突變評價法在均質(zhì)土壩安全風(fēng)險管理中的應(yīng)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(shè)具有重要的意義。然而，根據(jù)國內(nèi)外大壩事故統(tǒng)計結(jié)果，土石壩尤其是均質(zhì)土壩是發(fā)生事故次數(shù)最多的。我國早期水利工程建設(shè)中應(yīng)用了大量的均質(zhì)土壩作為水庫堤壩，對土壩的安全風(fēng)險管理極為重要。本文將基于突變評價法（CTEM），綜合考慮各風(fēng)險因素的影響，以某水庫均質(zhì)土壩為例，進一步研究均質(zhì)土壩安全風(fēng)險評估方法與管理措施。

【關(guān)鍵詞】均質(zhì)土壩；突變評價法；安全風(fēng)險管理

前言

據(jù)統(tǒng)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(zhì)土壩則占土石壩總量的38%，在我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定繁榮中發(fā)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(xiàn)裂縫、滲流、等安全問題，給區(qū)域生產(chǎn)安全與經(jīng)濟發(fā)展留下巨大的隱患。因此，對均質(zhì)土壩進行安全風(fēng)險評估迫在眉睫。

近年來，國內(nèi)學(xué)者先后對土石壩類水利工程安全風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)險剖析。本文將基于均質(zhì)土壩安全研究現(xiàn)狀，利用突變評價法，對均質(zhì)土壩安全風(fēng)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(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)灌溉等功能的區(qū)域水庫。水庫總?cè)萘考s126萬m3，水庫控制流域面積約21萬km2 ，屬于小（Ⅰ）型水庫。水庫大壩為均質(zhì)土壩，高19.5m，壩長約135.9m，土壩工程等級為Ⅳ等，設(shè)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(jù)現(xiàn)場調(diào)查，九江市鄱陽縣某水庫均質(zhì)土壩存在一定的安全隱患。

2、風(fēng)險因素識別

影響均質(zhì)土壩工程安全性的因素眾多，既有內(nèi)在因素，如設(shè)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(zhì)土壩的破壞形式分析總結(jié)，將其分作三種：漫頂、土壩失穩(wěn)、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?xí)艿胶樗臎_壞。漫頂?shù)闹饕纬稍颍旱谝唬O(shè)計高度不夠。當季節(jié)性或偶發(fā)性洪水發(fā)生時，由于設(shè)計高度不夠（或是壩體沉降），壩頂高度未能達到要求高度，導(dǎo)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(shè)計標準達不到要求，導(dǎo)致溢洪道堵塞，水庫水位抬升；第三，洪水量超標。區(qū)域強降雨超過預(yù)計標準導(dǎo)致，屬于突發(fā)或少發(fā)事件。

2.2壩體失穩(wěn)

一般情況下，壩體失穩(wěn)是由多種因素共同作用的結(jié)果，發(fā)生管涌、滑坡、裂縫等情況。壩體失穩(wěn)大多發(fā)生在使用年齡比較久的均質(zhì)土壩，由于早期我國施工尚不規(guī)范，資料采集不甚齊全，大多數(shù)均質(zhì)土壩的工程質(zhì)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(jīng)濟不受損失。

2.3滲透破壞

均質(zhì)土壩滲透破壞是指土壩或壩基由于滲流而出現(xiàn)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(shù)過高等因素造成，會造成均質(zhì)土壩內(nèi)部破壞，引發(fā)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(shù)學(xué)家 Rene Thom 提出，如今被廣泛應(yīng)用在各大領(lǐng)域。突變理論所提出的一系列相關(guān)模型，主要是對自然界或者社會中所產(chǎn)生的情形當中發(fā)生不連續(xù)性地變化過程進行解釋，詳細描述了現(xiàn)實中所產(chǎn)生現(xiàn)象為什么會從形態(tài)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(lǐng)域以及自然界內(nèi)不連續(xù)性變化這種突變現(xiàn)象；根據(jù)現(xiàn)存的事物，來推測未來事物，從而控制未知事物的發(fā)生。在突變理論中，離散不連續(xù)的變量稱為內(nèi)部變量或狀態(tài)變量，連續(xù)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(shù)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(jié)果。當控制的變量數(shù)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(fēng)險指標體系構(gòu)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(nèi)在各種因素和機理，確定狀態(tài)變量和控制變量，同時對各因素的重要度進行排序。（2）根據(jù)實際工程數(shù)據(jù)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(nèi)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(tài)變量的重要度排序，根據(jù)實際運行中控制變量與狀態(tài)變量的對立統(tǒng)一關(guān)系所決定的，在運用突變評價法進行分析時，應(yīng)該首先根據(jù)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?qū)υu價結(jié)果影響很大，所以要根據(jù)實際工程，并且借助以往經(jīng)驗數(shù)據(jù)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(xiàn)偏差。

根據(jù)以下兩種方法結(jié)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(jīng)驗數(shù)據(jù)分析法，根據(jù)以往工程并結(jié)合歷史資料，分析出影響均質(zhì)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(jīng)驗的專家進行咨詢，根據(jù)匯總的各專家意見最終得出各因素重要度的排序。

3.3風(fēng)險評價模型構(gòu)建

建立風(fēng)險評價模型，需要根據(jù)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(jié)語

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

參考文獻：

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