突變評價法在均質土壩安全風險管理中的應用研究

【摘要】土石壩是我國水庫建筑的主要形式，對我國水利工程建設具有重要的意義。然而，根據國內外大壩事故統計結果，土石壩尤其是均質土壩是發生事故次數最多的。我國早期水利工程建設中應用了大量的均質土壩作為水庫堤壩，對土壩的安全風險管理極為重要。本文將基于突變評價法（CTEM），綜合考慮各風險因素的影響，以某水庫均質土壩為例，進一步研究均質土壩安全風險評估方法與管理措施。

【關鍵詞】均質土壩；突變評價法；安全風險管理

前言

據統計，目前我國建成的大中小型水庫將近90000座，其中土石壩比例約占95%，而均質土壩則占土石壩總量的38%，在我國工農業生產、經濟發展、社會穩定繁榮中發揮了及其重要的作用。隨著土壩使用年齡的增長或在運行過程中受到某些外在因素影響，土石壩的安全性降低，出現裂縫、滲流、等安全問題，給區域生產安全與經濟發展留下巨大的隱患。因此，對均質土壩進行安全風險評估迫在眉睫。

近年來，國內學者先后對土石壩類水利工程安全風險管理作出深入的研究。鄭小武、王薇、謝洪等基于綜合評價法對土石壩安全風險進行定量評估；陳璽、王篤波等深入影響地震對土石壩安全的影響并做出安全風險分析；劉立、姜樹海、劉興芳等基于最新研究方法，從土石壩的安全影響原因方面進行安全風險剖析。本文將基于均質土壩安全研究現狀，利用突變評價法，對均質土壩安全風險管理進行研究。

1、工程概況

四川某水庫，是一座兼具防洪、水產養殖、農業灌溉等功能的區域水庫。水庫總容量約126萬m3，水庫控制流域面積約21萬km2 ，屬于?。á瘢┬退畮?。水庫大壩為均質土壩，高19.5m，壩長約135.9m，土壩工程等級為Ⅳ等，設計洪水標準為20年一遇，校核洪水標準為200年一遇。水庫建成于1962年12月，使用年齡已逾50年，根據現場調查，九江市鄱陽縣某水庫均質土壩存在一定的安全隱患。

2、風險因素識別

影響均質土壩工程安全性的因素眾多，既有內在因素，如設計不合理、施工不合格等；又有外在原因，如受地震、滑坡、洪水等影響。筆者從均質土壩的破壞形式分析總結，將其分作三種：漫頂、土壩失穩、滲透破壞。

2.1漫頂

漫頂即指水庫洪水從壩頂漫出的情況，在這種情況下，土壩本身不在起到防洪的作用，甚至會受到洪水的沖壞。漫頂的主要形成原因：第一，設計高度不夠。當季節性或偶發性洪水發生時，由于設計高度不夠（或是壩體沉降），壩頂高度未能達到要求高度，導致洪水漫過壩頂；第二，泄洪力不足。泄洪力不足的原因是由設計標準達不到要求，導致溢洪道堵塞，水庫水位抬升；第三，洪水量超標。區域強降雨超過預計標準導致，屬于突發或少發事件。

2.2壩體失穩

一般情況下，壩體失穩是由多種因素共同作用的結果，發生管涌、滑坡、裂縫等情況。壩體失穩大多發生在使用年齡比較久的均質土壩，由于早期我國施工尚不規范，資料采集不甚齊全，大多數均質土壩的工程質量都處于較低水平，所以在進行除險加固前，需要對大壩的安全做出評價，并且制定出有效的管理方案，以確保土壩安全，保證經濟不受損失。

2.3滲透破壞

均質土壩滲透破壞是指土壩或壩基由于滲流而出現的變形破壞，主要有流土、管涌、接觸沖刷、接觸流通四大類型。滲透破壞主要是由浸潤線位置不合理、壩體滲透系數過高等因素造成，會造成均質土壩內部破壞，引發壩體滑坡。

3、突變評價法

3.1突變評價理論簡介

突變理論最初是由法國數學家 Rene Thom 提出，如今被廣泛應用在各大領域。突變理論所提出的一系列相關模型，主要是對自然界或者社會中所產生的情形當中發生不連續性地變化過程進行解釋，詳細描述了現實中所產生現象為什么會從形態的一種形式突然躍到完全不同地另外一種形式。其中一個重要的特點就是研究社會領域以及自然界內不連續性變化這種突變現象；根據現存的事物，來推測未來事物，從而控制未知事物的發生。在突變理論中，離散不連續的變量稱為內部變量或狀態變量，連續變化的變量稱為外部變量或控制變量。突變理論通過對勢函數分叉集方程中控制變量歸一化，利用突變評價準則，逐步遞歸最終求出結果。當控制的變量數目不超過 4 個時，常見的突變模型的分解方式有三種，如圖1所示

3.2風險指標體系構建

采用突變評價法對土石壩的安全做出評價時，基本的步驟如下：（1）按照影響土石壩的內在各種因素和機理，確定狀態變量和控制變量，同時對各因素的重要度進行排序。（2）根據實際工程數據確定各底層指標評價值，并進行無量綱處理，使其都在[0，1]范圍內突變模糊隸屬度值。（3）運用歸一公式及評價準則，逐步遞歸求出最終的綜合評價值，見表1。

在突變模型中各控制變量對狀態變量的重要度排序，根據實際運行中控制變量與狀態變量的對立統一關系所決定的，在運用突變評價法進行分析時，應該首先根據重要度對對控制變量進行排序。由于在突變評價法中，控制變量重要度的排序對評價結果影響很大，所以要根據實際工程，并且借助以往經驗數據分析及咨詢各專家，來進行盡可能準確的排序，盡可能的避免出現偏差。

根據以下兩種方法結合分析，從而可以得出較為準確的重要度排序：1）借助以往經驗數據分析法，根據以往工程并結合歷史資料，分析出影響均質土壩安全的各種因素重要度。2）咨詢專家法，通過具體的工程對各位具有多年實際研究經驗的專家進行咨詢，根據匯總的各專家意見最終得出各因素重要度的排序。

3.3風險評價模型構建

建立風險評價模型，需要根據已得評價值，按照突變模型進行計算，突變評價法歸一公式如下表2所示：

4、結語

以某水庫均質土壩為例，根據實地調查以及個人工程經驗進行安全風險因素辨析，最后基于突變評價法對各安全風險指標進行定量評價并得出最后得分結果，按照安全標準對均質土壩的安全等級進行劃分并給出相應建議，以期達到對國內均質土壩進行合理的安全風險評估與管理。

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