基于安全指數的長江中下游堤防工程安全評價模型研究

趙 鑫，胡坤生，李 理

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，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則》是中國唯一現行的堤防工程安全評價工作標準。該標準規定將“管理運行、工程質量、防洪、滲流、結構”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行疊加，最后得出安全評價的結果。由于安全因子的判別具有較大的模糊性與主觀性，所以導致最終的安全評價結果同樣具有模糊性。為此，對堤防工程的安全評價工作進行了大量研究，主要集中在堤防工程安全因子的確定及其定量化表達對最終安全評價結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學理論進行融合分析，需要進行專業數學計算，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例，深入分析險情的發生原因，推演出堤防工程的安全影響因子，基于層析分析法理論，進行安全因子的權重與判別標準的融合[11-13]，創新性地提出了安全指數概念，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，堤基相關險情收集統計的險情信息包括：① 險情描述；② 出險時江河水位、雨情；③ 堤基地層結構、地質描述、基本物理力學參數；④ 河勢、深泓、外灘；⑤ 堤內外地面高程；⑥ 生物洞穴情況；⑦ 堤內坑塘、溝渠深度及距堤腳距離；⑧ 水井、鉆孔封堵情況；⑨ 堤內戧臺布置、水平鋪蓋、垂直防滲墻、減壓井布置等。根據工程經驗及水力學理論對堤基(管涌、散浸)險情逐條分析險情發生的原因，與統計的險情信息對比，將險情信息統計為引起險情發生的占比，用以表示導致該險情信息在險情發生時的參與度，見表1。

表1 堤基險情信息參與度統計

上述險情信息既有定性指標，也有定量指標，為了下一步專家主觀賦權安全因子權重的確定，需要將其統一為定性表達。根據工程經驗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

根據上述安全主控因子的工程特性及相關理論知識，結合歷史險情資料，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) 堤基地質結構C1。當蓋層厚度小于5 m時，下部砂層厚時，易導致險情的發生；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構類堤基地質結構易發生險情。

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

(3) 蓋層土的抗滲強度C3。當水力梯度大于蓋層土的允許水力梯度時，易導致險情的發生。

(4) 水頭差C4。根據堤內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，易導致險情的發生。

(5) 堤內坑塘、溝渠C5。如堤內有坑塘等，距堤腳100 m內，當揭穿蓋層時，易導致險情的發生，當有一定深度但未揭穿蓋層，使蓋層變薄，視蓋層厚度可能導致險情發生。

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

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

2 堤防工程安全評價模型

2.1 安全主控因子權重

對于多因素、多方案的復雜決策問題，目前比較適合的解決方法是運用“層次分析法”進行決策，本次險情安全主控因子的權重計算基于層次分析法，采用專家主觀打分，專家根據主觀經驗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行兩兩對比，進行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一致性，如一致性檢驗通過，則矩陣的特征向量即為安全主控因子的權重。

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

表3 堤基(管涌、散浸)安全主控因子權重

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(權重)以及安全主控因子導致險情的易發性綜合確定。

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；ωi為第i項安全主控因子的權重；ai為第i項安全主控因子致險特征值，n為安全主控因子的個數。根據各項安全主控因子判定的原則，如果該項安全主控因子易導致險情的發生，則ai=1；發生險情的幾率較低時，ai=0。

P值分類區間通過歷史險情以及具體的堤段進行反演確定。

2.3 安全指數區間反演

選取20個具體堤段的堤防工程實例進行P值反演，分為3個區間的兩個臨界點數據，即安全與基本安全臨界值、基本安全與不安全臨界值。

(1) 反演實例。1998年7月16日，松滋江堤靈鐘寺-涴市段16+840堤段在堤內距離堤腳216 m的藕塘里，發生了管涌險情，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、堤外坡比均為1∶3，堤內地面高程37.1 m，距堤腳150～250 m范圍內有水塘分布。堤基地質結構雙層結構，上部蓋層厚度2.5～10.0 m，主要為粉質黏土，下部分布較連續的砂壤土，厚2.0～4.0 m。表層黏性土體被藕塘切穿，于堤內淵塘附近出露下部砂壤土，為管涌險情創造了條件，出險前未進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

根據建立的安全評價模型進行安全指數的計算如下：

0.134×0+0.118×1+0.091×1+

0.138×0+0.222×1=0.728

(2) 確定原則。基本安全險情指已經發生一般險情，但是不會對堤防工程產生破壞性的后果，本次P值反演選取險情以堤基散浸險情為主；同理，不安全險情指已經發生嚴重險情，會對堤防工程產生破壞性的后果，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個險情進行P值范圍反演，綜合P值反演結果見表5。

表5 安全指數P值反演結果統計

綜合上述反演結果，可確定安全指數P值范圍與安全分類的對應關系：當P<0.3則為A類(安全)；當0.3≤P<0.6則為B類(基本安全)；當P≥0.6則為C類(不安全)。

3 模型驗證

對確定的基于堤防工程安全指數的安全評價模型進行工程實例驗證。

(1) 驗證段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，堤基地質結構分類屬單一結構，上部為粉質黏土，厚6～18 m，局部夾粉砂、砂壤土；下部為粉質壤土夾粉砂，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，堤內外坡比均為1∶3，堤內發育少量淵塘，堤外側設有一級壓浸臺和漿砌塊石護堤，內側多設有兩級壓浸臺。該段險情主控因子的特性描述見表6。

表6 驗證1段堤基險情主控因子特征描述

根據建立的安全評價模型進行安全指數的計算如下：

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，即雖然發生險情，但是不會對堤防工程產生破壞性的后果。實際上，1998年7月27日，武漢江堤武惠堤在樁號1+500～1+650段堤內二級壓浸臺坡腳出現潮濕散浸現象，有清水滲出，局部積水，出水點地面高程約24.5 m。安全評價模型計算結果與實際工程險情一致。

(2) 驗證段2。南線大堤位于長江中游荊州市公安縣荊江分洪區南端，樁號595+500～595+700段堤基地質結構為Ⅲ1類，上部蓋層厚度2.0～5.0 m，主要為粉質黏土，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，內外坡比均為1∶3，兩側一般有寬約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 驗證2段堤基險情主控因子特性描述

根據建立的安全評價模型進行安全指數的計算如下：

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，即發生險情會對堤防工程產生破壞性的后果。實際上，1998年9月1日，當長江水位為38.55 m(黃海高程)時，南線大堤595+600～595+638段距堤腳約125 m處的內平臺與水田交界處溝內出現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。現場判斷該管涌屬嚴重險情，應立即進行搶險措施。安全評價模型計算結果與實際工程險情一致。

4 結論與展望

將基于安全指數的堤防工程安全評價模型運用到實際堤防工程判別中，可以得到如下結論：

(1) 堤基管涌險情影響因子定性化表達為7個安全主控因子：① 堤基地質結構；② 相對透水層滲透性；③ 蓋層土的抗滲強度；④ 水頭差；⑤ 堤內坑塘、溝渠；⑥ 水井、鉆孔、生物洞穴；⑦ 防滲墻、減壓井、水平鋪蓋等防護措施，便于在進行安全評價時有針對性地進行資料收集工作。

(2) 基于大量歷史險情的歸納以及常規力學理論知識，確定了每一項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P值的安全評價模型，且通過實際工程反演與驗證，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據進行的，但是對于中國其他流域的堤防工程未進行相關的險情資料分析與驗證，有待進一步在其他流域內的堤防工程進行模型驗證與改進。