（水工结构工程专业论文）荆江大堤堤防工程安全综合评判体系研究.pdf

摘要 摘要 到目前为止，对堤防安全性分析，通常单因素的评价方法，缺乏综合评价的 标准。本文以堤防工程的安全性为研究对象，通过对堤防工程管理现状和国内外 堤防工程安全评价成果深入研究，根据堤防工程结构特点、工作性态，建立了堤 防工程安全评判的理论框架，构建了堤防工程安全综合评判的体系结构，建立了 堤防工程安全综合评判模型，提出了便于操作的评判方法。主要研究内容如下： ( 1 ) 堤防工程安全综合评价体系的构建。通过深入分析堤防工程的水文地质条 件、设计、施工及运行条件等因素对堤防工程安全的影响程度，筛选出堤防工程 安全的主要影响因素，建立堤防工程的安全影响因素集；从堤防工程安全评判的特 点出发，建立堤防工程安全评判指标体系的原则，并根据规范和常规经验确定堤 防工程安全评判的评判集。在此基础上，应用模糊数学理论建立堤防工程安全综 合评判二层次多指标体系。 ( 2 ) 定量和定性评判指标量化方法研究。针对堤防工程各安全评判指标的特点， 充分考虑其在表述方法、取值范围、度量方法和度量单位等方面的差异，提出安 全综合评判指标的度量及归一化方法。按目前荆江大堤的运行情况，进行河势分 析和工作性态的空间非线性有限元分析，内容包括河势、渗流、稳定、应力应变、 地震液化等，从而对现有荆江大堤堤防工程的安全性获取比较全面的量化评判指 标。 ( 3 ) 堤防工程安全评判指标权重的确定。通过分析影响因素对堤防工程整体安 全影响的重要性，探讨主观赋权、客观赋权以及优化融合赋权等方法在堤防工程 安全评判中的应用，并基于最优化准则，建立堤防工程安全综合评判指标融合权 重的方法。 ( 4 ) 堤防工程安全综合评判模型研究。根据堤防工程的具体条件、运行环境和 已建的堤防工程安全综合评判体系结构，应用模糊数学理论和方法，建立堤防工 程综合评判的模糊模型，并应用于实际工程。 ( 5 ) 研究内容依托荆江大堤堤防工程，加强和荆江大堤堤防工程有关设计单位 和运行单位的密切合作，充分考虑堤防较长，沿程地层条件变化大，且河势多变 等特点，依据监测资料，建立堤防工程实时性态评判模糊模型，初步构建荆江大 堤堤防工程综合评判和决策体系。 关键词：长江，荆江大堤，堤防，河势，模糊数学，综合评判 i l a b s t r a c t a b s t r a c t u p t 0n o wt 1 1 es i n 舀ef a c t o re v a l 删o nm e m o di sl l s u a l l yu s e dt oa 1 1 a l y z et h es a f e t y o fd y k e ，b u ti t sl a c ko fc o n l p r e h e l l s i v ee v a l u a t i o ns t a l l d a r d 1 1 1 廿1 i sm e s i s ，t 1 1 es e c 嘶t y o fd y k ei ss t u d i o d t h r o u g hi n t e l l s i v es 砌yo ft 1 1 em a n a g 锄e n ts t a t 吣i 1 1d y k e 觚dm e a c k e v 锄e n t si i l d y k e ss a f c t ye v a l 眦t i o na b r o a da n dh o m c a i l da c c o r d i n gt o l e c h a r a c t e r so fd y k e ss 咖c t u r e 锄db e h 撕o r t l l es y s t 锄o fd y k e ss a f e t yc o m p r e h 锄s i v e e v a l u a t i o ni se s t a ：b l i s h e da n d l ec o m p f e h e l l s i v ee v a l u a t i o nm o d di sb u i l t ；t h en e w e v a l u a t i o nm e t l l o dw l l i c hi se 嬲i e rt op e r f o 肌i sr a i s e d ，a i l dt i l em e o r e t i c 五r a m e v m r ko f s a 鲫e v a l u 撕o ni se s t a b l i s h e d n em a j nc o n t 饥t so ft h i sd i s s e n a t i o n a r ea sf o l l o w s ： 1 1 ks y s t e mo fd y k e ss a f e t yc 0 m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni s 销t a b l i s h e d b y i m e n s i v e l y 雒a 1 ) ，z i n gn l ed e 伊o fi n f l u e i l c eb yc o n d i t i o no fd y k eh y d r o g e o l o 百c a l ， d e s i 印，c 0 i l s t r u c t i o n ，a n do pe r ：a t i o n ，e t c ，a n ds e l e 嘶n gm em a i ni n n u e n c i n g 伍c t o r s ，a s e to fa 仃e c t i n gf a c t o r so fd y k e ss a f e t yi sm a d e ；b a s e do nt 1 1 ec h a r a c t e r so fd y k e s s a f e t ye v a l 眦t i o n ，m ep r i n c i p l eo fb u i l d i n gu pm ed y k e ss a f e t ye v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m i sr a i s e d ，锄das e to fd y k e ss a f e t ye v a l u a t i o ni sm a d eb a s e do nc r i t e r i o na i l dg e n e r a l e x p 耐e n c e f r o ma 1 1t h e s em e n t i o n e dp a n s ，d y k e ss a f e 够c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n s y s t 锄i i l 觚o l e v e l sa n dm a i l yi n d e x e si se s t a b l i s h e db ya p p l 如n gn l e 如z z y m a t h 锄a t i c st h e 0 够 2 t h em e t h o do fq u a l l t i z e dq u 锄t i t a t i v ea i l dq u a l i t a t i v ee v a l u a t i o ni n d e x e si s s t u d i e d 赴m i n ga t 廿1 ec h a r a c t e r so fd y k e ss a f e t ye v a l u a t i o ni n d e x e s ，a r e r 如l l c o n s i d e r i n ga b o u td i c 韶i ne x p r e s s i n gm e t h o d ，v a l u 销r 锄g e ，m e a l s 谢n gm e m o d ， 锄dm e 弱u r i n gs t a n d a r d ， t l l em e a s u r e m e n ta i l dn o m a l i z a t i o nm e m o dt o s a f e t ) r c o m p r e h 踟s i v ee v a l u a t i o ni n d e x e sa r er a i s e d a c c o r d i n gt om em i u l i n gs i t u a t i o no f j i n 西i 趾gd y k e ，w a t e r t 锄dd y k eb e h a 0 ra r e 弛a l y z e d ，锄ds p a t i a ln o n l i n e a r f i n i t ee l 锄e n tm e c h o di su s e dt 0 锄a l y z es u c ho b j e c t s 嬲w a t e rc u 玎e n t ，s e 印a g e ，s t a b i l i 劬 s 砌n 锄ds 仃e s s ，s e i s r n i c 1 i q u e f a c t i o n ， e t c ， s oac o m p i e h e n s i v ea i l d q u 锄t i z e d e v a l u a t i o ni n d e xf o rj i n 自i a n gd y k e ss a 触yi sm a d e 3 1 1 1 ed y k e ss a f e t ye v a i l u a t i o ni n d e xw e i 曲ti sd e t e m i n e d b y 纽a 1 ) r z i n gm c i i i i m l 斌t _ 锄c eo fi n n u e f l c i n gf a c t o i st o l ew r h o l ed y k e s 鼢f e t y 锄de x p l o r i n gh o wt 0 髑c t h em e m o d so fs u b j e c t i v e 锄d0 b j e c t i v ew e i g l l t s ，o p t i r l l a l 觚ds ) r i l t l l e t i c a lw e i g h t si 1 1 鼢f b t ) rc v a l u a t i o no ft h ed y k e ，s ) ，i l t l l e t i c a lw e i g l l t so f 姗p r c h e l l s i v ee v a l u a t i o ni n d e x 骼 o fd y k es a f e 妙i sf 1 0 u n db 勰e do no p t i m i z a t i o n 4 1 1 坞d y k e ss a f e t yc o m p r e h s i v ee v a j u a t i o nm o d e li ss t u d i e d b a s e do n p r a c t i c a lc o n d i t i o 璐，r u n n i n ga i r o n m e i l t s ，觚d n l e s y s t e mo f 咖p r e h e 舾i v e 酬u a t i o no fd y k es a f e t yt l l a t h a sb e e s t a b l i s h 咄n l ef i l z z ym o d e lo fd y k e s 咖 c o m 畔h e n s i v ee v a l u a t i o ni sb u i l tb y 印p l y i n gt l l ef i l z z ym a m e m a t i c s l e o 巧鲫d m e t h o 也锄d 衄sm o d e li su s e di 1 1r e a lp 叫e c t 5 t 1 1 es t u d yi sb a u s e do nt l l ej i n 商i 锄gd y k e ，b ys 仃e 1 1 9 t h 嘶n gc o o p e r a t i o nw i m c o n c 锄e dd e s i 鳃i n s t i t l l t e s 锄dm a n a g 锄e n tu n i t s ，龟u n s i d e r i n ga b o u tf o l l o w i n g c h a m c t e r s ，s u c h 嬲l o n gd y k e ，v a r i e dg c o l o 西cc o n d i t i o n 锄dc o n l p l i c a t e dw a t e r t ， m er e a l t i m ee v a l u a t i o n 最l z z ym o d e lo fd y k ei sb u i l tb 雒e d0 nc h a r a c t e r so fm o l l i t l 耐n g d a t 码a l l dm es y s t e mo fc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 锄dd e c i s i o na r em a d e k e y w o r d s ：m m 舒s er i v e r ；j i n 百i 甜培d y k e ；d y k e ； c h a r a c t e r i s t i c so f r i v e r s i d e ； f u z z ym a t h e m a t i c s ；c o p p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n i v 前言 工上k 月l j吾 我国堤防工程历史悠久，堤身内存在许多古河道、老口门等遗留的构筑物、 虚土层、透水层等隐患，在洪水期间极易形成险情，严重威胁堤防工程的安全。 本文以模糊数学为基本理论，以影响堤防工程安全性因素为评判指标，以现行国 家规范标准为评判标准，确定了评判模型，通过对堤防工程管理现状和国内外堤 防工程安全评价成果深入研究的基础上，以荆江大堤堤防工程为研究对象，开展 堤防工程安全性综合评判研究。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 堤防工程安全综合评价体系的构建。通过深入分析堤防工程的水文地质条 件、监测、检查及隐患探测结果等因素对堤防工程安全的影响程度，筛选出堤防 工程安全的主要影响因素，建立堤防工程的安全影响因素集：给出建立堤防工程安 全评判指标体系的原则，并根据规范和常规经验确定堤防工程安全评判的评判集。 在此基础上，应用模糊分析法建立堤防工程安全综合评判多层次多指标体系。 ( 2 ) 定量和定性评判指标量化方法研究。针对堤防工程各安全评判指标的特点， 充分考虑其在表述方法、取值范围、度量方法和度量单位等方面的差异，提出安 全综合评判指标的度量及归一化方法。按现在荆江大堤的运行情况，进行空间非 线性有限元分析，从而对现有荆江大堤堤防工程的安全性有一个比较全面的量化 的评判指标。 ( 3 ) 堤防工程安全评价指标权重的确定。通过分析影响因素对堤防工程整体安 全影响的重要性，探讨主观赋权、客观赋权以及优化融合赋权等方法在堤防工程 安全评价中的应用，建立堤防工程安全综合评价指标融合权重的确定方法。 ( 4 ) 堤防工程安全综合评判模型研究。根据堤防工程的具体条件、运行环境和 已建的堤防工程安全综合评价体系结构，应用模糊数学理论和方法，建立堤防工 程综合评判的模糊模型，并应用于实际工程中。 ( 5 ) 论文研究内容紧紧依托荆江大堤堤防工程，加强和荆江大堤堤防工程有关 设计单位和运行单位的密切合作，充分考虑堤防工程堤线较长，地层条件沿程变 化大，且河势多变等特点，依据监测资料特点，建立堤防工程实时性态评判模糊 模型，初步构建荆江大堤堤防工程综合评判和决策体系。 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。尽我所知，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。与我一同工作的 同事对本研究所做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) ：o 占年i 只；3 日 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 档的内容和纸质论文的内容相一致。除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。 ，o 论文作者( 签名) ：型兰!口彦年歹月于j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 我国地域辽阔，人口众多，水资源紧缺，时空分布差异大，水旱灾害频繁。 长期以来，我国人民受利于水，受害于水，与水灾干旱进行了长期的斗争。在人 与自然的斗争中，人类曾付出巨大的代价，江河决堤，万顷良田被淹没，千百万 人背井离乡，流离失所。据统计，1 9 9 8 年洪水期间，长江中下游干堤出险约9 0 0 0 多处，嫩江、松花江干堤出险约9 5 0 0 处，再加上其它大江河的堤防出险，使堤防 加固任务艰巨，工程量巨大。建国以来，水利建设一直受到党和政府的高度重视， 全国各主要江河均进行了不同程度的规划治理，大部分江河己初步建成防洪工程 体系。我国共整修和加固各类江河湖泊堤防2 6 万多公里，长江、黄河、淮河等主 要江河共有蓄滞洪区9 8 处，总面积3 4 5 万平方公里，总蓄洪量9 7 0 7 亿立方米。 据有关统计，全国现有近1 2 的人口、1 3 的耕地和约7 0 的工农业总产值在堤防 的保护之下。经过5 0 多年的堤防工程建设，洪涝灾害得到初步控制，堤防工程在 防洪、灌溉、供水、航运、水保等方面发挥了巨大的社会效益、经济效益和环境 效益，保护了下游亿万人民的生命财产安全，是我国国民经济的重要基础设施， 在国民经济建设和社会安全中起到了巨大作用1 】【2 1 。 但是，由于我国堤防工程历史悠久，堤身内存在许多古河道、老口门、遗留 的构筑物、虚土层、透水层等隐患，在洪水期间极易形成渗水、管涌、漏洞、散 浸、跌窝等险情，严重威胁堤防工程的安全。有些堤防工程施工质量较差，压实 质量达不到设计要求，主要江河的防洪标准仍然偏低。堤防工程还存在生物破坏 问题，南方的白蚁，北方的灌、狐、鼠类，对堤防的破坏作用很大；加之大多堤 防工程已运行数十年，甚至上百年，存在不同程度的老化问题；堤身长期浸润， 易于产生湿陷变形和渗漏，而长期脱水则可能产生裂缝。因此，当遇到超过防御 标准的洪水，我国大多堤防工程就显示出控制性工程偏少或堤防高度不足等问题： 若遇到特大洪水，人力则无法抗御，洪水灾害难于幸免。由此可见，这些堤防工 程的安全不仅直接影响经济效益的充分发挥，而且威胁河道两岸人民的生命财产 安全，是关系到国计民生的大事。加强堤防工程的安全评判和除险加固工作己经 迫在眉睫。 由于堤防工程的特点，现阶段我国对堤防工程的补强加固工作主要是依赖定 河海大学工学博士学位论文 期检查结果进行的。由于受监测技术、经费以及管理条件的限制，在堤防上 使用的监测仪器往往很难达到预期的效果，造成堤防工程安全评判所需的基础资 料不全，尚未形成系统的堤防工程安全评判方法。因此，在堤防工程的除险加固 中，常常出现由于对危及堤防安全的因素分析不明，而影响加固效果的问题。 随着堤防工程管理技术的发展，信息化水平己经逐步成为河流治理开发和管 理现代化进程的标志，国内外不少学者正尝试结合信息技术研究堤防安全评判系 统和方法，为堤防除险加固服务。例如，在堤防渗流方面，由于渗流是一个饱和 非饱和、非稳定稳定的发展过程，加之渗流场有不同程度的非均质和各向异性， 几何形状和边界条件复杂，所以采用确定性方法分析堤防的汛期动态渗流非常困 难，难以准确计算和考虑各种复杂情况。对于这种非确定的、动态变化的情况， 借助计算机信息技术，对现场观测的数据进行统计、处理、推断，以直接对堤防 渗流险情进行判断和预报；在堤防岸坡稳定方面，力学数值分析( 极限平衡法和有 限元法) 对于一些基本稳定或基本不稳定的边坡，能够做出合理的定性和定量判 断，但对于一些介于稳定与非稳定之间的边坡，却难以准确计算其安全程度，尤 其对于发生了一定位移的边坡，力学分析法很难判断是否会继续滑动，其原因为 力学分析法本身含有诸多假定，加之边坡土性不均匀和边界条件复杂等因素，导 致上述情况的产生。因此，对于滑坡的评价和预报，除了进行力学分析外，可根 据现场位移监测成果，利用数据统计推断方法进行滑坡的判断和预报。但是，由 于堤防问题的复杂性，合理的安全评判模型有待于通过堤防安全检测、监测的结 果不断验证及修改，逐渐形成较为合理的分析模型。针对己有的资料建立堤防安 全评判体系，根据堤防检测、监测数据建立相应预测模型，对各类数据资料进行 科学的管理和分析，对堤防工程的安全状况进行监控，以降低堤防除险加固中人 为主观性因素的影响，为堤防工程的管理和加固提供可靠的数据支持和理论依据， 为编制“堤防安全评判方法”提供技术支撑，以逐步实现堤防工程管理的现代化和 科学化，这方面的研究已引起越来越多学者的关注【4 】【5 】【6 】。 荆江大堤位于长江中游荆江河段北岸，上起枣林岗，下至监利城南，由历代零星 民垸堤垸和分散堤段逐步连接发展而成。两千年来，大堤由小到大，修而溃，渍而修， 形成堤身断面不一、土质各异、堤基土层分布不匀、堤后渊塘众多的复杂情况。 解放后，党和国家极为重视荆江大堤安全，逐年对大堤进行除险加固。现在，上起枣林 岗下止监利城南，全长1 8 2 3 5 千米的荆江大堤已成为江汉平原的重要防洪屏障。 2 第一章绪论 建国五十年来，荆江两岸人民在中央“确保荆江大堤，江湖两利，蓄泄兼顾，以泄为 主，上下荆江统筹考虑”的原则指导下，做了大量卓有成效的工程，大大提高了大堤的 防洪标准和抗洪能力。经二期加固后的荆江大堤经受了1 9 9 8 年特大洪水的考验， 为确保江汉平原的安全发挥了重要作用。 但是，作为长江防洪最重要的荆江大堤，大部分堤身建筑在冲积土层上，其中有 6 0 多公里建筑在砂层、古河道、旧城区、穴口及溃口遗址上，从大堤垂高的控制、 堤后填塘的范围、渗控措施等，其建设标准与其它堤防( 如洪湖、监利长江干堤、咸 宁长江干堤，武汉市江堤和黄石大堤等) 相比，相差甚远。因此，荆江大堤汛期险情仍 时有发生，如在1 9 9 8 年的洪灾中，由于堤防受高水位长时期浸泡，共发生各类险情9 1 处。其中堤身险情有6 2 处，占险情总数的6 8 。加之荆江大堤枣林岗观音寺、 柳口聂家堤头为7 度地震区，堤基土中的饱和砂性土和少粘性土在地震时可能 发生液化破坏，这些都与土层结构、颗粒组成、松密程度、边界条件和排水条件以 及地震历时有关。 荆江大堤情况复杂，尽管经二期加固，但总体而言，防洪标准较低，防洪形势依然 严峻，需要对一些防洪形势严重的典型堤段进行安全度综合分析及评判，为荆江大 堤进一步加固提供设计依据2 9 1 。 1 2 国内外研究现状 堤防工程安全性是近些年才被关注的，但与此相关的堤防工程安全性综合评判 的提法，无论是国外还是国内，目前还没有明确的定义。 1 2 1 安全性评判的概念 安全评判一般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 其最后根据定量值的大小决定采取的预防或防护对策。 ( 1 ) 常用一些指标判定工程的安全性状态，这些评判指标是指造成工程毁坏的 主要因素。例如对堤防工程，地基渗透、材料强度、地震、河势等因素都可作为 堤防工程的安全评判指标。 ( 2 ) 为了衡量不同因素对工程安全性的影响程度，即用同一评判指标的及格标 准值量化为几个级别，其级别定义为评判标准。【6 】【2 2 】 ( 3 ) 根据评判目的、要求和范围的不同，人们研究了许多评判方法，其中应用 比较广泛的就有五种方法：评分法；检查表评判法；危险指数评判法；概率 河海大学工学博士学位论文 法；综合法。但通常可以归纳为两类方法，即确定论方法和概率论方法。这两类 方法论从不同的角度回答“安全应达到什么水平才算安全”以及“系统现在的安全 性如何”这两个基本问题。 ( 4 ) 鉴于安全评判的对象非常复杂，目前还没有形成一种通用的评判方法。一 般认为，对一个工程系统进行安全评判时，首先应通过系统的安全性分析，识别 系统固有的或潜在的危险因素，然后根据安全标准进行危险分级，进而采取相应 的措施预防或消除危险。因此，安全评判方法通常按下列程序进行：危险因素的 确定，即识别出系统中可能出现危险的种类、性质、范围以及发生条件：危险因 素的定量和分析，即通过一定的手段测定、分析和判明危险，包括固有的和潜在 的危险，及在一定条件下生成的危险因素；危险因素的定量化，即把危险因素 的评判项目通过定量化处理，确定其发生的危险程度：综合评判，采取综合的系 统分析评判方法，进行危险度等级评定，然后同规定的安全指标比较，以求判明 所达的水平。由此可见，选择合适的评判方法，并按照一定的程序对某一工程系 统进行安全评判，是保证获得准确结果的基本条件。 1 2 2 安全综合评判在堤坝工程中应用 近年来，国内外已在传统的大坝设计理论基础上，参考和借鉴相关领域内的 研究成果和方法，开始考虑水库大坝安全评判和保障问题。西方发达国家，如英 国、美国、意大利和澳大利亚等国家在大坝安全风险分析方面处于领先水平。例 如，为了研究水库防洪安全设计，美国土木工程学会下属的地表水文委员会于l 9 8 4 年成立了专题委员会，目的是研究能够在全国范围内使用的、统一的水库安全 评判程序。经过三年努力，反复修改了六次，最终完成一份总报告( t h et a s k c o r o m i t t e eo ns p i l l w a yd e s i g nn o o ds e l e c t i o n ， a s c e ， e v a l u a t i o np r o c e d u r ef 0 f h y d r o l o 孚s i t y ，n e w y o r k ，l9 5 8 ) 。我国水利界从事水利工程安全评判的研究工作始 于大坝安全综合评判研究。 随着数学学科的迅速发展，基于资料序列的分析方法也得到了相应的丰富和 拓展。国内外众多学者开始尝试通过监测资料序列建立数学监控模型以揭示堤坝 的长期运行规律和结构性态，高效、快捷地对堤坝安全状况做出恰如其分的评价。 国外在上个世纪五十年代以前主要对观测值作定性分析。 我国对数学监控模型的研究工作起步较晚，二十世纪七十年代以前主要采用 定性分析，并通过绘制过程线和最大、最小等简单特征值的统计分析大坝性态。 4 第一章绪论 七十年代以后，在河海大学陈久宇教授等创导下，应用统计回归分析原型观测资 料，对分析成果加以物理成因解释【】。二十世纪八十年代中期，以河海大学吴中如 院士为首的广大学者提出了裂缝开合度统计模型的建立和分析方法、坝顶水平位 移的时间序列分析法以及大坝位移确定性模型的原理和方法。 近几年来，国内外对数学监控模型的研究工作逐渐向纵深方向发展，各种新 理论、新方法被引入到堤防和大坝实测性态分析中。 ( 1 ) 信息完全明确的系统为白色系统，完全不明确的系统为黑色系统，部分明 确的系统为灰色系统。灰色系统用灰数描述不明确定量，灰色预测不仅仅把观测 数据看成随机过程，而且看成随时间变化的灰色量或灰色过程，然后建立相应的 预测模型。灰色理论将无( 弱) 规律的原始数据生成后，使其变为较( 强) 有规律的数 据，然后建立分析模型。灰色理论在数学监控模型领域得到了一些应用。 ( 2 ) 1 9 6 5 年l a z a d e h 创立了模糊集合论【哺】，为描述与处理事物的模糊性和系 统中的不确定性，模拟人的模糊逻辑功能，提供了强有力的工具。目前，模糊集 合论得到了迅速发展，模糊数学己经逐渐形成了一个新的独立的数学分支，它是 基于事物本身的模糊性，即概念的某种不确定性而建立起来的科学。尽管原型观 测资料真实地反映了建筑物各观测量的实际情况，但是它们之间的关系极为复杂， 往往很难用物理力学方法和先进的数值计算方法来确定，即它们之间的关系是一 种模糊关系。因此应用模糊数学原理，分析和评价具有“模糊性”的实物的系统方 法表现出独特的优越性，近年来已在许多学科领域中得到了十分广泛的应用。 ( 3 ) 人工神经网络是近十年来发展极为迅速的一门科学。自1 9 8 2 年美国加州工 学院物理学家h o p f i e l d 提出了人工神经网络的h o p f i e l d 计算模型，以及19 8 5 年 r l l i i l e l h a l t 和m c c l e i l a n d 提出了多层前向网络的误差反向传播训练算法( b p 算法) 以来，人工神经网络在众多工程领域中得到了广泛的应用。人工神经网络是一种 基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的新型信息处理系统，具有大规模的并 行处理，分布式的信息存贮，自适应、自组织及学习等功能。目前实际应用的人 工神经网络有几十种之多，这些网络模型在不同的应用领域有效地解决了各种问 题。 鉴于堤坝工程的工作条件十分复杂，对其安全评判已经从单因素发展到多因 素，从单项分析发展到多项综合分析评判。 5 河海大学工学博士学位论文 1 2 3 堤防工程安全评判研究现状 与大坝安全评判相比，国内外对于堤防工程的安全评判研究尚处于起步阶 段，目前还没有形成一套适用的理论和方法。在国外，有关国家已经开始利用 先进的计算机信息技术，对堤防信息进行管理和集成，为防汛调度提供决策依 据。有关资料表明，堤防工程的技术分析、安全评判已成为今后堤防工程科学 管理的发展方向。例如，日本、荷兰等发达国家的江河( 海) 堤防的管理决策系统就 比较先进。但是，从现有的资料看，不同国家针对自己的国情和堤防工 程的特点，研究的侧重点也不同。 ( 1 ) 堤防工程安全性评判调查指标体系和调查方法 在国外，以日本为代表，堤防工程安全性评判是采用调查指标体系和调查方 法进行的。在日本，现有河川堤防所防御的大部分地区内，人口和资产有明显的 集中趋势，要求提高河川堤防工程安全性的社会呼声也日益高涨。在此背景下， 日本建设省河川局针对日本全国各地的河川堤防工程的安全性问题，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 于指导全日本堤防工程安全性调查和评判工作。日本堤防渗流安全性调查的基本 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，将各堤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 的等级。依据已概略划分出的堤防渗透安全性等级，考虑堤防后防洪区的重要性 程度，可选出需要详细调查的典型堤段区间。堤防实际的渗透安全性最终由典型 的土质调查和分析评价的结果来确定。细查是在选定区间内实施的。包括实施详 细的土质调查和在此基础上进行详细的堤防渗透安全性评价两部分。普查和细查 的结果不仅为堤防加固处理方案和方法的选择服务，也为堤防的管理工作提供了 科学依据。这方面的经验供我们研究工作参考和借鉴。 ( 2 ) 堤防工程安全性评判的方法 安全评判对于堤防工程长期维持安全运行是必不可少的。但是，在这方面， 目前只有荷兰进行过相关的研究。荷兰的防洪体系由一个主干堤的综合系统构成。 为了评判堤防构成的安全性，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 防工程安全评判是按照高于破坏界限( f a i l u r e1 i m i t ) 的程度进行排列判断的。所谓的 6 第一章绪论 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 ”( n l l e so fg 锄e ) 的方法，将荷兰的堤 防工程安全性等级共分为四级：优( 9 0 0 d ) 、良( s u 伍c i e l l 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，而是一个连续的 动态过程。荷兰的国家法律要求每五年进行一次详细的堤防检查和安全性评价， 政府每五年颁布与堤防工程安全标准有关的水力边界条件，另外，每五年发布运 用最新知识进行安全评价的技术指导。 应当指出，各国对于堤防工程安全评价研究的侧重点之所以不同，是与其堤 防工程的特点和国情有关的。例如，日本的堤防工程特点是防洪标准不高，但质 量较高，能基本保证不出险情或者是洪水漫项堤防也不会溃堤，因而失事风险考 虑的不多，但围绕堤防工程进行的科学试验较为深入，在堤防工程安全性调查的 方法、内容和渗透安全性评价等方面积累的经验可供借鉴和参考。荷兰的堤防大 多为海堤，堤防系统由封闭的堤防圈构成。同一堤防圈内设防标准相同，防洪水 位一致，其特点是波浪对堤防的破坏作用较为突出。近年来的堤防设计和加固采 用了可靠性设计方法，设有相应的风险标准。荷兰在堤防工程安全性评价方面的 经验和思路也可供我国参考和借鉴。 ( 3 ) 基于堤防监测资料的实时性态评判方法【”】 现阶段，国内外针对堤防工程结构性态评判方面的研究还很少。由于堤防工 程的条件复杂，监测仪器的安装还不完善，导致了各监测项目资料比较缺乏，在 大坝中应用较广的统计模型等资料分析方法很难在堤防工程中得到应用。由于灰 色系统理论和方法对短序列资料的处理比较灵活，具有较强的自适应性等特点， 已有学者尝试通过建立灰色系统预测模型对堤防工程隐患探测的结果进行评估。 随着信息技术的发展，一些水利科技工作者开始探讨建立堤防工程自动化监测和 安全预警系统技术，初步建立了以监测数据为基础的渗流安全评价模型和滑坡预 测模型。前者将土层实际承受的渗透水力坡降与土的临界水力坡降进行比较，分 为安全、轻度危险、严重危险和即将破坏等四级标准；后者采用灰色和突变理论对 堤坡位移和滑坡与否进行预测。此外，为考虑各种土层厚度不均匀和土的抗渗强 度不均匀性，建立了渗流安全评价的概率模型：为对下一时刻的渗流安全进行预 7 河海大学工学博十学位论文 测，建立了渗流安全灰色预测模型。虽然，这些只是针对堤防工程安全某方面的 研究，但是为堤防工程安全综合评价提供了思路和方法。 ( 4 ) 我国的研究现状 近几年，堤防工程安全评价的重要性已经引起了国内有关方面的重视。堤防 的安全评价或鉴定成果已经作为堤防加固设计和立项审批的重要依据之一。堤防 工程设计规范明确规定“堤防的安全鉴定是对所研究堤段的防洪能力综合检验和 评价，是堤防加固设计前工作的重要组成部分”。长江水利科学研究院对堤防工程 破坏机理和安全评价的方法进行了初步研究，收集整理了典型堤段的地质、水文、 材料特性及汛期险情等基本资料，研究了堤防分段分类的影响因素，并进行了断 面概化，建立了堤防渗流计算及概率模型，进行了堤防渗透破坏机理实验研究。 但是，由于目前还缺乏科学完善的堤防工程安全性调查评价的指标体系、调查方 法和技术标准，因而在目前的堤防加固设计之前，几乎没有进行过专门的安全评 价工作，只是在加固设计的过程中参照土坝的方法核算堤防断面是否满足设计要 求，必要时对堤身抗滑稳定性和堤基渗透稳定性进行复核，计算相应的安全系数， 对于重要程度不同的堤段采用不同的安全系数。 从有关资料可以看出，我国现阶段与堤防工程安全评价有关的研究还很少， 并且大多只侧重于典型剖面的力学和渗透稳定性的验算，对堤防工程的安全性调 查和综合评价重视不够。由于受堤防上布置的监测仪器的数量和质量的限制，堤 防工程还远远达不到实时监控的要求，难以实现堤防工程的实时评价。 1 3 问题的提出 1 l 】【1 2 】【1 3 】 由于影响堤防工程安全的因素众多，虽然有不少学者对堤防地基渗流、堤坡 稳定性评价方法进行过研究，但尚未建立堤防工程的安全评价体系，也未对堤防 工程整体安全性态的整体评价进行过相关的探讨。近年来，随着堤防建设力度的 加大，部分堤段的防洪能力得以提高。与此同时，如能进行堤防运行状态的经常 性监测，及时发现和处理堤防的险情隐患，则能更好地保障堤防的安全。在监测 手段方面，由于堤线较长，地层条件沿程变化大，采用一般的人工监测方式不仅 工作条件非常恶劣，工作量巨大，而且在汛期江水位猛涨的情况下，适时的监测 与分析计算很难做到。所以，实现堤防监测的自动化是必然的要求和趋势。在自 动化监测的基础上，通过科学的分析建立合理的安全评判模型以对堤防工程的安 第一章绪论 全状态进行评价和预报，已成为目前研究的热点问题。 由于适时的检测和分析计算当前很难做到，又要能切实做好对堤防工程的安 全性做出正确评估，所以本文以模糊数学为基本理论，以影响堤防工程安全性因 素为评判指标，以现行国家规范标准为评判标准，制定了评判模型。以荆江大堤 堤防工程为研究对象，开展堤防工程安全性综合评判研究。 1 4 主要研究内容 本文结合荆江大堤堤防工程安全性综合评判项目开展研究，以河道堤防工程 的安全性态作为研究对象，通过对堤防工程管理现状和国内外堤防工程安全评价 成果进行深入研究，构建堤防工程安全综合评判的体系结构，建立堤防工程安全 综合评判模型，提出便于操作的评判方法。主要研究内容归纳如下： ( 1 ) 堤防工程安全综合评价体系的构建。通过深入分析堤防工程的水文地质条件、 监测、检查及隐患探测结果、堤防建设和出险情况等因素，筛选出堤防工程安全 的主要影响因素，建立堤防工程的安全影响因素集；从堤防工程安全评判的特点出 发，给出建立堤防工程安全评判指标体系的原则，并根据规范和常规经验确定堤 防工程安全评判的评判集。在此基础上，应用模糊分析法建立堤防工程安全综合 评判多层次多指标体系。 ( 2 ) 定量和定性评判指标量化方法研究。针对堤防工程各安全评判指标的特点， 充分考虑其在表述方法、取值范围、度量方法和度量单位等方面的差异，提出安 全综合评判指标的度量及归一化方法。以荆江大堤为例，进行分析研究，内容包 括河势分析、渗流分析、稳定分析、应力应变分析、地震液化分析等，从而对现 有荆江大堤堤防工程的安全性有一个比较全面的量化的评判指标。 ( 3 ) 堤防工程安全评价指标权重的确定。通过分析影响因素对堤防工程整体安全 影响的重要性，探讨主观赋权、客观赋权以及优化融合赋权等方法在堤防工程安 全评价中的应用，并基于最优化准则，建立堤防工程安全综合评价指标融合权重 的确定方法。 ( 4 ) 堤防工程安全综合评判模型研究。根据堤防工程的具体条件、运行环境，在 堤防工程安全综合评价体系结构的基础上，应用模糊数学理论和方法，建立堤防 工程综合评判的模糊模型，并应用于实际工程中。 ( 5 ) 考虑荆江大堤堤防工程堤线较长、地层条件沿程变化大、河势多变等特点， 9 河海大学工学博士学位论文 依据监测资料，建立堤防工程实时性态评判模糊模型，初步构建荆江大堤堤防工 程综合评判和决策。 1 5 本章小结 我国水利工程中经过5 0 多年的堤防建设，洪涝灾害得到初步控制，发挥了巨 大的社会效益、经济效益和环境效益，保护了下游亿万人民生命财产安全，是国 民经济的重要基础设施。但有些堤防工程施工质量差，防洪标准偏低，还存在不 同程度的老问题、生物破坏问题等，当遇到超过防御标准的洪水，人力无法抗御， 洪水灾害难于幸免。加强堤防工程的安全评判工作已经迫在眉睫。这是本文选题 的意义。 在综述了关于堤防工程安全评判国内外研究状况的基础上，充分注意了堤防 工程表现出运行状态模糊性特点，提出本论文研究以模糊数学为基本理论，以影 响堤防工程安全性因素为评判指标，以现行国家规范为评判标准，建立堤防模糊 综合评判模型。在研究中加强与设计单位的合作，重视调查研究，重视从实际中 获得资料，以荆江大堤为研究对象，完成论文的主要研究内容。 l o 第二章模糊综合评判基本理论 第二章模糊综合评判基本理论 堤防工程轴线方向比垂直轴线方向要长，宏观上称“线状”工程。长江流域干 堤每段工程少则十几公里，长的上百公里。这些堤线，多数位于第四系冲、洪或 湖积岩层上，沿程地基岩相、岩性和底层构造都不一致，再加上大堤外滩宽窄不 一，河泓深度不同，堤内地面高程起伏，近堤渊塘分布，大堤堤身渗透稳定性、 抗滑稳定性、变形、应力以及地震引起砂土液化可能性等多种特性相互交叉包容， 导致大堤的工作性态极其复杂。它们之间没有确切的定量关系，模糊性极其明显。 本文根据这些因素和工程条件，尝试应用模糊数学理论对荆江大堤安全性综 合评判进行研究。 2 1 不确定性因素与模糊性 2 1 1 不确定性因素 在工程的安全评判中会遇到大量的不确定因素，只有充分考虑这些不确定因 素，才能得出正确合理的评判结论。不确定因素按其性质可分为两类：一类是随 机性的，另一类是模糊的。随机性因素可用统计数学来处理。材料特性、结构尺 寸的物理不确定性，资料不足而对某些参数估计的统计不确定性，采用理想化模 型对工程进行分析的结果与实际之间差异的模型不确定性等，都属于随机不确定 性。模糊性是与随机性不同的另一类不确定性，它存在于对工程的某些状态、现 象、参数及它们相互关系的定义中。王光远院士指出，在工程中存在着大量的模 糊性与随机性因素。 2 1 2 模糊性 模糊性，是指客观事物差异的中间过渡中的“不分明性”。这在日常生活中到处 可见，例如“高个与矮个”、“安全与不安全”等等，都难以明确地划定界限。在工 程设计中，经常用强度判据仃 盯】，容许应力 盯 就是一个模糊性概念。例如将 混凝土容许应力 仃 规定为5 o m p a ，按此规定，俨5 0 1 m p a 就不许用了，但实际上 两者并无很大