陳 勇

(撫州市水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,江西 撫州 344100)

0 引 言

近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水利樞紐工程的建設(shè)受到越來(lái)越多的關(guān)注。壩體是水利樞紐工程的重要組成部分,其安全性直接影響著整個(gè)水利樞紐工程的安全性。針對(duì)這一問(wèn)題,開展壩體安全評(píng)價(jià)模型的研究就顯得尤為重要[1-2]。羅倫等[3]指出,水庫(kù)大壩滲流的滲透系數(shù)與滲透深度呈正相關(guān),滲透系數(shù)隨著深度的增加而增大,滲透深度的增加會(huì)增加滲流的水位變化。李偉等[4]采用反濾設(shè)計(jì)方案,有效提高了壩壩體的抗?jié)B性能,保障壩壩體的安全運(yùn)行。李曉楊等[5]研究分析了水庫(kù)大壩的滲流安全問(wèn)題,并進(jìn)行了安全鑒定和評(píng)價(jià)分析。以上研究?jī)H針對(duì)某一特定壩壩體滲流進(jìn)行評(píng)價(jià),壩體安全評(píng)價(jià)模型缺乏統(tǒng)一性,缺乏復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全的分析。

為了解決上述問(wèn)題,本文基于水利樞紐工程壩體安全評(píng)價(jià)模型,提出復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全分析方法。研究以層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)為基礎(chǔ),構(gòu)建復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全分析模型,通過(guò)對(duì)復(fù)合地基壩體安全性因素進(jìn)行定量分析,評(píng)價(jià)復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全狀況。

1 江西撫州水利工況概述

在水利樞紐工程建設(shè)中,復(fù)合地基壩體的質(zhì)量安全受到越來(lái)越多的關(guān)注[6]。但目前對(duì)復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全的研究較為有限,本文基于水利樞紐工程壩體安全評(píng)價(jià)模型,對(duì)江西撫州地基壩體質(zhì)量安全進(jìn)行分析。

撫州市地處江西省東部,總面積1.88×104km2,包含兩個(gè)重點(diǎn)開發(fā)區(qū),即撫州國(guó)家級(jí)高新技術(shù)開發(fā)區(qū)和東臨新區(qū)。撫州市東部與福建省建寧縣、光澤縣等相鄰,南部與石城縣、寧都縣相接,西部連接永豐縣和豐城市,北部毗鄰貴溪市、余干縣及進(jìn)賢縣。撫州市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,氣候濕潤(rùn),雨量充沛,全市年平均氣溫17.06℃～18.44℃,年平均降水量740.7～2003.3mm,年平均日照時(shí)數(shù)1 585.5h。撫州市主要包含三大水系,即撫河、信江、贛江,河流數(shù)量總計(jì)約470條。除贛江水系烏江外,其余河流均自南向北匯入鄱陽(yáng)湖,較大支流包括黎灘河、臨水等[7]。

撫州市內(nèi)建成的大型水庫(kù)主要有洪門水庫(kù)和廖坊水庫(kù),灌溉面積5.3×104hm2,總庫(kù)容16.46×108m3。中型水庫(kù)有燎源、麻源等20座,總庫(kù)容5.72×108m3,灌溉面積4.2×104hm2。其中,洪門水庫(kù)正常蓄水位100m(黃?；?,死水位92m,500年一遇設(shè)計(jì)洪水位103.52m,可能最大洪水位(校核洪水位)107.2m。水庫(kù)總庫(kù)容12.14×108m3,興利庫(kù)容3.74×108m3,死庫(kù)容1.68×108m3。廖坊水庫(kù)位于撫河干流中游,水庫(kù)正常蓄水位65m(黃?；?,死水位61m,100年一遇設(shè)計(jì)洪水位67.94m。水庫(kù)防洪庫(kù)容3.1×108m3,興利庫(kù)容1.14×108m3,死庫(kù)容8 600×104m3,總庫(kù)容4.32×108m3。正常蓄水位時(shí),水面面積37.8km2,庫(kù)容2×108m3,系季調(diào)節(jié)性河道型水庫(kù)。樞紐工程主要由主壩、副壩、電站廠房、灌溉進(jìn)水閘組成[8]。金臨渠位于撫河中游東岸,灌區(qū)覆蓋金溪、東臨新區(qū)、臨川的多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。灌溉引水流量24～29m3/s,灌溉農(nóng)田1.17×104hm2。宜惠渠工程由引水壩、干渠、渡槽、水閘、涵閘等組成,引水壩為干砌石壩、最大壩高1.1m。干渠長(zhǎng)19.2km、寬10m,灌溉面積4 266hm2,控制流域面積為2 217km2,裝機(jī)容量4 000kW,年平均發(fā)電量1 480×104kW·h。

撫州水利工程具有防洪澇災(zāi)害、蓄水供水、調(diào)節(jié)水土保持、改善環(huán)境等功能,對(duì)撫州經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展至關(guān)重要,是撫州糧食生產(chǎn)、水利水電開發(fā)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱。撫州水利工程系統(tǒng)建設(shè),有效地改善了撫州整體水環(huán)境,解決了撫州糧食生產(chǎn)、水利水電開發(fā)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的短板,為撫州經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了有力支持[9]。撫州水利工程的建設(shè),為撫州市造就了一個(gè)較為安全、利用率高、資源高效利用的水利系統(tǒng),改善了撫州地區(qū)的水環(huán)境,解決了撫州地區(qū)的水資源問(wèn)題,為撫州經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了有力支持。由于地震、洪水、土體不穩(wěn)定等外因因素的影響,水利樞紐工程壩體的安全性也受到較大的威脅。因此,基于水利樞紐工程壩體安全評(píng)價(jià)模型,對(duì)撫州水利工程中的復(fù)合地基壩體的質(zhì)量安全進(jìn)行分析評(píng)估,以確保工程安全可持續(xù)運(yùn)行。

2 復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全評(píng)估模型構(gòu)建

水利樞紐工程壩體安全評(píng)價(jià)模型是以壩體的荷載、反應(yīng)、穩(wěn)定性為基礎(chǔ),結(jié)合工程地質(zhì)、建筑物、排水、施工質(zhì)量等因素,利用統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、概率統(tǒng)計(jì)等方法,綜合考慮復(fù)合地基壩體的安全性,評(píng)估其安全程度及其對(duì)外界變化的響應(yīng)能力等[10]。而層次分析法與其他方法相比具有許多優(yōu)點(diǎn),它更容易理解,可以更快捷地分析復(fù)雜的系統(tǒng)和問(wèn)題,并且可以使用各種數(shù)據(jù),從而更好地評(píng)估壩體安全性。它可以將復(fù)雜的問(wèn)題分解為簡(jiǎn)單的子問(wèn)題,使研究者能夠更好地理解和評(píng)估問(wèn)題[11]。

層次分析法是根據(jù)兩個(gè)反差系數(shù)的相關(guān)性來(lái)構(gòu)造B類判斷矩陣,并確定兩者間的相關(guān)性。利用B的屬性對(duì)矩陣進(jìn)行計(jì)算,判定其相容性。該方法的具體實(shí)現(xiàn)方法為利用和積法,對(duì)各個(gè)列的因素進(jìn)行規(guī)范化處理,得出各因子的一般項(xiàng),公式如下:

b1=b2/∑bn

(1)

式中:bn為第n個(gè)因素;b1、b2為第一個(gè)因素和第二個(gè)因素;∑bn為第一個(gè)因素和第n個(gè)因素之間的總和。

利用B類判斷矩陣,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,評(píng)價(jià)各因素的相關(guān)性,判定矩陣必須符合統(tǒng)一的條件,對(duì)于一階和二階判斷矩陣,其整體上符合;若次序超過(guò)2時(shí),則先求出相容指數(shù)的下一步,具體公式如下:

(2)

式中:CI為一致性指標(biāo);n為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量;λmax為特征值的主向量。

然后,計(jì)算出平均隨機(jī)一致性指數(shù)RI,用500個(gè)抽樣矩陣隨機(jī)生成RI。判定矩陣的一致性指數(shù)CI和RI的比例稱為隨機(jī)一致性比率,用CR表示[12]。當(dāng)CR<0.1時(shí),認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性。研究將復(fù)合地基壩體質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)分為5個(gè)一級(jí)指標(biāo),18個(gè)二級(jí)指標(biāo),具體見表1。

表1 復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全評(píng)估體系架構(gòu)

由表1可知,復(fù)合地基壩體質(zhì)量評(píng)估模型下包括一級(jí)指標(biāo)(B):壩體結(jié)構(gòu)概況、壩體結(jié)構(gòu)安全、工程抗震性、維護(hù)管理、水利設(shè)施;二級(jí)指標(biāo)(C)中,壩體結(jié)構(gòu)概況包括體積、尺寸、材料類型、地質(zhì)條件[13-14]。壩體結(jié)構(gòu)安全包括壩體的穩(wěn)定性、抗滑移能力、抗沖刷能力、抗沉降能力、抗傾覆能力;工程抗震性包括壩體的地震動(dòng)響應(yīng)、建筑物抗震性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震性能;維護(hù)管理包括定期維護(hù)、定期檢測(cè)、定期修復(fù);水利設(shè)施包括水閘的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行等。

判斷矩陣的數(shù)值是對(duì)每個(gè)評(píng)估因素相對(duì)重要性的最直觀反映,其值的大小尺度、重要性以及判斷矩陣元素aij的標(biāo)度方法見表2。表2中的矩陣判定標(biāo)度,表示不同評(píng)估因素之間的相對(duì)重要性[15]。

表2 矩陣判定標(biāo)度及其含義

3 基于層次分析法的水利復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全評(píng)估應(yīng)用效果分析

研究針對(duì)撫州水利復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全評(píng)估應(yīng)用層次分析法進(jìn)行分析,并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)層次分析法,可以有效分析復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全問(wèn)題,準(zhǔn)確確定每個(gè)影響因素的重要性,有效確定復(fù)合地基壩體的質(zhì)量安全狀況,為樞紐工程壩體的安全性能評(píng)價(jià)提供可靠的理論依據(jù)。見表3。

表3 指標(biāo)層權(quán)重結(jié)構(gòu)表

由表3可知,層次分析法用于撫州水利復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全評(píng)估,將復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全評(píng)估分為總指標(biāo)層、一級(jí)指標(biāo)層、二級(jí)指標(biāo)層,并為不同級(jí)別的指標(biāo)設(shè)定權(quán)重,以求出不同級(jí)別的評(píng)估結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn),基于層次分析法的江西撫州水利復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全評(píng)估應(yīng)用效果較好,準(zhǔn)確確定了不同級(jí)別的評(píng)估因子重要性,提供了一種可靠的安全評(píng)價(jià)方法,可以有效提高撫州水利復(fù)合地基壩體質(zhì)量安全。

為了更好地獲得經(jīng)加固后邊坡在壩體開挖之后拱頂沉降量以及附近收斂的形變情況,還計(jì)算分析了粉質(zhì)黏土壩體支護(hù)構(gòu)造的穩(wěn)定性。研究選取撫州水利壩體某斷面進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控試驗(yàn),共選取3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),研究定義平面形變監(jiān)測(cè)站的橫向位移量(分解為X方向、Y方向)和豎直方向(H方向),即X方向?yàn)槟媳?南為正;Y方向?yàn)闁|西,東為正;H方向下沉為正,上升為負(fù)值。將橫向X向、Y向的位移轉(zhuǎn)換成沿河流、縱向河流的運(yùn)動(dòng),以更好理解地面形變對(duì)壩體的作用,并給出相應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。圖1為監(jiān)測(cè)點(diǎn)8月份平面形變量的結(jié)果。

圖1 2021年8月地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面位移日變化曲線

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù),截至2020年8月末,在橫向上的測(cè)點(diǎn)位移基本穩(wěn)定,在實(shí)地巡查中沒有發(fā)現(xiàn)任何異常。于2021年8月7日22時(shí),監(jiān)測(cè)站接到水庫(kù)壩體測(cè)量點(diǎn)提示信息,對(duì)其進(jìn)行了分析。從橫向位移的跨程線、沿江和縱溝等方面觀察,監(jiān)測(cè)點(diǎn)2和監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處的移動(dòng)速度有很大差異,之后趨于平穩(wěn)狀態(tài)。參考周邊其余觀測(cè)點(diǎn),并未有明顯橫向位移變化,可認(rèn)為該位置的位移不是整個(gè)滑坡的整體變形征兆,但也應(yīng)注意觀察其變動(dòng)。圖2為監(jiān)測(cè)點(diǎn)8月份垂直形變量的結(jié)果。

圖2 2021年8月地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移日變化曲線

由圖2可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn)2和監(jiān)測(cè)點(diǎn)3于2021年8月7日22時(shí)發(fā)生垂直變形位移,其峰值最高達(dá)到-541.9mm,之后幾天快速恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。直至月末,3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都處于零形變狀態(tài),其垂直形變狀態(tài)與水平形變狀態(tài)一致,3個(gè)測(cè)點(diǎn)處的橫向變形及沉陷均有顯著的差異。參照周圍其它測(cè)點(diǎn),在各個(gè)方位上均無(wú)顯著的位移改變,可認(rèn)為該位置的位移不是整個(gè)壩體的變形征兆,系統(tǒng)繼續(xù)對(duì)變化較大的觀測(cè)點(diǎn)展開相關(guān)性分析并展開進(jìn)一步的研究,見圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)相關(guān)關(guān)系圖

由圖3可知,各測(cè)量點(diǎn)間的相關(guān)關(guān)系均大于0.99,且具有很好的相關(guān)性,且隨時(shí)間的推移而改變。針對(duì)壩體地段的地面變形,將監(jiān)測(cè)頻率從12h一次變?yōu)?h一次,并根據(jù)其發(fā)展動(dòng)態(tài),及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè),盡早發(fā)現(xiàn)崩塌的不穩(wěn)定。并在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了壩體災(zāi)害的早期預(yù)警,及時(shí)進(jìn)行災(zāi)害防治,使危害降至最小。

壩體的主要影響因子是邊坡的構(gòu)造和巖石性質(zhì),而水流則是引起滑坡發(fā)展的主要原因,滑坡的發(fā)生和發(fā)展與降水有一定的相關(guān)性。通過(guò)對(duì)降水、水位等外界因素的綜合研究,初步得出該測(cè)點(diǎn)臺(tái)地基是由于連日暴雨的沖擊而產(chǎn)生的傾角。從進(jìn)程線上觀察,降水時(shí)地表變形沒有顯著的改變,表明觀測(cè)點(diǎn)處的改變具有滯后特征,早期有較大幅度,但后期則趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了復(fù)合地基大壩質(zhì)量安全評(píng)價(jià)分析模型,并以江西撫州水利樞紐復(fù)合地基大壩為實(shí)際案例,對(duì)模型的應(yīng)用進(jìn)行了論證和探討。結(jié)果表明,應(yīng)用復(fù)合地基大壩質(zhì)量安全評(píng)價(jià)分析模型,可以有效分析復(fù)合地基大壩的質(zhì)量安全。層次分析法可以準(zhǔn)確確定各影響因素的重要性,可以有效評(píng)價(jià)樞紐工程大壩的安全性能,為復(fù)合地基大壩的安全提供了可靠的理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)復(fù)合地基大壩位移監(jiān)測(cè)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),被測(cè)點(diǎn)在側(cè)向的位移基本穩(wěn)定,在現(xiàn)場(chǎng)檢查中沒有發(fā)現(xiàn)異常情況。通過(guò)結(jié)合降水和水位等外部因素,分析了大雨對(duì)壩體凹陷的影響。