（岩土工程专业论文）黄河下游堤防破坏机理与安全评价方法的研究.pdf

中文摘要 摘要 本文主要结合黄河堤防的实际问题和大量历史资料，系统研究了黄河堤防安 全的主要影响因素，堤防的破坏机理，堤防结构的风险分析模型，计算典型堤段 的失事概率，建立黄河堤防安全综合评价指标体系，在此基础上，基于模糊数学、 遗传算法和层次分析法，应用基于加速遗传一层次分析法的堤防工程安全性综合 评价方法( 4 g 一一胛) 对黄河堤防进行了安全性综合评价。本文主要研究内 容如下： ( 1 ) 全面系统地收集黄河堤防的大量历史出险资料、地质勘探资料、隐患探 测资料、设计及现场调查资料，深入研究了目前黄河堤防所存在的安全隐患和历 史上发生的熏要险情。 ( 2 ) 分析研究影响黄河堤防安全的主要因素，将堤身一堤基一边界条件作为 一个相互影响、相互作用的复杂系统，详细论述了三者对堤防安全的影响；并根 据黄河堤防堤基岩土分布和险情特点，对堤基的结构类型进行了详细划分。 ( 3 ) 结合黄河堤防的险情特点，分析了黄河堤防管涌险情的发生、发展过程 及影响因素；其次系统研究了黄河堤防冲决的破坏机理，研究冲决形成的条件和 主要影响因素，详细阐述了冲决的发生、发展过程，同时从力学角度分析了冲决 的破坏机理。 ( 4 ) 紧密联系黄河堤防实际问题，基于可靠度理论建立了黄河堤防流土、管 涌、滑坡等风险分析模型，利用蒙特卡洛一随机有限元分析方法相结合进行了堤 防失事概率计算；探讨了黄河堤防工程的综合失事概率的计算方法。 ( 5 ) 分析了黄河堤防的失事后果特点，建立了黄河堤防失事后果的计算模型， 并结合国内外有关领域风险标准的研究现状，探讨了黄河下游堤防工程的风险标 准。 ( 6 ) 建立了黄河堤防安全性综合评价指标体系，并应用基于加速遗传一层次 分析的综合性评价方法对黄河堤防工程进行了安全性综合评价，对该评价方法的 有效性进行了实例验证。 关键词：黄河，堤防，资料，弱管涌，冲决，风险分析，安全评价 l l 英文摘要 a b s t l 。a c t b yc o m b i n i n gm ep r a c t i c a lp r o b l e m sa n dt h ei n f o l a t i o nf b mm s t o r i c “a r c h i v e s o fl o w e ry e l l o wi u v e rd i k e s ，t h i st 1 1 e s i sd r e s e n t sas t u d yo n 小ef l a i l u r em e c h a n i s mf 0 r d i k e ，t h er i s ka 1 1 a l y s i sm o d e l sf o rd i k e 蛐r u c t u r e ，c a l c u l a t i n gt h ef a i l l l r ep r o b a b i l i “o f t y p i c a id i k es e c t i o n sa n dt h em a i o ri m p a c tf 配t o r so nd i k es a f 宅t yf r o mw h i c ha ni n d e x s y s t e mf o rt h ed i k es a f b t ya s s e s s m e n tf o r1 0 w e ry 色1 l o wr j v e rw a sd e v e l o p e d ，t h e a c c e l e r a t i n gg e n e t i ca l g o r i t l l ma n da 1 1 a l ”i cl l i e r a r c h yp r o c e s s ( a g a a h p ) w e r eu s e d i nt 1 1 es a f b t va s s e s s m e n tf i o r 山el o w e ry b l l o wi u v e rd i k e s t h em a i nc o n t e n t so ft h e s t u ( i va r e ( 量e s c r i b e da sf i o n o w s ： ( 1 ) t h ee x i s t i n gh j d d e nd e f c c t sa i l ds i 朗墒c a i l tp a s td a i l g e m u ss i t a t i o n so ft h e 1 0 w e ry b l l o w 砌v e rd i k e sw e r e 咖d i e db vc o l l e c t i n g 1 ei n f o n n a t i o nf m mt 1 1 e h i s t o r i c a la r c m v e sf o r 也ed a i l g e r o u ss i n j a t i o n s ，也eg e o l o g i c a le x p l o r a t i o n ，血es u r v e y o f h i d d e nd e f e c t s ，m ed e s i 印a r l dt 1 ef i e 】dm o l l j t o r i n g ( 2 ) t h em a j o ri m p a c tf a c t o r so nt l l es a f b t yo fl o w e ry 已l l o w 硒v e rd i k e s 、v e r e i d e n t 试e d n l ei m p a c t so f 也ed i k eb o d y ，d 讧【ef b 岫d a t o na n db o l l l l d a r yc o n d i t i o n s ， w 1 1 i c hw e r ec o n s i d e r e da sac o m 口l c xi m e r a c t i v es y s t e m ，o nt 1 1 ed i k es a f b t yw e r e d i s c u s s e d t h et y p e so ff o u n d a t i o nf o rl o w e ry e l l o wr i v g rd - k e sw o r ec l a s s i f i e d a c c o r d i n 2t ot 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so f 出eg r o u n da n d t h ed a n g e r o u ss i t u a t i o n s ( 3 ) t h eo c c u 艄l c e ，d e v e l o p m e ma i l di m p a c tf a c t o r so fp i p i n gi nt 圭1 el o w e ry e l l o w r j v e rd i l 汜sw e r e 锄l y z e db a s e do nt 王l ec h a r a c t e r i s t i c so fd a n g e r o u ss i t u a t i o n s s u b s e q u e n t l y ，也ef 越1 u r em e c h a n i s m ，砸g g e r i n gc o n d i t i o n sa n dm 4 j o ri m p a c tf a c t o r s f o rb a l l ke m s i o no f1 0 w e ry e n o wr i v e rd i k e sw e r es y s t c m j c a l l ys n l d i e d a tt t l es 咖e t i m e ，t l co c c u r r e n c e ，d e v e l o p m c l np r o c e s sa n df 萄l u r ei n e c h 砌s mo fb a n ke r o s i o n 、v e r ed e s c r i b e di nd e t a i l s ( 4 ) as 甜e so fr i s k 如a l y s i sm o d e l s ，s u c ha ss e e p a g e ，p i p i n g ，a 1 1 d1 a 1 1 d s l i d ew e r e e s t a b l i s h e df o rm el o w e ry e l l o w 融v e rd i k e sw 圭1 i c hw e r ec l o s e l yr e l a t e dt ot l l e p r a c d c a lp r o b l e m si nt h el a 、v e ry e l l o wr i v e l1 1 1 ef a i l u r ep r o b a b i l i 竹o ft h ed i k ew a s c a l 砌a t e db yt km o n t e - c 胡o6 1 1 i t ee l e m e n tm e m o d ( f e m ) 伯ec o m p u t a t i o n a l m e t h o df o rt 1 1 eg e n e r a l 蜘l u r ep m b a b i l 埘o fl o w e ry e l l o w 掰v e rd i k e sw a sd i s c u s s e d ( 5 ) 1 1 1 ec h a r a c t e 五s t i c so f 也ec o n s e a u e n c e so fl o w e ry e l l o wm v e rd i k e 蹦l l m s w e r ea n 越y z e da n dac o m p u t a t i o n a lm o d e lf o rt h ec o n s e q u e n c e so fd i k ef 甜1 u r e sw a s e s t a b l i s h e d t h er i s kc r i t e r i ao f1 0 w e ry e l l o wi 屯v e rd i k ee n g i n e e r i n gw e r ed i s c u s s e d b yc o n s i d e r i n gt l l es t a t eo f a i t s 曲n l ef i s ka n a l y s i s ( 6 ) a ni r 【d e xs v s t e mf o rt h es a f 矾va s s e s 锄e n to fl o w e ry e l l o wr j v e rd i k e sw a s e s t a b l i s h e d am e 山o d o l o g yb a s e do nm ea c c e l e r a t i n gg e n e t i ca l g 嘶也ma n dm e a i l a l 叭i c1 l i e r a r c h yp r o c e s s ，w 船u s e dt oe v a l 眦t l l es a f b t yo fl o w e ry e l l o wm v e r d i k e si se v a l u 砒e d t h em e 也o d o l o q w a sv a l i d a t e db vc a s es t l l d i e s 1 硒唧o r d s ：y c l 】o w 斑v e r ；d i k e ；d a t a ；p i p i i l g ；r u s hb r o k e n ；尉s ka n a l y s i s ；s a f e t y a s s e s s m e m l i i 前言 翮f 吞 黄河历史上以“善淤，善决，善徙”著称，从公元前6 0 2 年至1 9 3 8 年的2 5 4 0 年问，其下游决口泛滥的年份有5 4 3 年，决口达1 5 9 0 多次，改道2 6 次，洪水灾 害的危害范围北到津站，南抵江淮，面积达2 5 万k m 2 ，给黄河下游人民造成了 深重的灾难。因此，治理黄河的首要任务是保证黄河下游堤防不决溢。 黄河是举世闻名的“地上悬河”，其堤防特点显著不同于其他河流，影响黄 河下游堤防系统安全的因素众多，从风险分析角度进行黄河下游堤防工程安全性 综合评价，建立黄河下游堤防的风险标准是一个亟待深入研究的新课题。本文从 整个黄河下游堤防系统出发，系统地分析黄河下游堤防存在的安全问题，研究黄 河下游堤防的风险分析方法和风险标准，在此基础上基于模糊数学、遗传算法和 系统工程学，应用一g “一爿御法对黄河下游堤防工程的安全性进行综合评价。 本文取得了以下创新成果： ( 1 ) 根据黄河下游堤防的险情特点，系统地研究了黄河下游堤防冲决的破坏 机理，研究了冲决形成的条件和主要影响因素，从力学角度分析了冲决的破坏机 理，建立了冲刷力公式。 ( 2 ) 紧密联系黄河下游堤防的实际状况，基于可靠度理论建立了黄河下游堤 防的流土、管涌、滑坡等风险分析模型；探讨了黄河下游堤防工程的风险标准。 ( 3 ) 建立了黄河下游堤防安全性综合评价指标体系，首次应用加速遗传一层 次分析相结合的综合评价方法对黄河下游堤防工程进行了安全性综合评价。 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽为所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果。与我工作的同事对本研究的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。如不实。本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：琏盎复a 。鲜f 硐f 妇 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学 术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复 印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸制论文的内容相一只。除了在保密期内 的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的 公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 之丝鸯鱼 细蛑2 月6 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约占宗列盆地，流经青海、四川、甘肃、宁 夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东等9 个省区，干流全长5 4 6 4k m ，流域面积7 5 2 万k m 2 ，是我国第二大河流1 1j 。它以丰富的自然资源，特别是水土资源，哺育了中华民 族的繁衍生息，为我国的政治、经济、文化的发展做出了不可磨灭的贡献。但是，黄河 又是世界上泥沙含量最高的大河，由于自然条件的改变和人类活动的影响，黄河下游河 道泥沙淤积形成了一条举世闻名的“善淤、善决、善徙”的地上悬河，洪水灾害十分频繁。 据不完全统计，从公元前6 0 2 年( 周定王5 年) 到1 9 3 8 年的2 5 4 0 年间，其下游决口泛 滥的年份有5 4 3 年，决口达1 5 9 0 多次，改道2 6 次，平均“三年两决口，百年一改道”。 波及范围以河南孟津县的宁嘴为顶点，托到津沽，南抵江淮，洪水向东北流入渤海侵袭 津沽，或者向东南流入黄河泛滥江淮，危害黄淮海平原的冀、鲁、豫、苏、皖五省的2 5 万k m 2 的广大土地及一亿多人口，给国家和人民反复造成深重的灾难【2 】。 古人说：什么都可以藐视，惟独黄河不能藐视，这是中华民族的象征。自共：【壅 防百川”、大禹“因势利导，疏浚排洪”到现在的“上拦下排，两岸分滞”，黄河流域与洪水 抗争已有5 0 0 0 年的历史【圳。据不完全统计，黄河流域在过去的2 1 9 7 年间发生特大洪水 灾害1 4 7 次，其中2 0 世纪初期3 次【5 j 。由于黄河洪水的高含沙特性，其造成的损失远超 过其它流域，本文仅回顾黄河近代主要历史洪灾，黄河洪水灾害之严重由此可见一斑。 图1 1l 跚年铜瓦厢决口改道图 f i g 1 1b n 删曲g 叠n dc h 知g 泌弯曲u r 辩i nt 0 峨w | l 主叠矗g 虹l s 5 s 河海大学博士学位论文 18 5 5 年黄河铜瓦厢改道，是年自6 月起连续降雨，黄河水位持续上涨，河南境内今 开封、兰考一段猛涨。丈咀上，6 月1 9 日，这段堤防终于溃决，次日全河夺流，铜瓦厢 决口改道以下河段迅速干涸，黄河夺大清河南利滓入渤海。黄河这一次大改道给整个当 时中国的社会经济带来极大的震动和深远的影响，水灾遍及河南山东，其中山东受灾最 重，生态平衡被打乱。 图1 2l 粥3 年长垣县城被淹没情形 f i g 1 - 2s b m e 瑁弧gs i 蛔_ 伯o n 虹恤et 帅m0 f c h 矗n gh u 叠n 岫1 粥3 圈l - 31 9 3 3 年巨野县城被淹没的情形 彤昏l - 3s u b m e r g 岫gs h _ 如n 诅也e 自d 帅o f j uy e 诅1 9 3 3 1 9 3 3 年，陕县站出现洪峰流量2 2 0 0 0m 3 ，s 的洪水，下游黄河两岸堤防发生5 0 多处 决口，受灾地区有河南、山东、河北和江苏等6 省6 7 县受灾，受灾面积达6 3 5 9k m 2 ， 灾民3 2 0 万人，伤亡1 8 万人，毁房5 0 万所，经济损失2 3 亿银元。 2 第一章绪论 图1 - 4l 蚣s 年郸城县董庄堵口情形 f 嗨l - 4 瑚雠妯g n p i h 曲e d 油窖恤铲o f t i 曩c h 蛐g t 肌i n1 9 3 5 1 9 3 5 年，陕县站洪峰流量仅1 3 3 0 0m 3 s ，山东郸城县董庄决口，泛滥区域达1 2 2 1 5 k m 2 ，淹及鲁苏2 7 个州县，受灾人口3 4 1 万，伤亡3 7 5 0 入，经济损失1 9 5 亿元。 图1 s1 9 3 8 年花园口扒口后的过漉情形 f 萱g 1 - 5n 州j n gs i t u a 如nw h 曲地eb r o k e no f h h ay u 姐k o u 缸1 9 3 8 1 9 3 8 年，国民党政府为阻止日军西侵，于郑州花园口扒决黄河大堤，使河南、安徽、 江苏4 4 个县市受淹，泛区一片汪洋，受灾人口1 2 5 0 万，有3 0 0 多万人背井离乡，8 9 万人死于非命。滚滚洪流把大量的泥沙带入淮河，泌塞河道与湖泊。1 9 4 7 年，黄河虽然 回归故道，但是其决口遗留的影响仍很严重，致使淮河流域连年发生水灾。 以下两张图片体现了黄河决口后泥沙淤积造成的大面积环境恶化。 河海大学博士学位论文 图l - 6 、圈1 7 黄河决口后泥沙淤积造成环境繇化 l 曙蛋1 - 6 姆1 - 7 砌h g u p o f m d 蛆d 啪d m l 【鹤钮v j 啪m 蜘t 基d 咖r b n 恼嘲叠f k r 两瞄t ( 以上图片及资料取自于世纪黄河1 7 】) 1 9 4 6 年以来，中国共产党领导人民治理黄河，取得了举世瞩目的伟大成就，下游防 洪取得了连续5 9 年伏秋大汛不决口的安澜局面。但是，黄河洪水依然是我们国家的心 腹大患：小浪底至花园口的无控制区还存在特大洪水的威胁1 8 】、黄河防御设防洪水的堤 防工程体系还存在大量薄弱环节f 2 1 、泥沙大量淤积致使下游悬河情势不断加剧嘲、不良 河势依然危及黄河下游堤防的安全【l “。目前，黄河下游河床已经普遍离出大堤背河地面 3 m 5 m ，险段在7 m 以上，悬河形势加剧，防洪形势严峻，黄河一旦发生决口，河水将 倾河而下，势必造成巨大的灾难，打乱整个国民经济的部署和发展过程，影响现代化建 4 第一章绪论 设第三步战略目标的顺利实现。据初步估算，如果北岸原阳以上或南岸开封附近及其以 上堤段发生决口泛滥，赢接经济损失将达到近干亿元。除直接经济损失外，黄河洪灾还 会造成十分严重的后果，大量铁路、公路和生产生活设施，引黄灌排渠系都将遭到毁灭 性破坏，造成群众大量伤亡，水冲沙压，泥沙淤塞河渠、良田沙化等等，对社会经济发 展和环境改善将造成长期的不利影响】。 随着用水量的增加，自1 9 7 2 年以来，黄河下游又出现了新的问题：黄河下游断 流现象严重，断流使得大量泥沙淤积在河道，河床抬高加速，冲淤变化异常复杂，更进 一步加剧了决口改道的可能，南京大学罗国煜教授指出：断流是暂时的，决口仍是主要 威胁，防洪将是长期的任务。 2 0 世纪9 0 年代以来，中国又进入洪水多发期，黄河流域一旦遭遇特大洪水决 ， 将比1 9 9 8 年长江流域特大洪水造成的决口危害要严重得多，堵口也要困难得多，而且 很难在汛期内堵复l j 3 j 。 黄河是世赛上最难治理的河流，治理黄河，历来是中华民族兴国安邦的大事，治理 黄河的首要任务是保证黄河不决溢，保障大堤的安全，因此堤防安全的研究更显得具有 实际意义。 小浪底水库建成后，黄河下游堤防的防洪标准大幅度提高，但黄河下游堤防质量差、 相关的基础研究水平薄弱、防洪减灾方面的科技水平和现代化管理手段落后等问题仍很 突出，这与建立“数字黄河”要求相差很远。同时，黄河下游堤防的出险机理复杂，堤防 安全涉及的因素众多，时空变化大，各种因素之间又相互作用、相互影响，具有很大的 不确定性，因此将各种因素统一起来，建立规范的、全面的评价指标体系，进而对黄河 下游堤防进行综合、全面、准确的评价，这将对近期和远期治黄具有重大的意义。 本文在借鉴国内外堤防安全先进理论的基础上，分析研究黄河下游堤防工程的安全 评价理论和方法。主要研究内容包括：黄河下游堤防工程的破坏机理分析；针对黄 河下游堤防的主要失事形式，进行堤防工程的风险分析；建立黄河下游堤防安全评价 的指标体系，寻求一种科学、适用的堤防安全综合性评价方法。其中，破坏机理分析解 决的是“黄河下游堤防怎样破坏? ”，风险分析在于说明“黄河下游堤防需要多大的安全 性? ”，安全评价目的是说明“目前黄河下游堤防的安全状况如何? ”，三者之间围绕黄 河下游堤防的综合安全性相辅相成，相互补充。研究结果可为黄河下游堤防的除险加固、 现代化管理提供一定的科学依据。 河海大学博士学位论文 1 2 国内外研究状况及进展 安全评价，也称为风险评价，是指对一个具有特定功能的工作系统中固有的或潜在 的危险及其严重程度所进行的分析与评估，并以既定指数、等级或概率值作出定量的表 示，最后根据定量值的大小决定采取预防或防护对策【】。它主要包括系统的风险分析与 安全评价，即在风险分析的基础上进行安全评价。国内外对大坝安全曾进行过深入的研 究，但对于堤防工程安全评价的研究尚处于起步阶段，其方法主要是借鉴大坝安全评价 和相关领域的风险分析方法，目前还没有形成统一的理论。 1 2 1 风险分析研究现状 风险的概念最早于1 9 世纪末在西方经济学领域中被提出，美国首先使用于军事工 业方面( 如核电站、航天器等) ，现已广泛应用于环境科学、自然科学、经济学等领域。 在各个领域。“风险”一般定义为“潜在灾害发生的概率及其对社会后果的度量”【l ”。用 公式表示为：胄= 只c ，r 表示风险，只表示失事概率，c ，表示失事后的损失。2 0 世纪8 0 年代初美国发表了许多关于大坝风险分析方面的文章【l6 1 ，大坝风险分析技术迅 速在美国、加拿大、荷兰、澳大利亚及西欧等国家发展，并逐步推广应用。1 9 9 3 年密西 西比河中、上游发生的5 0 0 年一遇洪水灾害引起人们的对过去防洪战略进行反思吡1 8 ， 堤防工程的风险分析也开始引起人们的关注，国外有许多学者致力于这个方面的研究， 在美国、荷兰、澳大利亚堤防工程风险分析技术研究已经取得丰富的成果。 美国陆军工程师团( u s a c e ) 的h a g c n ( 1 9 8 2 ) 最早提出大坝风险的概念【，对大 坝风险的研究比较深入，目前大坝风险分析应用l d e n t 母f a i l u r em o d e s 法，主要考虑静 态荷载、洪水、地震等各种工况组合下失事概率的风险分析方法，用于指导大坝的管理 和维修【2 0 】。 加拿大b ch y d r o 公司第一个将概率的风险分析用于大坝安全管理，把风险分析 方法引入大坝安全评估中，并制定了大坝安全准则和容许风险标准【2 2 1 ，这种先进的大坝 安全管理方法可以增强对大坝薄弱部位的了解，能让业主了解大坝的安全程度，并用最 经济有效的方法去维护大坝的安全，保障业主的投资和利益。 澳大利亚研究发展了一种多目标风险分析方法( m u l t i o b i e c t i v er i s km e t l o d ) ，这种 方法可用于评价诸如大坝失事这类发生概率低但后果严重事件的风险，用这种方法对洪 6 第一章绪论 水风险和大坝漫顶风险进行了研究1 2 刈；此外，澳大利亚大坝委员会制定了a n c o l d 风险评估指南，并不断进行修订以此对大坝进行风险管理，分析威胁大坝安全的潜 在事件f 2 “2 引。 荷兰三角洲委员会提出一种科学的方法超负荷法，即以经济分析为基础，权衡 防洪设施的建设费和洪水引起的潜在损失。安全标准的经济分析是以堤防建设成本和预 期洪灾损失最小为目的【2 3 0 们。， 国外学者对大坝风险分析技术的研究起始于漫顶风险、溢洪道等单项风险， s 工c h e n 卧b c y 醯、e f w b o d 等对大坝漫顶风险进行分析，并进一步研究了风险标准； g m s a l m o n 、d n d h a n f b r d 、f e f a h l b u s c h 等m 3 1 对大坝失事的风险标准进行了研究， 着重分析了公众可以接受的风险标准；r a y m o n d a s t e w a n 、w h t 觚g 、b c y e n 、m a n i n w 、f l e m d e r i e r e 等【3 2 司4 1 分析了大坝的综合风险，阐明了大坝风险分析的重要性，探讨 了综合风险的工程应用。 与大坝的风险分析技术相比，堤防工程的风险分析发展相对较晚，国外许多学者对 堤防风险的研究是从水文风险，结构风险堤防工程系统风险逐步发展的。m a y sl w i ” 3 s 和s z i d a r o v s z k yf 【3 9 】研究了堤防的漫顶风险；a 1 疗c d oh s 、s e d o v s k y 、c n n 等基于可靠 度理论研究了堤防工程的结构风险【钺卜4 3 】；w o o de ，f - 【4 4 1 、t u n gv k ， 3 6 】、c n 蛳1 4 5 1 等建立 了可靠性模型来研究堤防结构失事风险；d u c k s t e i nl 和b o g a r d ii 1 4 6 】等则研究了堤防漫 顶、管涌渗漏、边坡失稳、风浪冲刷等各种常见失事方式的风险：v a l ld e rm e e r 等在前 人研究的基础上综合考虑了水力边界条件、堤顶高程的不确定性、堤防的维修成本、洪 水造成的损失及其发生概率等因素对堤防工程进行了风险分析 4 7 】。 国内风险分析技术研究虽然滞后于国外，但自1 9 9 8 年长江流域发生特大洪水灾害 之后，国家对堤防与大坝的安全评价和风险分析工作极为重视，也引起众多学者的格外 关注。大坝与堤荫工程的风险分析研究得到迅速发展：刘树坤跚3 】、李坤刚【4 8 】详细介绍 了国内外防洪减灾政策的发展趋势和洪水的风险管理方法；陈肇和 4 9 】、肖义、曹楚生 川基于大坝设计标准和风险分析，对大坝的水文风险和安全度进行定量评估：梅亚东【5 2 1 、 岑慧贤 5 3 】、王本德1 5 4 】等详细探讨了大坝风险标准的制定方法，分析了大坝的主要失事后 果及其计算方法。在2 0 0 0 年举行的国际大坝会议专题7 6 ( 风险分析在大坝安全决策和 管理中的应用) 中，不少专家就大坝风险分析的基本要素进行了讨论口5 】；魏一鸣、金菊 良等对洪水灾害的风险管理进行了深入研究1 5 j ；麻荣永系统总结了土石坝的风险分析方 法及应用【5 6 ，5 7 l ；大坝风险分析技术研究已经取得显著成效。 河海大学博士学位论文 堤防工程的风险分析目前主要集中于水文风险、堤防结构风险、失事后果等单项研 究：陈守煜【5 8 、朱元蛀雌砌、冯平等分析计算了防洪堤的水文风险；李国芳f 6 2 1 、王卓 甫【6 1 “、朱勇华等对防洪堤的边坡失稳和渗透变形提出了堤防结构风险计算模型；吴兴 征、1 + 留谦【6 5 ”】等基于可靠性理论，建立了堤防失事的极限状态方程，并开发了堤防安 全评估分析系统。由此可以看出：堤防工程的风险分析在单项风险研究方面已经取得了 一定成绩，但堤防系统所建立风险计算模型的准确性、各种工况下失事风险的组合以及 堤防系统的综合风险等许多综合性问题还需要进一步探讨。 1 2 2 安全评价研究现状 建立堤防工程安全评价体系对堤防安全管理和运行是非常必要的l l ”，国外堤防安全 评价的研究，首先起始于大坝风险分析的研究6 8 锕】，应用风险分析技术来评价堤防工程 的安全性是今后堤防安全管理的发展方向( 7 ”。在这方面，日本、荷兰、美国研究的比较 深入，每个国家由于其堤防的特点和国情不同，研究的侧重点也不同。 日本建设省河川局针对日本全国各地的河川堤防的安全性问题，组织专家在深入研 究的基础上，编审了系列化的技术指南河川堤防总检点手册。它们被用于指导全日 本堤防安全性调查和评价工作。日本堤防渗透安全性调查的基本步骤是先普查后细查。 在普查中，根据堤防及基础土层的土质特点、外力条件和受灾历史，根据最不利状态优 先和综合考虑的原则，将各段堤防的渗透安全性概略地划分为：a ( 安全性高) 、b ( 安 全性较高) 、c ( 安全性较低) 、d ( 安全性低) 四种不同等级，根据划分的堤防渗透安 全性等级及其保护区的重要性程度，确定需要细查的堤段，细查的结果可为堤防的除险 加固和维护管理提供科学依据1 7 “。 荷兰的防洪体系由一个主干堤的综合体系构成，为了评价堤防构成的安全性，将整 个堤防系统划分为一系列相对独立的子系统，每个子系统均有一个可接受的风险水平 ( 即安全标准) ，这些标准由防洪法确定。堤防工程安全评价是按照高于破坏界限的程 度进行排列判断的。所谓的破坏界限取决于三个因素：社会能够接受的安全性指标； 测试和评价结构物强度的方法；确定和评价水力边界( 荷载) 的方法。从这三点出 发，遵循挡水结构物的评分标准，并在指南中采用一种称为“r o g ”( r u l e so f g 锄e ) 的 方法，将荷兰的堤防工程安全性等级共分为四级：优( g o o d ) 、良( s u 衔c i e n t ) 、中( d o u b t ) 和差( b a d ) 。这些破坏界限已经在荷兰水工建筑技术顾问委员会提出的设计、评价准则 中加以规定。荷兰的研究经验表明，堤防工程安全性评价不是一个静态事件，而是一个 第一章绪论 连续的动态过程盼7 3 ，7 “。 国内堤防安全评价主要是借鉴大坝安全评价的理论基础上发展起来的，先介绍大坝 安全目前的研究状况：何金平1 7 5 1 、吴云芳f 7 6 1 建立了大坝结构实测形态综合评价研究体系， 并利用改进的层次分析法进行实例验证；尉维斌、李珍照【7 7 】应用模糊综合评判基本原理 建立了大坝综合评判多级数学模型，实现对大坝安全模糊综合评判；李雷【7 8 1 、李君纯 等提出了综合评价土石坝安全度的初步方法，并利用可靠度分析方法计算土石坝的失效 概率；吴中如院士、顾冲时等学者【鼽盯1 对大坝安全进行了比较深入的研究，建克了大坝 安全综合评价专家系统胛】，并利用网络技术实现了可视化。随着大坝安全研究的深入， 对其进行的安全分析和评价，已从单因素发展到多因素，从单项分析发展到多项综合分 析和综合安全评价。 参照大坝安全评价方法，国内一些学者对堤防安全也进行比较详实的研究。但云贵、 杨健8 5 1 根据堤防工程地质状况对堤防进行岸坡稳定和渗流稳定评价；周小文、包伟力 f 】j ，8 6 8 刀基于堤防自动化监测数据为评价依据，对渗透安全采用确定性评价模型和概率评 价模型进行了评价；陈新刚”j 运用灰色系统理论对黄河部分堤段进行决口灾害的风险分 析；李青云、张健民【2 习结合长江堤防分析研究了堤防工程的安全评价问题，并用模糊数 学与层次分析法相结合建立了堤防工程综合评价模型，汪自力、顾冲时等【8 8 针对目前堤 防工程的管理现状，对堤防工程的安全评估进行了细致分析。 综上所述，我国目前大坝的安全评价方面研究的相对较为成熟，已经形成了比较系 统的理论体系，而以往与堤防工程安全评估有关的研究还很少，并且大多只侧重于单项 方面研究，堤防工程综合性评价工作只有李青云、顾冲时等进行过系统的研究，在评价 方法等方面取得了一定进展，但还没有形成完整的理论体系，许多问题还需要进一步深 入研究。 1 2 3 黄河下游堤防工程安全评价的特点 与国内外其它江河堤防相比，黄河下游堤防工程系统有其显著的特点：( 1 ) 黄河下 游堤防是在民埝的基础上建立起来的( 约1 3 0 年) ，地质条件复杂、遗留隐患多，且缺 乏系统深入的调查、记录和分析：( 2 ) 黄河下游河道是“悬河”，且堤基条件差，堤身土 质强度不够，结构疏松，渗透性大：( 3 ) 近十几年来，黄河泥沙淤积加重，河道主槽萎 缩，平槽流量减少，断面形态恶化，河势剧烈变化没有得到有效控制，黄河洪水各种特 征发生了较大变化，其堤防安全的动态性更为明显；( 4 ) 黄河下游堤防保护区为，。+ 大平 9 河海大学博士学位论文 原地区，人口密集，资产集中，各种相关的基础研究相对落后，这与黄河的现代化治理 要求有一定差距；( 5 ) 黄河临河堤防均为一级堤防，但不同堤段保护区的人口分布、广： 业结构以及资源、环境条件等社会经济现状有较大差异，河道特性和边界条件也相差很 大，各堤段安全性与保护区范围内的人口密度和经济发展水平并不十分协调。 基于上述原因，黄河下游堤防工程及其保护区有其固有的特点，因此不宜直接套用 国内外其他河流的风险水平和安全标准，在堤防风险分析研究方面也不能直接套用国外 的方法，必须根据黄河下游堤防工程和保护区的特点和区域可持续发展的需要，构造适 合黄河自身的堤防工程安全性综合评价指标体系、评价方法和安全标准，建立黄河下游 堤防工程的安全评价体系可以纳入“数字黄河”工程的一部分。 1 3 问题的提出 综上所述，国内外对大坝的安全评估与风险分析研究的较多，而对堤防工程安全评 价的研究主要是借鉴大坝的一些方法。但是由于堤防战线长，质量差以及失事后果更为 严重的特点，许多问题还有待进步研究，本文结合国内外研究现状与黄河下游堤防自 身的特点，提出一些新的问题： ( 1 ) 目前，堤防安全主要考虑的是堤身、堤基的组成，而周围环境对堤防安全的影 响考虑得不够全面，实际上，堤防的边界条件作为堤防安全系统的一部分对堤防的安全 影响极为重要，目前黄河下游河道边界条件有恶化趋势：由于黄河来水的含沙量高，河 道的冲淤变化大，断面形态持续恶化，其堤防的边界条件异常复杂，黄河下游堤防的安 全与其边界条件密切相关，需要深入研究黄河下游堤防工程的边界条件，找出与黄河下 游堤防工程安全关系重大的影响因子。 ( 2 ) 黄河下游堤防存在严峻的威胁与其“悬河”的程度密切相关，这也是黄河与其它 流域显著不同之处。黄河下游堤防的破坏机理也因其河床“高悬”而与其他河流有明显差 异：冲决现象在历史上出现很多，而且未来黄河下游堤防出险主要以冲决为主；黄河下 游堤防洪水期间出现的渗透变形与其他流域的险情也有显著不同，因此有必要深入研究 黄河下游堤防的破坏机理。 ( 3 ) 许多专家依据概率论原理建立了堤防结构风险评价模型，但风险计算模型一般 是高次非线性方程，直接求解非常困难，而且由于岩土参数和几何尺寸的不确定性，误 差非常大，应该力求建立简捷、实用性强的风险模型，避免繁琐的求解过程。此外，堤 河海大学博士学位论文 原地区，人口密集，资产集中，各种相关的基础研究相对落后，这与黄河的现代化治理 要求有一定差距；( 5 ) 黄河临河堤防均为一级堤防，但不同堤段保护区的人口分布、产 业结构以及资源、环境条件等社会经济现状有较大差异，河道特性和边界条件也相差很 大，各堤段安全性与保护区范围内的人口密度和经济发展水平并不十分协调。 基于上述原因，黄河下游堤防工程及其保护区有其固有的特点，网此不宜直接套用 国内外其他河流的风险水平和安全标准，在堤防风险分析研究方面也不能直接套用国外 的方法，必须根据黄河下游堤防工程和保护区的特点和区域町持续发展的需要，构造适 合黄河自身的堤防工程安全性综合评价指标体系、评价方法和安全标准，建立黄河下游 堤防工程的安全评价体系可以纳入“数字黄河”工程的一部分。 1 3 问题的提出 综上所述，国内外对大坝的安全评估与风险分析研究的较多，而对堤防工程安全评 价的研究主要是借鉴大坝的一些方法。但足由于堤防战线长，质量差以及失事后果更为 严重的特点，许多问题还有待进一步研究，本文结合国内外研究现状与黄河下游堤防自 身的特点，提出一些新的问豚： ( 】) 目前，堤防安全主要考虑的是堤身、堤基的组成，而周围环境对堤防安会的影 响考虑得不够全面，实际上，堤防的边界条件作为堤防安全系统的一部分对堤防的安全 影响极为重要，目前黄河下游河道边界条件有恶化趋势：由于黄河来水的含沙量高，河 道的冲淤变化大，断面形态持续恶化，其堤防的边界条件异常复杂，黄河下游堤防的安 全与其边界条件密切相关，需要深入研究黄河下游堤防工程的边界条件，找出与黄河下 游堤防 ：程安全关系重大的影响因子。 ( 2 ) 黄河下游堤防存在严峻的威胁与其“悬河”的程度密切相关，这也是黄河与其它 流域晶著不同之处。黄河下游堤防的破坏机理也因其河床“高悬”而与其他河流有明显荠 异：冲决现象在历史上出现很多，而且未来黄河下游堤防出险主要以冲决为主；黄河下 游堤防洪水期间出现的渗透变形与其他流域的险情也有显著不同，因此有必要深入研究 黄河下游堤防的破坏机理。 ( 3 ) 许多专家依据概率论原理建立了堤防结构风险评价模型，但风险计算模型一般 是高敞非线性方程，直接求解非常困难，而且由于岩土参数和几何尺寸的不确定性，误 差非常大，应该力求建立简捷、实用性强的风险模型，避免繁琐的求解过释。此外，堤 差非常大，应该力求建立简捷、实用性强的风险模型，避免繁琐的求解过程。此外，堤 0 第一章绪论 防工程的风险标准是风险分析的核心内容，需要结合黄河下游堤防保护区的现状作进一 步的分析。 ( 4 ) 对黄河下游堤防进行安全评价，根据黄河下游堤防的特点选择科学、合理的安 全评价指标是核心，科学的评价方法是关键，目前堤防安全性综合评价方法在赋权方法 的选择和计算等方面存在诸多不足之处，故需研究堤防安全评价方法中存在的问题和改 进的途径，以便能简捷、准确地对黄河下游堤防工程进行科学评价。 1 4 本文的主要研究内容 本文主要结合黄河下游堤防的实际问题和大量历史资料，研究影响黄河下游堤防安 全的主要因素，堤防结构的风险分析模型，计算典型堤段的失事概率，建立黄河下游堤 防安全综合评价指标体系，在此基础上，基于模糊数学、遗传算法和层次分析法，建立 了基于加速遗传一层次分析法的堤防安全综合性评价方法，并对黄河下游堤防安全进行 综合评价。具体研究内容如下： ( 1 ) 通过黄河下游堤防的大量历史出险资料、地质勘探资料、隐患探溯资料、设计 及现场调查资料的收集，分析了目前黄河下游堤防所存在的安全隐患和可能发生的重要 险情。 ( 2 ) 分析研究了影响黄河下游堤防安全的主要因素，将堤身一堤基一边界条件作为 一个相互影响、相互作用的复杂系统，系统论述了三者对堤防安全的影响；并根据黄河 下游堤防的堤基结构和出险特点，对堤基的结构类型进行了详细划分。 ( 3 ) 黄河下游堤防的破坏机理分析：结合黄河下游堤防的险情特点，分析了黄河下 游堤防管涌险情的发生、发展过程及影响因素；其次研究黄河下游堤防冲决的破坏机理， 分析了冲决形成的条件和主要影响因素，详细阐述了冲决的发生、发展过程，同时从力 学角度研究了冲决的破坏机理。 ( 4 ) 对黄河下游堤防工程进行风险分析，本文紧密联系黄河实际问题，基于可靠度 理论建立了堤防流土、管涌、滑坡等风险分析模型，并利用蒙特卡洛一随机有限元方法 进行了堤防失事概率计算。 ( 5 ) 根据黄河下游堤防失事后果严重的特点，建立了黄河下游堤防失事后果的计算 模型，并结合国内外有关领域风险标准的研究现状，初步探讨了黄河下游堤防工程的风 险标准。 河海大学博士学位论义 ( 6 ) 在分析黄河下游堤防系统特点的基础上，建立了黄河下游堤防安全性综合评价 指标体系，首次应用加速遗传一层次分析法相结合对黄河下游堤防工程进行了安全性综 合评价。 本文的主要研究内容框架图如图1 8 ： 一1 第二章 i 第三章 ； 第四章第五章 l j - l 一一一i 图1 8 本文的主要研究内容 f i 番l 一8m a i nc o n t e 拓o f t h ed i s s e r t a 廿o 1 2 第二章黄河下游堤防t 程组成及安全状况 第二章黄河下游堤防工程组成及安全状况 本章首先详细整理了黄河下游堤防工程的现状资料，包括堤防的组成、保护 区范围以及堤防的工程地质与水文地质条件，同时结合大量的黄河调查资料分析 归纳了黄河下游堤防系统的“悬河”特点。 其次根据黄河下游堤防历史上洪水期间发生的大量险情记载资料、安全隐患 调查信息资料，并参照其他流域特大洪水期间所发生的重大险情，深入系统地归 纳了目前黄河下游堤防存在的安全隐患和洪水期可能出现的重大险情，分析了黄 河下游堤防安全隐患与险情之间的关系。根据自1 9 4 7 年人民治黄以来洪水期间 出现的大量险情并结合黄河下游堤防工程近年来的变化特点，从历史的角度说明 “悬河”堤防目前安全问题仍很突出。 2 1 黄河下游堤防概况 黄河下游两岸临黄大堤总长1 3 6 8 3 4k m ，东坝头以上的临黄堤修筑时间较 早，部分堤段系明代时修筑：东坝头