（水工结构工程专业论文）堤防工程安全评价方法研究.pdf

摘要 堤防工程的安全是关系到国计民生的大事，因此研究堤防工程安全综合评 价方法具有重要的理论意义和实用价值。本文以河道堤防工程为主要研究对象， 应用层次分析、灰色系统等理论和方法，对堤防工程的安全综合评价方法、综 合评价结构体系、评价指标度量方法以及堤防工程安全预警模式等方面内容进 行了深入的分析研究。主要研究内容如下： l 、针对河道堤防工程特点，拟定了构建堤防工程安全综合评价结构体系的 原则；探讨了堤防工程安全综合结构体系的建立方法，并对安全评价集及安全 综合评价方法等内容进行了深入研究，确定了堤防工程安全评价的四级划分法。 2 、在综合分析各评价指标在表述方法、取值范围、度量方法和度量单位等 方面差异的基础上，提出了评价指标的度量及归一化方法。 3 、通过对已有权重确定方法的比较研究，将确定权重的乘积标度法、可拓 层次分析法及神经网络方法应用于堤防工程安全综合评价中；基于最优化准则， 建立了评价指标融合权重的确定方法。 4 、根据堤防工程安全综合评价的特点，利用模糊数学及神经网络等理论和 方法，建立了堤防工程的安全综合评价模型，并结合计算机软硬件技术开发研 制了堤防工程安全综合评价软件。 5 、利用回归分析方法和灰色系统理论建立了堤防工程安全预报模型，初步 设计了堤防工程安全预警系统模式，并开发研制了堤防安全监测实时评价软件。 关键词：堤防工程、安全评价、结构体系、评价指标、量化方法、赋权方法、 预警模式 i ti si m p o r t a n ta n dm e a n i n g f u lt or e s e a r c hm e t h o d so fa s s e s s i n gt h es a f e t yo f l e v e ew o r k s f o rw h i c hi sr e l a t e dw i t ht h en a t i o n a le c o n o m y a n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d t h er i v e r - w a yl e v e ei s r e g a r d e d 嬲m a i nr e s e a r c h i n go b j e c t i nt h i st h e s i s t h et h e o r ya n dm e t h o d ，s u c ha sa n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ，g r e ys y s t e m a n ds o o n ，t o g e t h e r w i t ht h ek n o w l e d g eo fe m b a n k m e n t e n g i n e e r i n g , a r ei n t r o d u c e di n t ot h et h e s i s ，w h i c hp e r f o r m sr e l a t i v e l yd e t m l e ds t u d y o nm e t h o do f c o m p r e h e n s i v es a f e t ya s s e s s m e n t , s y n t h e s i sa e s s m e n ts t r u c t u r es y s t e m ，m e t h o do fm e a s u r i n g a s s e s s m e n ti n d e xa n dt h ep r e c a u t i o n a r ym o d eo fs a f e t ye v a l u a t i o no ft h el e v e ee n g i n e e r i n g t h e m a i nc o n t e n t sa r e 舔f u l l o w s 1 s i xr u l e s o f 咖d y i n go u tt h e a s s e s s m e n ti n d e xa n dt h em e t h o do ff o u n d i n gt h e c o m p r e h e n s i v es a f e t ya s s e s s m e n ts t r u c t u r es y s t e mo ft h el e v e ee n g i n e e r i n g a r ed i s c u s s e d a l s o ， t h ed e s i g no fs a f e t ye v a l u a t i o na g g r e g a t i o no ft h es y s t e mi sl u c u b r a t e da n dt h ef o u r t h - c l a s s d i v i s i o n a lm e t h o d o f s a f e t yg r a d e i sa s c e r t a i n e d 2 t h em e t h o d so fs t a n d a r d i z i n g o r i g i n a l d a t af o r q u a n t i t a t i v e a n dq u a l i t a t i v es a f e t y a s s e s s m e n ti n d e xa r e s t u d i e d b yu s i n gt h e s em e t h o d s ，t h ec o m p a r i n gd i f f i c u l t i e s b e t w e e n d i f f e r e n ta s s e s s m e n ti n d e x e sa tt h es a m el a y e rb r o u g h tb yt h ed i f f e r e n c ei ne x p r e s s i v em e t h o d t h es c a l eo fv a l u e ，m e a s u r i n gm e t h o da n du n i t so fa s s e s s m e n ti n d e x e so ft h ec o m p r e h e n s i v e s a f e t ya s s e s s m e n t s t r u c t u r es y s t e mo f t h el e v e e e n g i n e e r i n g i ss o l v e d 3 b a s e do na n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h e e x i s t i n gm e t h o d s o fd e t e r m i n i n g w e i g h t ， m u l t i p l i c a t i o ns c a l em e t h o d e x t e n s i o na h p m e t h o da n da n nm e t h o d8 l r eu s e dt ot h es a f e t y a s s e s s m e n to ft h el e v e ee n g i n e e r i n g a n dt h em o d e lo fc a l c u l a t i n gs y n c r e t i cw e i g h to fs a f e t y a s s e s s m e n ti n d e xi sf o u n d e db y u s i n go p t i m i z a t i o ng u i d e l i n e 4 a c c o r d i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co f c o m p r e h e n s i v e s a f e t ya s s a s s m e n t o f t h el e v e e e n g i n e e r i n g , m o d e lo f c o m p r e h e n s i v es a f e t ya s s e s s m e n to f t h el e v e ee n g i n e e r i n gi sf o u n d e db yu s i n gf u z z y c o m p r e h e n s i v ea p p r m s a lm e t h o da n da n nt h e o r y w i t ht h em o d e mc o m p u t e rt e c h n i q u eo f s o f t w a r ea n d h a r d w a r e ，t h es y s t e mo f s a f e t ya s s e s s m e n to nt h el e v e ee n g i n e e r i n gi sd e v e l o p e d 5 b a s e do nt h em u l t i l e v e lr e c u r s i v e a n a l y s i sa n dt h eg r e ys y s t e mt h e o r y , t h ef o r e c a s t m o d e l so nt h es a f e t ya s s e s s m e n to ft h el e v e ee n g i n e e r i n gm f o u n d e d a n dw i t ht h em o d e m c o m p u t e rt e c h n i q u eo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h ep r e c a u t i o n a r ym o d eo ft h es a f e t ya s s e s s m e n t o f t h el e v e e e n g i n e e r i n g i sd e s i g n e d k e y w o r d s ：l e v e ee n g i n e e r i n g ，s a f e t ya s s e s s m e n t ，s t r u c t u r es y s t e m ，a s s e s s m e n ti n d e x ， q u a n t i t a t i v em e t h o d ，d e t e r m i n i n gw e i g h tm e t h o d ，p r e c a u t i o n a r ym o d e 塑塑查兰堡主兰竺笙苎 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 我国地域辽阔，人口众多，水资源紧缺，时空分布差异大，水早灾害频繁。 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 这人与自然的斗争中，人类付出了巨大的代价，万顷良田被淹没，千百万人背 井离乡，流离失所。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，大部分江河已初步建成防洪工程体 系。目前，我国共整修和加固各类江河湖泊堤防2 6 万多k m ，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k m 2 ，总蓄洪量9 7 0 7 亿m 3 。 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 多年来的堤防工程建设，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i ”。 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。有些堤防工程旋工质量比较差， 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，北方的獾、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，易于产生液化、沉陷和变形，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【矾。 由此可见，这些堤防工程的安全不仅直接影响到经济效益的充分发挥，而且威 胁到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 的安全鉴定和除险加固工作已经迫在眉睫。 第一章绪论 水利部和原国家电力公司从上世纪八十年代开始，曾有组织地对所属大坝 进行了有序的安全定期鉴定或定期检查【3 “，通过设计复核、施工复查、运行总 结和现场检查，基本摸清了上世纪八十年代以前投运的水电站大坝的安全状况， 查出了一些重大隐患，确定了某些缺陷对大坝安全的影响程度，解决了一些长 期悬而未决的疑点和问题，从而推动了大坝维修加固和改造工作的全面开展。 但是，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还是 依赖定期检查结果进行的。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，造成堤防工程安全鉴定所需的 基础资料不全，尚未形成系统的堤防工程安全鉴定方法。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，信息化水平已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 价系统和方法，以为堤防除险加固服务【5 q 】。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很复杂，所以采用确定性方法计算堤防的汛期动 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、部分信息环境的情况，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，力学性分析( 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，其原因在于力学分析法本身含有诸多假定，再 加上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 于一个滑坡的评价和预报，除了做一些力学分析外，可以以现场的位移监测成 果为依据，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，合理的安全评价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。针对堤防已有的资料建立堤防安 全评价体系，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 一2 一 河海大学硕士学位论文 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“堤防安全鉴定方法”提供技术支撑，以逐步实现堤防管理的现代 化和科学化，这方面的研究已引起越来越多学者的关注。 1 2 国内外研究现状及问题的提出 堤防工程安全性是最近几年才被提出来的名词，与此相关的堤防工程安全 评价的提法也较为笼统，无论是在国外还是在国内，目前还没有一个明确的定 义。 1 2 1 安全评价的概念及其在大坝安全分析中的应用 安全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和评价，并以既定指数、等级或概率值做出定量的表示， 最后根据定量值的大小决定采取的预防或防护对策。 根据评价目的、要求和范围的不同，出现了许多评价方法，其中应用比较 广泛的就有五种方法：( 1 ) 评分法：( 2 ) 检查表评价法；( 3 ) 危险指数评价法； ( 4 ) 概率法：( 5 ) 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。这两类方法论是从不同的角度回答“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。 鉴于安全评价的对象非常复杂，目前还没有形成一种能够通用的评价方法。 一般认为，对一个工程系统进行安全评价时，首先应通过系统安全分析，识别 系统固有的或潜在的危险，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，安全评价方法通常按下列程序进行：( 1 ) 危险的 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：( 2 ) 危险的检测和分析，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，及在一定条件下转化生成的危险；( 3 ) 危险的定量化，即把危险 的评价项目通过定量化处理，确定其发生的概率和危险程度；( 4 ) 危险的处理， 即为消除危险所采取的技术措施和管理措施：( 5 ) 综合评价，采取系统分析评 价方法，进行概率危险度评价和危险度等级评定，然后同现定的安全指标比较， 一1 一 第一章绪论 以求判明所达的水平。由此可见，选择合适的评价方法，并按照一定的程序对 某一工程系统进行安全评价，是保证获得准确结果的基本条件。 近年来，国内外己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价和保障问题。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1 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 的水库安全评价程序。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 kc o m m i t t e eo ns p i l l w a y d e s i g n f l o o ds e l e c t i o n ，a s c e ，e v a l u a t i o n p r o c e d u r e f o r h y d r o l o g i cs a f e t y ，n e wy o r k ，1 9 8 8 ) 。我国水利界从事水利工程安 全评价的研究工作始于大坝安全综合评价研究。 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。1 9 5 6 年， d t o n i n i 首次从大坝位移资料中分离出水压、温度和时效三个部分，并以三次 多项式来表示水压分量、温度分量和时效分量f 。1 9 5 8 年。x e r e z 采用气温作 为温度因子，并取观测前不同天数的平均气温来分析c a s t e l o 拱坝的观测资料 】。r o c h a 等人于1 9 5 8 年采用大坝横断面各层平均温度和温度梯度作为温度因 子，并以函数式来表示水位因子【1 2 】。s i l v e r a 于1 9 6 4 年引入了幂函数来表示时效 变化【l3 。中村庆一等于1 9 6 3 年采用回归分析法分析大坝实测资料，并筛选出显 著因子，建立回归方程【1 4 】。m a r a z i o 等于1 9 8 0 年首先用有限元法计算水压、温 度、时效分量，然后建立回归模型【1 5 l 。g u e d e s 于1 9 8 5 年应用多元线性回归拟 合原因量与效应量的关系，这种方法能分离各个分量，并且能确定原因量和效 应量的最佳经验公式【1 6 】。k a l k a n i 等于1 9 8 9 年采用多项式回归模型分析k r e m a s t a 拱坝渗压计测得的数据。l u ce c h o u i n a r d l l 8 】等于1 9 9 6 年采用主成份回归分析 i d u k k i 拱坝的监测资料【。9 2 们。 我国对数学监控模型的研究工作起步相对较晚，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来分析 一4 河海大学硕士学位论文 大坝性态，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，并将分析成果加以物理成因解释【2 7 】。二十世纪八十年代中期， 以河海大学吴中如 2 s 3 0 1 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、新方法被引入到大坝实测性态分析中。 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【3 卜3 2 1 ，吴中如等将水压、温度等因素白化，建立了坝体应力g m 预测模型。 灰色理论也被应用到大坝变形预测中，马能武提出了大坝观测资料的动平均灰 色模型【3 3 】。 1 9 6 5 年l a z a d e h 创立了模糊集合论，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，模糊数学已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，可以对原型观测数据进行 模糊分析 3 4 3 7 】。 人工神经网络是近十年来发展极为迅速的- - f - j 科学。自1 9 8 2 年美国加卅1 7 - 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1 9 8 5 年 r u m e l h a r t 和m c c l e l 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 3 8 - 4 7 】。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，是 由大量的简单处理单元连接而成的自适应非线性动力学系统，具有大规模的并 第一章绪论 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，但目前较常用的主要还是前馈神经网络。近年来，虽然神经网络理论 在水文、地下水、岩土工程等相关领域中得到了一些应用，但在数学监控模型 领域，神经网络尚处于起步阶段。 目前，我国在数学监控模型、参数和边界条件反分析、拟定变形监控指标 和大坝安全综合评价专家系统等方面取得了一定的成果，建立了较完整的大坝 安全监控和评价的理论体系【4 8 4 9 1 。鉴于大坝的工作条件十分复杂，对其安全评 价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价。 1 2 2 堤防工程安全评价研究现状 与大坝安全评价相比，国内外对于堤防工程的安全评价研究尚处于起步阶 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、安全评价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。下面对国内外有关堤防工程安全评价方面的 研究现状进行简要综述。 1 2 2 1 堤防工程安全性评价调查的指标体系和调查方法 在国外，以日本为代表，堤防工程安全性评价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价工作。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，将各段堤防的 河海大学硕士学位论文 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堤段区间。堤防实际的 渗透安全性最终由详细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 5 0 s 1 1 。这方面的经验可供我们参考和借 鉴。 l 。2 。2 。2 堤防工程安全性评价的方法 安全评价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【5 2 q 3 1 。堤防工程安全评价是按照高于破坏界限( f a i l u r el i m i t ) 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 a m 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 f f i 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顶堤防也不会溃堤，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 第一章绪论 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。 1 2 2 3 基于堤防监测资料的实时性态评价方法 现阶段，国内外针对堤防工程结构性态评价方面的研究还很少。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【5 4 q 5 l 。随着信息技术的发展，水利学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1 5 6 1 ，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一定的思路 和方法。 1 2 2 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 塑塑查兰堡主兰堡兰苎 透破坏机理实验研究5 7 铷】。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目的，难以实现堤防工程的实时评价。 1 2 3 问题的提出 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渗流、稳定评 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价模型以对堤防工程的 安全状态进行评价和预报，已成为目前研究的热点问题。 l _ 3 本文主要研究内容 本文结合水利部基金项目“堤防工程安全评估”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 评价成果深入研究的基础上，构建了堤防工程安全综合评价的体系结构，建立 了堤防工程安全综合评价模型，提出了便于操作的评价方法，初步建立了较为 先进实用的堤防工程安全评价和预警系统的理论框架。主要研究内容归纳如下： - 9 - 第一章绪论 ( 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：从堤防工程安全评价的特点出发，给出建立堤防工程安全评价指 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价的评语集。在此 基础上，应用层次分析法建立堤防工程安全综合评价多层次多指标体系。 ( 2 ) 定量和定性评价指标量化方法研究。针对堤防工程各安全评价指标的 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， 提出安全综合评价指标的度量及归一化方法。 ( 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价模型研究。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、模式识别及人工 神经网络等理论和方法，建立堤防工程安全综合评价的模糊模型和神经网络模 型。 ( 5 ) 堤防工程安全评价系统的研制。根据实用性和先进性要求，利用人工 智能技术以及现代计算机软硬件技术，研究开发堤防工程安全综合评价系统。 ( 6 ) 堤防工程实时性态评价和预报方法的研究。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 工程实时性态评价和预报的回归分析模型和灰色系统模型，并初步构建堤防工 程安全预警模式。 河海大学硕士学位论文 第二章堤防工程安全综合评价体系结构研究 2 1 问题的提出 由于我国河道堤防工程往往是在民埝基础上逐渐堆积培修加固而成的，大 都没有进行过基础处理，且经历过多次抢险、战乱、害堤动物和生物的破坏， 堤身和堤基情况非常复杂，因此当遇到洪水时，经常发生基础渗透破坏和塌坡 等险情，极易导致大堤溃决。另外，堤防高度低但堤线较长，水文地质条件、 隐患分布沿线随机性变化很大，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；虽然堤防临河水位的作用水头 较小，但是其水位和河势却难以做到有效的调控，多呈现来去迅猛、河势多变 的特点；而且，堤防工程一般缺乏设计、勘探、运行等基础资料，堤防的地质 条件及运行条件复杂以及监测手段不完善，造成堤防安全鉴定所需的基础资料 不全，尚未形成系统的堤防工程安全鉴定方法：由于堤防隐患分布及发生险情 具有随机性，增加了查险抢险等人为非工程措施在堤防安全保障中所占的比重。 并且，在现有堤防上，为满足群众排涝和交通等生产、生活需要，大多修建了 穿堤涵闸。这些小型穿堤涵闸大都由群众自建，缺乏规划，不少是没有设计的， 有的标准太低，结构安全度小，旌工质量差，设备老化，回填土不密实，年久 失修，不能满足安全的要求。有的基础渗漏，闸身有裂缝，闸门开启困难，闸 身结构不满足要求，高水位时险情频出，甚至决堤【5 9 6 0 。 堤防工程的这些特点给堤防工程的安全鉴定工作造成了很大困难，影响堤 防安全的因素错综复杂，使得人们很难对堤防工程的安全状况做出全面、客观 的评价。现阶段堤防工程安全评价工作主要通过堤防外部检查、堤身隐患检查 及堤防的安全复核等方法进行【6 1 钏。堤防外部检查一般分为经常性检查、定期 检查和特殊( 临时) 检查。经常性检查是指由工程管理人员按照岗位责任制要 求进行的工程检查。定期检查主要是指由基层管理单位按规定进行的工程全面 普查，一般每年汛前、汛后各组织进行次“徒步拉网式”的工程普查。特殊 检查是指当工程处于非常运用条件下( 如特大暴雨、飓风、地震、持续高水位 等) 进行的检查。外部检查的主要内容有：堤身雨淋冲沟、陷坑、动物洞穴、 第二章堤防工程安全综台评价体系结构研究 裂缝、渗漏、滑坡、崩岸；堤基的薄弱环节，如取士坑、池塘、坑道、未封堵 的钻孔、违章水井等：堤防穿堤建筑物及与堤身结合部的变形、裂缝、渗漏、 淘空等缺陷。堤身隐患是削弱堤防抗洪能力，造成汛期抢险的主要根源。所以， 不论是汛前检查，还是平时管理中的维修养护，堤身隐患都被视为检查的重点。 堤防经常发生的隐患主要有：生物洞穴、植物腐烂形成的空隙，堤内暗沟、暗 管、废井、坟墓，堤身填筑隐患( 冻土块、大块土、工段接头、新旧堤结合面、 裂缝) 等。堤防的安全复核通常体现在以下三个方面：以现有的规程规范为依 据进行安全复核：以安全监测、检查和隐患探测结果为依据进行安全复核；以 多年运行状态为依据进行安全复核。根据堤防工程技术规范规程的要求对堤防 进行安全复核的主要内容有：堤顶高度、堤坡的抗滑稳定性、堤坡的渗透稳定、 堤基的渗透稳定、堤岸的稳定等。以安全监测、检查和隐患探测结果为依据进 行安全复核即针对堤防沉降、渗流、地下地形、裂缝等监测或检查结果，隐患 探测资料等，进行必要的分析判断，以对堤防存在的一些问题做出安全评价。 经过汛期考验，尤其是经过历时长、水位高的洪水考验，堤防隐患大多暴露出 来，这相当于一个破坏性质的原型试验。由于堤防的工程地质资料一般较少， 因此，以多年运行状态为依据进行安全复核显得特别重要也较为实用。首先， 对汛期暴露出来的险情多发区、险情严重区必须进行除险加固，除险加固的顺 序应根据险情的危害程度决定，险情的危害程度可以根据险情发生的实际情况 和表现来判断。另外，还可以通过出险情况的反分析，推断可能的更高洪水位 下的堤防渗流状态、渗透稳定性、抗滑稳定性等，并做出安全复核，决定处理 与否。 由于受堤防监测技术的限制，目前我国的堤防安全评价工作主要还是依据 堤防安全检查和隐患探测结果进行的，以堤防安全监测资料或多年运行状况为 基础开展的安全评价工作还在尝试阶段，尚未建立成熟的堤防工程安全综合评 价的理论指标体系。基于此，本章从堤防工程的特点出发，对堤防工程安全影 响指标的拟定原则、安全影响因素分析及安全评价等级划分等相关问题进行比 较系统的研究，从而建立一个多目标、多层次的堤防工程安全综合评价结构体 系。 河海大学硕士学位论文 2 2 堤防工程安全影响因素分析 由于堤防工程沿线较长，所以危及其安全的因素众多，既有内因也有外因， 既有自然因素也有人为因素。针对堤防工程的破坏机理，深入分析各主要因素 指标对堤防安全的影响，是确定合理可行的堤防工程安全评价指标体系的基础。 堤防工程的破坏方式按照其表现的形式可以分为漫决、溃决和冲决以及组 合型破坏等形式。漫决是由堤防高度不达标或超标准洪水造成的，评价时涉及 堤防工程等级的确定、设计洪水频率及堤防超高的规定、设计洪水位的计算等 问题。溃决多是因堤身内部隐患或强透水性堤基在高水位长期作用下发生渗水、 管涌、漏洞，在抢护措施不到位的情况下，继而发展为决口。冲决多是由河势 变化造成大溜顶冲堤防，或者风浪淘刷堤坡，而堤身土质为砂性土且缺乏有效 的防护措施造成堤岸崩塌，抢护不力时便可发展为决口。除了上述三种破坏形 式外，还有上述几种不同组合的破坏形式【6 5 啪】。 按照堤防破坏的内部机制及其成因的不同又可以将堤防的破坏方式归纳为 渗流作用引起的破坏( 管涌、流土等) 和失稳引起的破坏( 滑坡、崩岸等) 。 在堤防工程中渗流侵蚀是非常普遍的，历史上堤防决口绝大多数与堤防的 渗流侵蚀有关，除漫顶险情外，溃口险情几乎全部是由渗透破坏所致。堤身的 渗流破坏主要包括以下三种类型：渗水( 散浸) 造成的堤坡冲刷、漏洞和集中 渗流造成的接触冲刷。堤基的渗流破坏常表现为泡泉、沙沸、土层隆起、浮动、 膨胀、断裂等，通常统称为管涌。对于渗漏险情( 又称漏洞险情) ，它的成因有 蚁穴、蛇洞、兽窝、树蔸，甚至可能源于棺木、迎水侧堤脚人工构筑物等，也 可能在堤身填筑时个别部位夹有砂层、架空砖石块以及新旧交界处留有柴草腐 杂物未作清理等。对于管涌险情，一般发生在堤防的砂性基础部位。当高洪水 位出现时，渗透坡降陡然增大，如在堤防内坡脚覆盖土层不厚的薄弱地方，渗 透坡降超过土层允许坡降，土层则很可能被顶破，产生渗流挟带泥沙溢出，这 就形成了管涌险情。如堤基内部的细沙粒在渗透压力作用下继续缓慢地在粗颗 粒间隙移动，就可能形成贯穿式通道( 即穿孔) ，经日积月累，久而久之得不到 制止继而会造成塌陷、跌窝等更为严重的险情。从渗流的破坏机理来看，除管 涌破坏外，渗流破坏的另一种形式为流土。其通常也发生在堤防的基础部位， 第二章堤防工程安全综合评价体系结构研究 一般是指在渗透力作用下，土体中的某一颗粒群同时起动而流失的现象。这种 破坏形式在粘性土和无粘性土中均可以发生。虽然发生流土破坏的土体，其中 的土颗粒之间都是相互紧密结合的，相互之间具有较强的约束力，可以承受较 大的水头。但是，流土破坏的危害性却是最大的。因为，一旦发生流土破坏， 土体就会整体破坏，流土通道会迅速向上游或横向延伸，一旦抢险不及时或措 施不得当，就有造成土体结构破坏，引发溃堤灾难发生的危险。 通过综合分析堤防工程渗流破坏的机理可知，堤防工程渗流破坏的内部因 素主要与堤基和堤身的材料特性及力学特性有关，如堤基及堤防填筑材料的级 配、粘粒含量、干密度、饱和度以及渗透系数等条件有关。这些因素直接决定 堤防渗流速度，根据达西定律，渗流系数越大越容易发生渗透变形，由砂土、 砂壤土等渗透系数较大的材料构筑的堤防较粘土、壤土构筑的堤防容易发生渗 透变形，强透水性堤基较弱水性堤基易发生渗透变形和渗流破坏。此外，堤身 断面形式、土层结构和性质、堤身裂缝、人为空洞和生物洞穴、堤基多种隐患 以及洪水期间，波浪对堤防临河侧面强烈的冲击作用，对堤基产生的淘刷作用 等都是堤防发生渗透破坏的原因。 失稳破坏也是堤防工程常见的破坏方式，根据其表现形式可分为滑坡、崩 岸等。对于滑坡，不论是堤脚空虚或是堤基松软而产生的大块土体移动总是先 发生一些局部破坏，如环状的裂缝、局部沉陷或隆起等。滑坡产生的机理是多 种因素共同作用的结果。岸坡结构是滑坡形成的内部因素。结构松散有软弱夹 层，或者松散堆积斜坡的土石界面在饱水时出现泥化等情况均会导致岸坡滑动。 暴雨是导致堤防滑坡的重要因素。持续