全對(duì)大壩的安全而言是潛在的巨大影響因素，滲流破壞是影響土壩安全的主要原因之一。滲流安全性評(píng)價(jià)就是通過(guò)復(fù)核堤壩滲流條件，保證堤壩按設(shè)計(jì)的條件安全運(yùn)行，這些滲流條件包括原設(shè)計(jì)施工的滲流控制措施，以及實(shí)際滲流狀態(tài)。滲流安全性評(píng)價(jià)內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： ①反濾排水設(shè)施是否完善，設(shè)計(jì)施工是否滿足現(xiàn)行有關(guān)的規(guī)范和要求，防滲設(shè)施是否健全；②從壩體歷史角度看，了解過(guò)去檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題是否對(duì)壩體安全造成影響；③通過(guò)對(duì)堤壩防滲性能和反濾排水條件的分析，預(yù)測(cè)未來(lái)高水位堤壩的滲流安全性；④對(duì)于那些已經(jīng)出現(xiàn)了問(wèn)題的堤壩，需要分析其產(chǎn)生的原因和可能帶來(lái)的危害。在防洪壩系的實(shí)際應(yīng)用中，我們主要是對(duì)以下幾個(gè)指標(biāo)因素進(jìn)行了分析研究，包括出逸點(diǎn)、位勢(shì)、壩體滲透水壓力與下游排水設(shè)施。

2.4 評(píng)價(jià)權(quán)重

首先根據(jù)前人的研究總結(jié)及專家的意見，結(jié)合對(duì)土壩安全評(píng)價(jià)目標(biāo)的觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)專家打分表，以Excel表格形式展現(xiàn)出來(lái)。然后找專家打分，要求專家長(zhǎng)期在堤壩安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域工作并非常熟悉防洪壩系，打分的方式則采用背靠背單獨(dú)打分，打分完成后，將打分成果匯總?cè)缓筮M(jìn)行分析。最后采用層次分析法，計(jì)算得出評(píng)價(jià)權(quán)重。

3 可靠性分析應(yīng)用

3.1 影響因素指標(biāo)權(quán)重

通過(guò)矩陣計(jì)算得到影響土壩安全的各因素指標(biāo)的權(quán)重，通過(guò)匯總后其權(quán)重系數(shù)見表2。

表2 權(quán)重表

從表2我們可以看出，工程質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)行管理這3個(gè)指標(biāo)所占的權(quán)重比較大，符合實(shí)際情況。并且5大影響指標(biāo)里的各個(gè)影響因素所占的權(quán)重結(jié)果也是比較理想的。

3.2 壩體安全等級(jí)

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法把評(píng)判指標(biāo)因素集作為評(píng)判的結(jié)果，具體反映了防洪壩安全等級(jí)或者狀態(tài)?？v坐標(biāo)表示隸屬度，在各評(píng)價(jià)等級(jí)下各個(gè)影響因素的安全等級(jí)分布狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算得出的土壩安全評(píng)價(jià)等級(jí)柱狀圖如圖3所示。

圖3 壩體安全評(píng)價(jià)等級(jí)

通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)決策法判定該防洪壩系工程項(xiàng)目的安全狀態(tài)等級(jí)屬于B級(jí)，結(jié)果表明，土壩基本正常，安全狀況良好，建議對(duì)高水位下堤壩安全狀態(tài)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，確保工程安全運(yùn)行以及經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的最大化。采用構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系模型得出的結(jié)果與實(shí)際的土壩現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證且修正了模型的可靠性。

4 結(jié)論

結(jié)合廣東某大型堤壩的工程實(shí)際，對(duì)堤壩工程實(shí)例進(jìn)行了安全綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)技術(shù)的研究。在綜合掌握了國(guó)內(nèi)外關(guān)于模糊綜合評(píng)價(jià)技術(shù)研究的現(xiàn)狀下，提出了適合于該防洪堤壩安全綜合評(píng)價(jià)的模型和方法，并簡(jiǎn)要開發(fā)適用于土壩安全綜合評(píng)價(jià)的模型。通過(guò)對(duì)堤壩安全現(xiàn)狀進(jìn)行安全評(píng)價(jià)和分析，該堤壩安全綜合評(píng)價(jià)的系統(tǒng)理論模型和方法有效，為以后其他類似堤壩的安全評(píng)價(jià)提供了良好的評(píng)價(jià)支持。