趙 鑫，胡坤生，李 理

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.長江巖土工程有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

SL/Z 679—2015《堤防工程安全評價導(dǎo)則》是中國唯一現(xiàn)行的堤防工程安全評價工作標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將“管理運(yùn)行、工程質(zhì)量、防洪、滲流、結(jié)構(gòu)”等作為主控因子，定性判別主控因子對堤防工程“有無失效”，然后將主控因子的模糊性判別進(jìn)行疊加，最后得出安全評價的結(jié)果。由于安全因子的判別具有較大的模糊性與主觀性，所以導(dǎo)致最終的安全評價結(jié)果同樣具有模糊性。為此，對堤防工程的安全評價工作進(jìn)行了大量研究，主要集中在堤防工程安全因子的確定及其定量化表達(dá)對最終安全評價結(jié)果的影響程度等方面的研究，并取得了許多可借鑒性的成果[1-4]。但是，前期研究的成果存在共性問題：安全因子的確定缺少大量歷史險情的歸納推演[5-8]；最終的安全評價判別均是基于模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行融合分析，需要進(jìn)行專業(yè)數(shù)學(xué)計算，給評價工作帶來不便[9-10]。針對此問題，本次研究基于大量的歷史險情實(shí)例，深入分析險情的發(fā)生原因，推演出堤防工程的安全影響因子，基于層析分析法理論，進(jìn)行安全因子的權(quán)重與判別標(biāo)準(zhǔn)的融合[11-13]，創(chuàng)新性地提出了安全指數(shù)概念，建立了一套全新的堤防工程安全評價模型。

需要說明的是，堤防工程險情按照出現(xiàn)部位大致可以分為堤基險情、堤身險情、岸坡險情和穿堤建筑物險情4類。因篇幅限制，本文僅以堤基(管涌、散浸)險情為例進(jìn)行模型建立說明，其他險情的安全評價模型原理相同。

1 堤防工程險情影響分析

1.1 安全主控因子確定

本次研究共收集到1998～2011年長江中下游歷史險情3 111條，其中堤基歷史險情944條，堤基相關(guān)險情收集統(tǒng)計的險情信息包括：① 險情描述；② 出險時江河水位、雨情；③ 堤基地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)描述、基本物理力學(xué)參數(shù)；④ 河勢、深泓、外灘；⑤ 堤內(nèi)外地面高程；⑥ 生物洞穴情況；⑦ 堤內(nèi)坑塘、溝渠深度及距堤腳距離；⑧ 水井、鉆孔封堵情況；⑨ 堤內(nèi)戧臺布置、水平鋪蓋、垂直防滲墻、減壓井布置等。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及水力學(xué)理論對堤基(管涌、散浸)險情逐條分析險情發(fā)生的原因，與統(tǒng)計的險情信息對比，將險情信息統(tǒng)計為引起險情發(fā)生的占比，用以表示導(dǎo)致該險情信息在險情發(fā)生時的參與度，見表1。

表1 堤基險情信息參與度統(tǒng)計

上述險情信息既有定性指標(biāo)，也有定量指標(biāo)，為了下一步專家主觀賦權(quán)安全因子權(quán)重的確定，需要將其統(tǒng)一為定性表達(dá)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)歸納出以下幾類堤基管涌、散浸險情安全主控因子，見表2。

表2 堤基(管涌、散浸)險情安全主控因子

1.2 安全主控因子致險判定

根據(jù)上述安全主控因子的工程特性及相關(guān)理論知識，結(jié)合歷史險情資料，歸納出堤基(管涌、散浸)安全主控因子致險的定性判定如下。

(1) 堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)C1。當(dāng)蓋層厚度小于5 m時，下部砂層厚時，易導(dǎo)致險情的發(fā)生；總之，單砂性土、上薄黏性土下砂性土雙層、上砂性土下黏性土雙層、單層厚度小于2 m的黏性土和砂性土互層多層結(jié)構(gòu)類堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)易發(fā)生險情。

(2) 相對透水層滲透性C2。蓋層下砂性土的滲透性，強(qiáng)-中等滲透性易發(fā)生險情，中等-弱滲透性，可能引發(fā)險情。

(3) 蓋層土的抗?jié)B強(qiáng)度C3。當(dāng)水力梯度大于蓋層土的允許水力梯度時，易導(dǎo)致險情的發(fā)生。

(4) 水頭差C4。根據(jù)堤內(nèi)蓋層的浮重度推算允許水頭差，如果水頭差大于允許水頭差，易導(dǎo)致險情的發(fā)生。

(5) 堤內(nèi)坑塘、溝渠C5。如堤內(nèi)有坑塘等，距堤腳100 m內(nèi)，當(dāng)揭穿蓋層時，易導(dǎo)致險情的發(fā)生，當(dāng)有一定深度但未揭穿蓋層，使蓋層變薄，視蓋層厚度可能導(dǎo)致險情發(fā)生。

(6) 水井、鉆孔、生物洞穴C6。堤腳100 m范圍內(nèi)，存在鉆孔封堵不嚴(yán)、廢棄水井濾層失效、生物洞穴揭穿蓋層情況時易導(dǎo)致險情的發(fā)生。

(7) 防滲墻、減壓井、水平鋪蓋等防護(hù)措施C7。如堤基存在透水層，未實(shí)施防滲措施，或者已實(shí)施但防護(hù)措施失效，則易導(dǎo)致險情的發(fā)生。

2 堤防工程安全評價模型

2.1 安全主控因子權(quán)重

對于多因素、多方案的復(fù)雜決策問題，目前比較適合的解決方法是運(yùn)用“層次分析法”進(jìn)行決策，本次險情安全主控因子的權(quán)重計算基于層次分析法，采用專家主觀打分，專家根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)分析每個主控因子對堤防安全的重要程度，然后對每個主控因子進(jìn)行兩兩對比，進(jìn)行1～9比較尺度的取值，通過選定的安全主控因子，其他安全主控因子項(xiàng)與選定的相比較，按重要程度給出尺度值，形成對比矩陣，然后計算矩陣的特征向量并檢驗(yàn)一致性，如一致性檢驗(yàn)通過，則矩陣的特征向量即為安全主控因子的權(quán)重。

基于表2確定的安全因子進(jìn)行堤基管涌、散浸險情各安全因子的權(quán)重計算，將32位專家的計算結(jié)果進(jìn)行平均值統(tǒng)計，得到最終堤基(管涌、散浸)險情的安全主控因子權(quán)重見表3。

表3 堤基(管涌、散浸)安全主控因子權(quán)重

2.2 安全評價模型建立

堤防工程安全評價模型，以安全主控因子的影響程度(權(quán)重)以及安全主控因子導(dǎo)致險情的易發(fā)性綜合確定。

基于層次分析法核心思想，建立堤防工程安全評價模型公式為

式中：P為堤防工程安全指數(shù)；ωi為第i項(xiàng)安全主控因子的權(quán)重；ai為第i項(xiàng)安全主控因子致險特征值，n為安全主控因子的個數(shù)。根據(jù)各項(xiàng)安全主控因子判定的原則，如果該項(xiàng)安全主控因子易導(dǎo)致險情的發(fā)生，則ai=1；發(fā)生險情的幾率較低時，ai=0。

P值分類區(qū)間通過歷史險情以及具體的堤段進(jìn)行反演確定。

2.3 安全指數(shù)區(qū)間反演

選取20個具體堤段的堤防工程實(shí)例進(jìn)行P值反演，分為3個區(qū)間的兩個臨界點(diǎn)數(shù)據(jù)，即安全與基本安全臨界值、基本安全與不安全臨界值。

(1) 反演實(shí)例。1998年7月16日，松滋江堤靈鐘寺-涴市段16+840堤段在堤內(nèi)距離堤腳216 m的藕塘里，發(fā)生了管涌險情，出險時江水位較高，具體水位不明。該段堤防堤高8 m，堤頂寬度6 m，堤內(nèi)、堤外坡比均為1∶3，堤內(nèi)地面高程37.1 m，距堤腳150～250 m范圍內(nèi)有水塘分布。堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)雙層結(jié)構(gòu)，上部蓋層厚度2.5～10.0 m，主要為粉質(zhì)黏土，下部分布較連續(xù)的砂壤土，厚2.0～4.0 m。表層黏性土體被藕塘切穿，于堤內(nèi)淵塘附近出露下部砂壤土，為管涌險情創(chuàng)造了條件，出險前未進(jìn)行堤基防滲工程措施。該段險情主控因子的特性描述見表4。

表4 反演段堤基管涌險情主控因子特性描述

根據(jù)建立的安全評價模型進(jìn)行安全指數(shù)的計算如下：

0.134×0+0.118×1+0.091×1+

0.138×0+0.222×1=0.728

(2) 確定原則?；景踩U情指已經(jīng)發(fā)生一般險情，但是不會對堤防工程產(chǎn)生破壞性的后果，本次P值反演選取險情以堤基散浸險情為主；同理，不安全險情指已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重險情，會對堤防工程產(chǎn)生破壞性的后果，本次P值反演選取險情以堤基管涌為主。按此原則各選定10個險情進(jìn)行P值范圍反演，綜合P值反演結(jié)果見表5。

表5 安全指數(shù)P值反演結(jié)果統(tǒng)計

綜合上述反演結(jié)果，可確定安全指數(shù)P值范圍與安全分類的對應(yīng)關(guān)系：當(dāng)P<0.3則為A類(安全)；當(dāng)0.3≤P<0.6則為B類(基本安全)；當(dāng)P≥0.6則為C類(不安全)。

3 模型驗(yàn)證

對確定的基于堤防工程安全指數(shù)的安全評價模型進(jìn)行工程實(shí)例驗(yàn)證。

(1) 驗(yàn)證段1。武漢江堤武惠堤樁號1+500～1+650段，堤防堤基由第四系沖積成因黏性土組成，堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類屬單一結(jié)構(gòu)，上部為粉質(zhì)黏土，厚6～18 m，局部夾粉砂、砂壤土；下部為粉質(zhì)壤土夾粉砂，鉆孔未揭穿，厚度大于17 m。該段堤防堤高5 m，堤頂寬度8 m，堤內(nèi)外坡比均為1∶3，堤內(nèi)發(fā)育少量淵塘，堤外側(cè)設(shè)有一級壓浸臺和漿砌塊石護(hù)堤，內(nèi)側(cè)多設(shè)有兩級壓浸臺。該段險情主控因子的特性描述見表6。

表6 驗(yàn)證1段堤基險情主控因子特征描述

根據(jù)建立的安全評價模型進(jìn)行安全指數(shù)的計算如下：

0.134×0+0.118×1+0.091×1+0.138×0+

0.222×0=0.334

0.3≤P<0.6，模型判別為基本安全，即雖然發(fā)生險情，但是不會對堤防工程產(chǎn)生破壞性的后果。實(shí)際上，1998年7月27日，武漢江堤武惠堤在樁號1+500～1+650段堤內(nèi)二級壓浸臺坡腳出現(xiàn)潮濕散浸現(xiàn)象，有清水滲出，局部積水，出水點(diǎn)地面高程約24.5 m。安全評價模型計算結(jié)果與實(shí)際工程險情一致。

(2) 驗(yàn)證段2。南線大堤位于長江中游荊州市公安縣荊江分洪區(qū)南端，樁號595+500～595+700段堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)為Ⅲ1類，上部蓋層厚度2.0～5.0 m，主要為粉質(zhì)黏土，中部砂性土一般厚0.5～4.7 m，下部為深厚黏性土。該段堤防堤高9 m，堤頂寬度8 m，內(nèi)外坡比均為1∶3，兩側(cè)一般有寬約50 m的壓浸臺或人工鋪蓋，厚0.5～2.0 m，臺面高程30.5～34.5 m。該段險情主控因子的特性描述見表7。

表7 驗(yàn)證2段堤基險情主控因子特性描述

根據(jù)建立的安全評價模型進(jìn)行安全指數(shù)的計算如下：

0.134×0+0.118×1+0.091×1+

0.138×1+0.222×0=0.644

P≥0.6，模型判別為不安全，即發(fā)生險情會對堤防工程產(chǎn)生破壞性的后果。實(shí)際上，1998年9月1日，當(dāng)長江水位為38.55 m(黃海高程)時，南線大堤595+600～595+638段距堤腳約125 m處的內(nèi)平臺與水田交界處溝內(nèi)出現(xiàn)6個管涌險情，出水帶砂，形成沙盤，沙盤直徑最大20 cm，水頭高20 cm，溝底高程33.2 m。現(xiàn)場判斷該管涌屬嚴(yán)重險情，應(yīng)立即進(jìn)行搶險措施。安全評價模型計算結(jié)果與實(shí)際工程險情一致。

4 結(jié)論與展望

將基于安全指數(shù)的堤防工程安全評價模型運(yùn)用到實(shí)際堤防工程判別中，可以得到如下結(jié)論：

(1) 堤基管涌險情影響因子定性化表達(dá)為7個安全主控因子：① 堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)；② 相對透水層滲透性；③ 蓋層土的抗?jié)B強(qiáng)度；④ 水頭差；⑤ 堤內(nèi)坑塘、溝渠；⑥ 水井、鉆孔、生物洞穴；⑦ 防滲墻、減壓井、水平鋪蓋等防護(hù)措施，便于在進(jìn)行安全評價時有針對性地進(jìn)行資料收集工作。

(2) 基于大量歷史險情的歸納以及常規(guī)力學(xué)理論知識，確定了每一項(xiàng)安全主控因子致險判定原則，提出了安全主控因子致險特征值。

(3) 首次提出基于堤防工程安全指數(shù)P值的安全評價模型，且通過實(shí)際工程反演與驗(yàn)證，表明改模型具有良好的操作性與精確性。

本次研究是基于長江中下游堤防工程歷史險情數(shù)據(jù)進(jìn)行的，但是對于中國其他流域的堤防工程未進(jìn)行相關(guān)的險情資料分析與驗(yàn)證，有待進(jìn)一步在其他流域內(nèi)的堤防工程進(jìn)行模型驗(yàn)證與改進(jìn)。