基于水利樞紐工程壩體安全評價模型的復合地基壩體質量安全分析

陳 勇

(撫州市水電勘測設計院有限公司,江西 撫州 344100)

0 引 言

近年來,隨著經濟的發展,水利樞紐工程的建設受到越來越多的關注。壩體是水利樞紐工程的重要組成部分,其安全性直接影響著整個水利樞紐工程的安全性。針對這一問題,開展壩體安全評價模型的研究就顯得尤為重要[1-2]。羅倫等[3]指出,水庫大壩滲流的滲透系數與滲透深度呈正相關,滲透系數隨著深度的增加而增大,滲透深度的增加會增加滲流的水位變化。李偉等[4]采用反濾設計方案,有效提高了壩壩體的抗滲性能,保障壩壩體的安全運行。李曉楊等[5]研究分析了水庫大壩的滲流安全問題,并進行了安全鑒定和評價分析。以上研究僅針對某一特定壩壩體滲流進行評價,壩體安全評價模型缺乏統一性,缺乏復合地基壩體質量安全的分析。

為了解決上述問題,本文基于水利樞紐工程壩體安全評價模型,提出復合地基壩體質量安全分析方法。研究以層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)為基礎,構建復合地基壩體質量安全分析模型,通過對復合地基壩體安全性因素進行定量分析,評價復合地基壩體質量安全狀況。

1 江西撫州水利工況概述

在水利樞紐工程建設中,復合地基壩體的質量安全受到越來越多的關注[6]。但目前對復合地基壩體質量安全的研究較為有限,本文基于水利樞紐工程壩體安全評價模型,對江西撫州地基壩體質量安全進行分析。

撫州市地處江西省東部,總面積1.88×104km2,包含兩個重點開發區,即撫州國家級高新技術開發區和東臨新區。撫州市東部與福建省建寧縣、光澤縣等相鄰,南部與石城縣、寧都縣相接,西部連接永豐縣和豐城市,北部毗鄰貴溪市、余干縣及進賢縣。撫州市屬于亞熱帶季風氣候,氣候濕潤,雨量充沛,全市年平均氣溫17.06℃～18.44℃,年平均降水量740.7～2003.3mm,年平均日照時數1 585.5h。撫州市主要包含三大水系,即撫河、信江、贛江,河流數量總計約470條。除贛江水系烏江外,其余河流均自南向北匯入鄱陽湖,較大支流包括黎灘河、臨水等[7]。

撫州市內建成的大型水庫主要有洪門水庫和廖坊水庫,灌溉面積5.3×104hm2,總庫容16.46×108m3。中型水庫有燎源、麻源等20座,總庫容5.72×108m3,灌溉面積4.2×104hm2。其中,洪門水庫正常蓄水位100m(黃海基面),死水位92m,500年一遇設計洪水位103.52m,可能最大洪水位(校核洪水位)107.2m。水庫總庫容12.14×108m3,興利庫容3.74×108m3,死庫容1.68×108m3。廖坊水庫位于撫河干流中游,水庫正常蓄水位65m(黃?；?,死水位61m,100年一遇設計洪水位67.94m。水庫防洪庫容3.1×108m3,興利庫容1.14×108m3,死庫容8 600×104m3,總庫容4.32×108m3。正常蓄水位時,水面面積37.8km2,庫容2×108m3,系季調節性河道型水庫。樞紐工程主要由主壩、副壩、電站廠房、灌溉進水閘組成[8]。金臨渠位于撫河中游東岸,灌區覆蓋金溪、東臨新區、臨川的多個鄉鎮。灌溉引水流量24～29m3/s,灌溉農田1.17×104hm2。宜惠渠工程由引水壩、干渠、渡槽、水閘、涵閘等組成,引水壩為干砌石壩、最大壩高1.1m。干渠長19.2km、寬10m,灌溉面積4 266hm2,控制流域面積為2 217km2,裝機容量4 000kW,年平均發電量1 480×104kW·h。

撫州水利工程具有防洪澇災害、蓄水供水、調節水土保持、改善環境等功能,對撫州經濟社會發展至關重要,是撫州糧食生產、水利水電開發、社會經濟發展的支柱。撫州水利工程系統建設,有效地改善了撫州整體水環境,解決了撫州糧食生產、水利水電開發、社會經濟發展的短板,為撫州經濟社會發展提供了有力支持[9]。撫州水利工程的建設,為撫州市造就了一個較為安全、利用率高、資源高效利用的水利系統,改善了撫州地區的水環境,解決了撫州地區的水資源問題,為撫州經濟發展提供了有力支持。由于地震、洪水、土體不穩定等外因因素的影響,水利樞紐工程壩體的安全性也受到較大的威脅。因此,基于水利樞紐工程壩體安全評價模型,對撫州水利工程中的復合地基壩體的質量安全進行分析評估,以確保工程安全可持續運行。

2 復合地基壩體質量安全評估模型構建

水利樞紐工程壩體安全評價模型是以壩體的荷載、反應、穩定性為基礎,結合工程地質、建筑物、排水、施工質量等因素,利用統計學、計算機技術、數理統計、概率統計等方法,綜合考慮復合地基壩體的安全性,評估其安全程度及其對外界變化的響應能力等[10]。而層次分析法與其他方法相比具有許多優點,它更容易理解,可以更快捷地分析復雜的系統和問題,并且可以使用各種數據,從而更好地評估壩體安全性。它可以將復雜的問題分解為簡單的子問題,使研究者能夠更好地理解和評估問題[11]。

層次分析法是根據兩個反差系數的相關性來構造B類判斷矩陣,并確定兩者間的相關性。利用B的屬性對矩陣進行計算,判定其相容性。該方法的具體實現方法為利用和積法,對各個列的因素進行規范化處理,得出各因子的一般項,公式如下:

b1=b2/∑bn

(1)

式中:bn為第n個因素;b1、b2為第一個因素和第二個因素;∑bn為第一個因素和第n個因素之間的總和。

利用B類判斷矩陣,根據計算結果,評價各因素的相關性,判定矩陣必須符合統一的條件,對于一階和二階判斷矩陣,其整體上符合;若次序超過2時,則先求出相容指數的下一步,具體公式如下:

(2)

式中:CI為一致性指標;n為評估標準的數量;λmax為特征值的主向量。

然后,計算出平均隨機一致性指數RI,用500個抽樣矩陣隨機生成RI。判定矩陣的一致性指數CI和RI的比例稱為隨機一致性比率,用CR表示[12]。當CR<0.1時,認為判斷矩陣滿足一致性。研究將復合地基壩體質量評估指標分為5個一級指標,18個二級指標,具體見表1。

表1 復合地基壩體質量安全評估體系架構

由表1可知,復合地基壩體質量評估模型下包括一級指標(B):壩體結構概況、壩體結構安全、工程抗震性、維護管理、水利設施;二級指標(C)中,壩體結構概況包括體積、尺寸、材料類型、地質條件[13-14]。壩體結構安全包括壩體的穩定性、抗滑移能力、抗沖刷能力、抗沉降能力、抗傾覆能力;工程抗震性包括壩體的地震動響應、建筑物抗震性能、結構設計抗震性能;維護管理包括定期維護、定期檢測、定期修復;水利設施包括水閘的設計、建造、運行等。

判斷矩陣的數值是對每個評估因素相對重要性的最直觀反映,其值的大小尺度、重要性以及判斷矩陣元素aij的標度方法見表2。表2中的矩陣判定標度,表示不同評估因素之間的相對重要性[15]。

表2 矩陣判定標度及其含義

3 基于層次分析法的水利復合地基壩體質量安全評估應用效果分析

研究針對撫州水利復合地基壩體質量安全評估應用層次分析法進行分析,并對其應用效果進行評估。通過層次分析法,可以有效分析復合地基壩體質量安全問題,準確確定每個影響因素的重要性,有效確定復合地基壩體的質量安全狀況,為樞紐工程壩體的安全性能評價提供可靠的理論依據。見表3。

表3 指標層權重結構表

由表3可知,層次分析法用于撫州水利復合地基壩體質量安全評估,將復合地基壩體質量安全評估分為總指標層、一級指標層、二級指標層,并為不同級別的指標設定權重,以求出不同級別的評估結果。研究發現,基于層次分析法的江西撫州水利復合地基壩體質量安全評估應用效果較好,準確確定了不同級別的評估因子重要性,提供了一種可靠的安全評價方法,可以有效提高撫州水利復合地基壩體質量安全。

為了更好地獲得經加固后邊坡在壩體開挖之后拱頂沉降量以及附近收斂的形變情況,還計算分析了粉質黏土壩體支護構造的穩定性。研究選取撫州水利壩體某斷面進行測量和監控試驗,共選取3個監測點,研究定義平面形變監測站的橫向位移量(分解為X方向、Y方向)和豎直方向(H方向),即X方向為南北,南為正;Y方向為東西,東為正;H方向下沉為正,上升為負值。將橫向X向、Y向的位移轉換成沿河流、縱向河流的運動,以更好理解地面形變對壩體的作用,并給出相應的觀測數據。圖1為監測點8月份平面形變量的結果。

圖1 2021年8月地表位移監測點平面位移日變化曲線

根據觀測數據,截至2020年8月末,在橫向上的測點位移基本穩定,在實地巡查中沒有發現任何異常。于2021年8月7日22時,監測站接到水庫壩體測量點提示信息,對其進行了分析。從橫向位移的跨程線、沿江和縱溝等方面觀察,監測點2和監測點3處的移動速度有很大差異,之后趨于平穩狀態。參考周邊其余觀測點,并未有明顯橫向位移變化,可認為該位置的位移不是整個滑坡的整體變形征兆,但也應注意觀察其變動。圖2為監測點8月份垂直形變量的結果。

圖2 2021年8月地表位移監測點垂直位移日變化曲線

由圖2可知,監測點2和監測點3于2021年8月7日22時發生垂直變形位移,其峰值最高達到-541.9mm,之后幾天快速恢復平穩狀態。直至月末,3個監測點都處于零形變狀態,其垂直形變狀態與水平形變狀態一致,3個測點處的橫向變形及沉陷均有顯著的差異。參照周圍其它測點,在各個方位上均無顯著的位移改變,可認為該位置的位移不是整個壩體的變形征兆,系統繼續對變化較大的觀測點展開相關性分析并展開進一步的研究,見圖3。

圖3 監測點相關關系圖

由圖3可知,各測量點間的相關關系均大于0.99,且具有很好的相關性,且隨時間的推移而改變。針對壩體地段的地面變形,將監測頻率從12h一次變為1h一次,并根據其發展動態,及時進行監測,盡早發現崩塌的不穩定。并在此基礎上,實現了壩體災害的早期預警,及時進行災害防治,使危害降至最小。

壩體的主要影響因子是邊坡的構造和巖石性質,而水流則是引起滑坡發展的主要原因,滑坡的發生和發展與降水有一定的相關性。通過對降水、水位等外界因素的綜合研究,初步得出該測點臺地基是由于連日暴雨的沖擊而產生的傾角。從進程線上觀察,降水時地表變形沒有顯著的改變,表明觀測點處的改變具有滯后特征,早期有較大幅度,但后期則趨于穩定。

4 結 語

本文建立了復合地基大壩質量安全評價分析模型,并以江西撫州水利樞紐復合地基大壩為實際案例,對模型的應用進行了論證和探討。結果表明,應用復合地基大壩質量安全評價分析模型,可以有效分析復合地基大壩的質量安全。層次分析法可以準確確定各影響因素的重要性,可以有效評價樞紐工程大壩的安全性能,為復合地基大壩的安全提供了可靠的理論依據。通過對復合地基大壩位移監測的觀測數據進行分析發現,被測點在側向的位移基本穩定,在現場檢查中沒有發現異常情況。通過結合降水和水位等外部因素,分析了大雨對壩體凹陷的影響。