防洪堤的可靠性設計方法探討

李帥

【摘要】目前堤防安全分析方法多為定值分析的方法。長期實踐證明是一種有效設計方法，但是該方法最大的缺點就是沒有考慮實際存在的不確定性因素（包括荷載效應和抗力等不確定性）的影響。特別是對于堤防工程，堤身土質不均勻、堤基地質條件差以及我國現有的堤防多為歷史上多次修建、破壞、再修復加固而逐漸形成的因素，導致堤防土層分布及土工參數變異性大，存在很大的不確定性，這就使得堤防的安全評價方法得到安全系數的大小但并不能完全確切地表征工程的安全程度。本文主要對防洪堤的可靠性設計方法進行分析探討。

【關鍵詞】防洪堤；可靠性；設計方法

1、前言

由于受到堤身斷面形狀、堤身填土性質、堤基地質、水文、地形和施工條件等諸多因素的影響，堤防在汛期往往出現漫頂、堤身（基）滲透破壞、堤身滑坡等險情。概率設計方法將結構的多種參數作為隨機變量，可根據不同堤防結構重要性程度采取相應設計，無疑有其先進性和科學性。因此，以概率理論為基礎的可靠性設計方法在國內外均得到較快的發展，這為巖土工程的設計開辟了新的領域。

2、堤防綜合失事風險率計算模型

若將整個堤防的可靠性問題視為一個系統，則該系統由3個子系統構成：水文失事可靠性子系統、堤防抗滲穩定可靠性子系統和堤防整體抗滑穩定可靠性子系統。運用系統可靠性分析的基本原理，將堤防的失效概率與各子系統的失效概率，乃至與各種極限狀態的失效概率，建立某種聯系，從而為堤防的極限狀態設計方法提供依據和設計思路。通常認為，堤防失事風險可以分為水文失事分析和結構失事分析。水文失事風險包括洪水漫溢風險和洪水越浪風險；結構失事風險注意包括滲透破壞風險和邊坡滑動失事風險。因此，堤防水文失事風險、滲透破壞風險和堤防邊坡滑動失穩風險構成了堤防失事綜合風險的主體。

2.1堤段水文失事風險率計算模型

堤防水文失事風險是指堤防在設計、施工和管理運用過程中，由于水文因素的不確定性而引起的風險，可分為洪水漫頂風險和堤防越浪風險。

2.2滲透破壞風險率計算模型

事實上，發生堤防滲透破壞并不等于堤防滲透破壞失事。但由于堤防管涌和滲透問題非常復雜，從安全角度出發，認為堤防發生滲透破壞即為堤防發生滲透破壞失事。滲透破壞風險率的計算模型為：

式中：h1為計算堤防失事風險時規定的最低水位；h2為計算堤防失事風險時規定的最高洪水位，其上限為堤頂高程h0；FJ（h）為給定洪水位H時，滲透坡降J大于臨界滲透坡降jk的概率，即滲透破壞條件概率分布函數。

2.3邊坡滑動失穩風險率計算模型

堤防邊坡滑動失穩風險率計算模型為：

式中：FS（h）為邊坡滑動失穩的條件概率分布函數；其他符號意義同前。對于堤防工程來說，不僅要關心高洪水位下背水面的穩定性，還要考慮堤防在低水位時或在退水時臨水面邊坡的穩定性。因此，堤防邊坡滑動失穩風險率計算模型，應考慮背水面和臨水面邊坡滑動失穩模式。

3、計算條件

3.1工程概況和計算模型

杭州市濱江區南沙支堤位于杭州市濱江區上游段，工程段約3.3km，堤防設防標準為100年一遇。1997年，錢塘江“79”洪水對南沙支堤工程段造成嚴重威脅，各堤段都出現了不同程度的險情，一些堤段不同程度存在滲透穩定問題，如堤身及堤基滲漏、散浸與管涌等。發生這些問題主要是與汛期高水頭，堤身填土碾壓不密實或不均勻、空隙比較大，堤基性狀、地層結構，堤前灘地寬度、高程等條件有關。

3.2計算參數統計特征

可靠度分析的精度決定于隨機變量樣本獲得的準確性、樣本量大小、樣本的代表性和概率統計方法的合理性。抗剪強度指標和樣本量為18，是小樣本，宜采用非參數檢驗的的K-C檢驗法，對假設分布進行統計檢驗，置信區間為0.05。該法的統計量為：

Dn=max|Fn（x）-F（x）|

式中的統計量Dn為臨界值，當樣本假設分布函數在統計參數條件下，小于臨界值，則不拒絕假設統計概率分布，否則拒絕假設統計概率分布。

3.3堤防分項風險率計算

洪水位的不確定性，對堤防穩定的風險性有較大的影響，特別對各種形式的滲透變形，其影響變化更為明顯。對洪水的年最高水位的隨機變化規律，水文專家們已作了許多分析研究，本文暫不作深入討論。后續分析中滲透風險率及滑動失穩風險率均按100年一遇設防水位情況下考慮。

3.3.1邊坡滑動失穩風險率

一般影響堤防邊坡抗滑穩定的不確定因素主要有：洪水位、堤身和基礎土質的黏聚力等物理力學性質指標指標。引起土質的物理力學指標不確定性的原因在于：土質物理力學指標的差異，取樣、試驗和計算等過程中存在著各種各樣的誤差。然后將各土層參數的標準值及變異系數作為分析計算堤防邊坡失穩風險的基礎。

3.3.2滲透破壞失事風險率

堤防產生滲透變形的不確定性可分為土質抗滲臨界坡降的不確定性和防洪堤內滲透坡降的不確定性。防洪堤土體抗滲臨界坡降大小與土質顆粒的大小、顆粒級配及結構、孔隙率、施工質量等因素有關，而這些因素又具有不確定性，勢必會使問題復雜化。為簡化分析計算，本文分析可直接討論土質滲透臨界坡降的不確定性。其方法是收集土質滲透臨界坡降分布范圍的資料，并假定其服從三角分布。堤防內滲透坡降的不確定性，可用水力學方法先計算出上下游水位差，然后估算滲徑長度及分布范圍，并假定其服從三角分布。

3.4綜合失事風險率

根據上述的全堤段結構風險評估模型，則每一堤段的總失穩概率可采用串聯系統得到。從整體來看，錢塘江南沙支堤段堤防綜合失事風險率主要來自邊坡滑動失事風險率的貢獻；滲透失事風險率對綜合失事風險率貢獻相對較小，但隨著洪水位的增高，其在綜合失事風險中所占比重將逐漸增大。在設防標準下，堤防失事風險率為0.15%，相當于可靠度β=2.96。

4、結語

據堤防工程分別按整體抗滑穩定設計和滲透控制設計的不同計算方法，將堤防工程整體系統分為水文失事可靠性子系統、堤防抗滲穩定可靠性子系統和堤防整體抗滑穩定可靠性子系統。運用串并聯系統的可靠性理論，采用界限估計法計算堤防的各主要失事模式的失事概率，在此基礎上綜合評估得到防洪體系的系統失事率。

參考文獻：

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