（水利工程专业论文）山东黄河标准化堤防工程安全性评价研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究所出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：趁圭日 4 期：丝! ! ：f ， 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影响、缩印或复制手段保存 论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：圣! 查兰导师签名： 山东大学硕士学位论文 目录 摘要一1 a b s t p 认c t ，2 1 绪论1 1 1 研究目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题研究的主要内容4 1 4 技术路线及研究方法4 2 山东黄河标准化堤防工程概况7 2 1 山东黄河堤防工程规模7 2 2 山东黄河堤防工程主要特点7 2 3 标准化堤防工程建设的设计标准8 2 4 山东黄河标准化堤防建设情况8 3 山东黄河标准化堤防工程安全评价体系的构建1 1 3 1 堤防工程安全等级划分l l 3 2 山东黄河堤防安全性主要影响因素1 2 3 2 1 山东黄河堤防安全性的外部因素1 2 3 2 2 山东黄河堤防安全性的内部因素1 3 3 3 评价指标的获取1 3 3 4 构建山东黄河堤防安全评价指标体系1 4 4 基于加速遗传一层次分析法堤防安全综合评价模型1 7 4 1 安全评价指标无量纲化处理1 7 4 1 1 定性指标评估值的确定1 7 4 1 1 1 专家评分法1 7 4 1 1 2 专家评判权集1 8 4 1 1 3 权威性系数1 9 4 1 1 4 评价值确定1 9 4 1 2 定量指标评价值的确定2 1 4 2 指标权重类别的选择及赋权方法的确定2 2 4 3 加速遗传一层次分析法确定指标的权重2 4 4 3 1 层次分析法2 4 山东人学硕士学位论文 4 3 2 建立判断矩阵2 7 4 3 3 加速遗传算法求取权重2 9 4 4 权重指标合成3 2 4 4 1 a g a a h p 的理论分析3 2 4 4 2 专家综合权重与指标评价值的合成3 3 5 山东黄河标准化堤防安全性评价3 5 5 1 代表性断面及主要参数3 5 5 2 专家评分3 5 5 2 1 标准化堤防建设前堤段特征及评分3 6 5 2 2 标准化堤防建成后堤段特征及评分4 1 5 3a g a a h p 法计算权重4 5 5 4 评价指标值计算4 8 5 4 1 标准化堤防建设前评价指标值计算4 8 5 4 2 标准化堤防建成后评价指标值计算5 1 5 5 标准化堤防安全性综合评价5 3 6 结论与建议5 5 6 1 结论5 5 6 2 建议5 6 参考文献5 7 致谢 5 9 2 山东大学硕士学位论文 摘要 黄河是一条举世闻名的“善淤、善决、善徙”的地上悬河，洪水灾害十分频 繁，是世界上最难治理的河流，治理黄河的首要任务是保证黄河不决溢，保障大 堤的安全。目前山东黄河正在大力推进标准化堤防建设，其建设标准多基于实践 经验，建立规范全面的安全评价体系，在未经历洪水检验的情况下，客观的评价 标准化堤防工程建设的作用和效果，对于山东黄河标准化堤防工程建设管理以及 长期黄河治理规划具有重大的意义。 本文根据堤防工程层次性和动态性特点，把山东黄河堤防安全影响因素作为 一个多层次结构体系，通过堤防工程安全因素调查结合专家赋分确定各基础指标 的评价值，基于加速遗传一层次分析法相结合的综合评价方法( a g a 一爿卿) 综 合评价堤防工程的安全性。 经过相同堤段标准化建设前和建成后的综合安全性评价比较，标准化堤防工 程建成后主要通过堤身条件、淤背条件、护坡条件等内部条件的改善，整个堤防 的安全保障程度得到很大程度的增强和提高，充分证明标准化堤防建设是必要的， 效果是显著的。同时，鉴于标准化堤防建设并没有改善堤基条件、地形条件，堤 基土层的透水性问题、老口门堵复段的集中渗漏问题、临河二级悬河甚至堤沟河 问题、背河近堤坑塘等问题通过标准化堤防建设尚不能得到彻底的治理和消除， 需要其他技术手段和措施彻底根治，这也是标准化堤防建成后进一步提高堤防安 全性的关键和重点。 关键词：山东黄河；标准化堤防；安全性评价；层次分析法 山东人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ey e l l o wr i v e ri sw e l lk n o w na st h ee l e v a t e dr i v e rf o ri t ss e r i o u s s i i t i o n f r e q u e n td i k eb r e a c h i n ga n dc h a n n e ls h i f t i n g i ti sm u c hd i f f i c u l t t om a n a g ef o rf r e q u e n tf l o o dd is a s t e r s t h ep r i m a r yt a s kist og u a r a n t e e t h e s a f e t y o ft h e y e l l o w r i v e rf r o md i k eb r e a k i n g p r e s e n t l yt h e c o n s t r u c t i o no fs t a n d a r d i z i n ge m b a n k m e n th a v eb e e ng r e a t l yp r o m o t e db a s i n g o nt h ep r a c t i c a le x p e r i e n c e b ye s t a b l i s h i n gs t a n d a r ds a f e t ye v a l u a t i o n s y s t e mt h ef u n c t i o na n dt h ee f f e c t so ft h es t a n d a r de m b a n k m e n tc a nb e e v a l u a t e do b j e c t i v e l yw it h o u tf l o o d i n gt e s t ，w h i c hp l a y sas i g n i f i c a n tr o l e i nt h ec o n s t r u c t i o no fe m b a n k m e n ts t a n d a r i z a t i o na n dy e l l o wr i v e rp l a n n i n g a n dm a n a g e m e n t t h ep a p e rt a k e st h ee m b a n k m e ns a f e t yi n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h ey e l l o w r i v e ri ns h a n d o n ga st h em u l t i t i e r e dc o n s t r u c t i o ns y s t e mb a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i co fs t r a t i f i c a t i o na n dd y n a m i c so ft h ee m b a n k m e n tp r o j e c t i te v a l u e st h ee m b a n k m e n ts a f e t yb a s e do nt h ea c c e l e r a t i n gg e n e t i c a l g o r i t h mf o rc o m p u t i n gr a n kw e i g h t si na n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s st h r o u g h d e f i n i t i n gt h ee v a l u a t i o no ft h eb a s ev a l u e sw i t ht h ee m b a n k m e n ts a f e t y f a c t o ri n v e s t i g a t a t i o na n de x p e r t se s t a t m a t i o n b yc o m p a r i n gs a f e t ye v a l u a t i o no ft h ed i k ea f t e ra n db e f o r es t a r d a r i z e d c o n s t r u c t i o ni nt h es a m es e c t i o n ，i ts h o w st h a tt h es a f e t ye n s u r e m e n td e g r e e w il lb e g r e a tl ys t r e n g t h e n e d a n de n h a n c e d ，a n d t h es t a n d a r d iz a ti o n e m b a n k e m e n tc o s t r u c t i o ni m p r o v e dt h ei n n e rc o n d i t i o ns u c ha st h eb o d yo f d i k e w a r p i n gs i t ea n ds l o p ep r o t e c t i o ne t c i tp r o v e st h a tt h es t a n d a r d i z e d e m b a n k m e n ti sn e c e s s a r ya n da n dt h er e s u l t si sr e m a r k a b l e m e a n w h i l et h ee m b a n k m e n ts t a n d a r i z a t i o nd i d n ti m p r o v et h ee m b a n k m e n t f o u n d a t i o n ，t o p o g r a p h i cc o n d i t i o n ，p e r m e a b i 1i t yo ft h ed i k ef o u n d a t i o n l a y e r ，l e a k a g eo ft h eo l db r e a k i n gp o i n t ，w h i c hn e e dt ob es e t t l e db ys o m e n e wt e c h n o l o g ya n dm e a s u r e sa n di t i st h ek e yp o i n to fd i k es a f e t y k e y v o r d ：y e l l w or i v e ri ns h a n d o n g ，d i k es t a n d a r d i z a t i o n ，s a f e t ye v a l u a t i o n , a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s 2 山东大学硕士学位论文 山东黄河标准化堤防工程 安全性评价研究 1 绪论 1 1 研究目的和意义 黄河下游河道由于泥沙淤积，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，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q h 2 0 世纪初期3 次。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。从公元前6 0 2 年( 周定王5 年) 至u 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项点，北到津沽，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，给国家和人民造成 深重的灾难晗1 。 1 9 4 6 年以来，人民治黄取得了举世瞩目的伟大成就，下游防洪取得了连续6 0 一 余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【3 1 、黄河防御设防洪水的堤防工 程体系还存在大量薄弱环节【羽、泥沙大量淤积致使下游悬河情势不断加刖4 1 、不良 河势依然危及山东黄河堤防的安全1 5 1 。目前，黄河下游河床已经普遍高出大堤背河 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，直接经济损失将达到近千亿元。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i 引。 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【7 j ：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， 山东人学硕士学位论文 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口，将比1 9 9 8 年长江流域特大洪水造成的 决1 2 1 危害要严重得多，堵1 2 1 也要困难得多，而且很难在汛期内堵复【8 j 。 黄河是世界上最难治理的河流，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。经过几十年的努力， 人民治黄取得了巨大成就，抵御黄河洪水的能力大大提高，但由于种种原因山东 黄河堤防本身还存在着很多问题。堤基土透水性较强，很难进行处理；堤身 用料复杂，不同堤段堤防的质量参差不齐；由于各种原因，堤身内部常有许多 空洞及裂缝；堤身的土质较差，多是沙性土，抗渗和抗冲性能都比粘性土差很 多。因此山东黄河堤防工程的安全性还达不到防御特大洪水的标准，长期实践证 明：通过标准化堤防建设是加固山东黄河堤防的有力措施。 山东黄河标准化堤防建设分三期实施，第一期工程已竣工，总长度为1 2 8 k m ， 主要包括菏泽东明重点防守段( 1 5 6 + 0 5 0 - - - 2 1 7 + 9 6 8 ) 6 2 m 和济南市区确保堤段( ( 1 + 9 8 0 ) 一6 4 + 5 7 4 ) 6 6 k m 。第二期建设正在实施，目前已部分建成，计：蛇u 2 0 l o 年全部竣工，范围为：右岸菏泽牡丹至东平湖堤段、济南章丘至滨州博兴南展堤 上首堤段；左岸聊城阳谷至河口利津南展堤上首对应堤段。第二期实施完成后， 山东黄河临黄堤标准化堤防长度将达至0 4 0 1 公里。第三期建设预计2 0 1 0 年开始建 设，逐渐贯通黄河山东段临黄堤的堤防帮宽和堤防道路工程。 标准化堤防工程的建设完工，将使山东黄河堤防的防洪标准大幅度提高，但 建设标准多基于实践经验，相关的基础研究水平薄弱，其安全性标准的加强和提 高尚没有系统全面的评价体系，再未经历洪水检验的情况下，如何客观的评价标 准化堤防建设的效果，尚没有统一的方法。同时，山东黄河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，通过对同一堤段标准化堤防建设前后安全性比较分析，客观的评价标准化 堤防工程建设的作用和效果。对于山东黄河标准化堤防工程建设管理以及长期黄 河治理规划具有重大的意义。 1 2 国内外研究现状 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【9 1 1 1 ，应用风险分 2 山东大学硕士学位论文 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【1 2 1 。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 2 1 。 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 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 伍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【1 3 1 1 4 、1 5 1 。 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。但云 贵、杨健【l6 】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【6 1 6 1 7 1 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；陈新引8 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、张健引1 3 】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【l8 】等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。 山东大学硕士学位论文 目前，我国在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 3 课题研究的主要内容 ( 1 ) 根据山东黄河标准化堤防工程系统的组成特点，分析研究影响堤防工程 安全性的各种因素。 ( 2 ) 根据堤防工程安全的层次性和动态性特点，构建山东黄河标准化堤防的 安全性评价体系。把山东黄河堤防安全性评价因素看作是一个多层次结构体系， 通过堤防工程安全性调查结合专家意见确定各基础指标的评价值，利用加速遗传 算法和层次分析方法相结合为各评价指标赋权，基于加速遗传一层次分析相结合 的堤防工程安全性综合评价方法( a g a a h p ) 综合评价堤防的安全性。 ( 3 ) 分析研究山东黄河标准化堤防建设的设计标准和实施计划，选择即将进 行标准化建设且年内能够建成的堤段，全面收集整理研究堤段标准化建设前及建 成后的相关资料，邀请行业专家分别逐项进行赋分。通过对比标准化堤防建设前 和建成后的综合安全性得分情况，分析判断标准化堤防建设的作用和效果，并通 过各单项评分情况的对比分析，研究标准化堤防建设主要的改善因素和不能解决 的具体问题，明确以后需要重点解决的方向和措施，具体指导山东黄河防洪工程 建设的规划和实施。 1 4 技术路线及研究方法 ( 1 ) 查阅资料 国内外关于河流堤防安全性研究的基本理论、研究方法、计算模型；山东黄 河堤防的基本情况、主要工程特点、历史主要险情情况；黄河洪水特点、防汛要 求、防洪工程建设要求等相关资料。 ( 2 ) 收集和获取数据 黄河水文水情数据收集；山东黄河堤防的历史出险资料数据、地质勘探数据、 隐患探测数据、设计及现场调查数据的收集。 ( 3 ) 建立评价模型 4 山东大学硕士学位论文 黄河作为“地上悬河”，堤防工程安全受多种因素制约和影响，具备显著的层次 性和动态性。因此，其安全评价指标体系也是多层次的复杂体系，其中既有定性 指标，又有定量指标。定量指标的计算单位各不相同，需要对其进行无量纲化处 理，确定各定量指标的量值；定性指标的确定带有模糊性，利用专家评分法确定 定性指标的评价值，得出各基础指标的评价值。堤防安全性等级之间的界限缺乏 精确的划分标准，利用模糊数学的方法来处理比较合适。 因此，首先根据堤防工程安全的层次性和动态性特点，将堤防系统划分为四 层次结构，建立山东黄河堤防工程安全评价的指标体系；其次，用模糊数学方法 和专家评分法将各个定性与定量指标进行无量纲化处理，得到各项基础指标的评 价值；然后，应用基于加速遗传的层次分析法确定各个评价指标的权重；最后， 利用所得指标评价值和指标权重对山东黄河堤防工程的安全性进行综合评价。山 东黄河堤防安全性综合评价体系如图1 1 所示。 图1 - 1 评价系统结构图 山东大学硕十学位论文 ( 4 ) 评价分析 选择堤防标准化堤防建设前和标准化堤防建成后的典型断面，利用建立的模 型进行计算分析、综合评价。 6 山东大学硕士学位论文 2 山东黄河标准化堤防工程概况 2 1 山东黄河堤防工程规模 堤防是防御洪水的主要屏障，黄河下游两岸堤防是黄河防洪工程体系的重要 组成部分。目前，黄河下游共有各类堤防2 2 9 1k m ，其中临黄堤1 3 7 1 2 3k m ，分滞 洪区堤防3 1 2 8 7k m ，支流堤防1 9 5 2 4k m ，河口堤防1 3 8 8 2k m ，另外，有各类不 设防( 不加修不防守) 堤防2 6 4 5 8k m 。鉴于黄河下游堤防的极端重要性，黄河临黄 堤防均为一级堤防，东平湖堤防为二级堤防。山东黄河现有各类堤防总长度 1 4 7 0 k m ，其中设防堤防1 1 8 8 k m ，设防堤防中，临黄堤防8 0 3 k m 、大清河堤3 7 8 k m 、 蓄滞洪区堤防2 7 3 k f n 。 2 2 山东黄河堤防工程主要特点 由于黄河水少沙多的特性，形成了著名的“地上悬河”，导致历史上黄河决口频 繁，形成了山东黄河堤防系统独特的特点，与其他流域堤防相比较山东黄河堤防 系统潜在的威胁更大。通过大量调查资料的分析整理可以看出：山东黄河堤防与 长江等其它流域地下河堤防相比存在着以下显著的特点。 ( 1 ) 黄河是著名的“地上悬河”，洪水时期将导致高水位。黄河是多泥沙河流， 泥沙不断淤积使下游河床抬高，目前黄河河床一般高出堤外地面3 5r n ，有些堤段 甚至高出1 0 多米，“地上悬河”形势越来越严峻。河道萎缩，河床抬高，导致同流 量洪水水位大幅度升高：据有关资料，下游各主要水文站同流量3 0 0 0m 3 s 的水位 相比，1 9 8 5 年较1 9 5 2 年高1 3m ，加上“二级悬河”的出现，使得洪水威胁日益严 重。 ( 2 ) 历史上决口频繁，遗留老口门等隐患多。现行黄河探明决口近4 0 0 处， 口门长达9 5 2 1k m ；老口门堤基，堵口时将大量的秸料、木桩、麻料、砖石料等 埋于堤身下，腐烂后形成了强透水层，一般厚达5 1 0m ，口门背河一般留有潭坑 和洼地，洪水期高水位时，易形成过水通道，威胁堤防的安全，历史上多有老口 门复又决口的情况出现。 ( 3 ) 黄河堤身土质差，渗透性强，强度低。现行河道堤防是在历史遗留下 来的旧堤基础上逐步加修而成的，堤身土质杂乱，砂性土含量高，抗冲刷能力差； 旧堤基础质量非常差，在填筑之初没有进行适当的地基处理，遗留了大量的隐患。 7 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 堤防保护范围内为广大平原，战略位置重要。根据历史洪泛情况，结 合现在的地形地物变化分析推断，在不发生重大改道的条件下，现行河道向北决 溢，洪灾影响范围包括漳河、卫运河及章卫新河以南的广大平原地区；现行河道 向南决溢，洪灾影响范围包括淮河以北、颍河以东的广大平原地区。黄河洪泛影 响范围内，涉及冀鲁豫皖苏五省的2 4 个地区( 市) 所属的1 1 0 个县市以及中原、胜 利两大油田，总土地面积1 2 万k m 2 ，耕地1 1 亿亩，人口约8 5 1 0 力人。就一次决口而 言，向北最大影响范围3 3 万k m 2 ，向南最大影响范围2 8 万k i n z 。 2 - 3 标准化堤防工程建设的设计标准 按照“堤防不决口、河道不断流、水质不超标、河床不抬高 的要求，2 0 0 2 年黄委明确提出标准化堤防建设，即对黄河堤防进行加高加固，在临河种植5 0 m 宽的防浪林，按照2 0 0 0 年设防标准，将背河淤区淤加宽至l o o m ，按株距2 m 、行 距3 m 栽植适生林；堤顶加宽至1 0 1 2 m ，铺筑6 m 宽的沥青路面，并与堤下防汛公 路、辅道相连，确保抢险车辆的顺利通行；对凹凸不平的堤坡进行处理，清除老 化草皮，并进行新植，确保草皮覆盖率达到9 5 以上。按四季常青、三季有花的要 求，在庭院、险工上种植花草、苗木，使黄河堤防成为“防洪保障线、防汛抢险 线、生态景观线”。 标准化堤防建设不是提高堤防的防洪标准，而是按照现有标准一次配套建成， 包括防洪保障线、抢险交通线和生态景观线。防洪保障线强调防洪保安全是标准 化堤防建设的首要任务，即按防洪设计标准建设顶宽1 2 m ，内外边坡1 ：3 的标准堤 防断面，3 0 , - - 一5 0 m 宽的防浪林和l o o m 宽的防渗加固背体；抢险交通线，在堤防上修 建道路，为防洪抢险服务，用于防汛抢险车辆的交通运输：生态景观线，即大堤 行道林及背河护堤地的抢险取材林建设，为满足生态景观要求，在大堤l o o m 宽的 淤背体上，除植树外，还要植草木花卉。 2 4 山东黄河标准化堤防建设情况 山东黄河标准化堤防建设，主要包括堤防加固、堤防加高帮宽、堤防道路及 防浪林建设。工程分期分批建设实施，截至0 8 年底已完成第一期建设，第二期建 设投资计划已经下达，正在紧张施工中。第三期建设，己上报国家发改委审查。 标准化堤防第一期与第二期总投资约3 4 亿元，截至0 8 年底完成情况见表2 1 。 8 山东大学硕+ 学位论文 表2 1 山东黄河标准化堤防分年度达标长度统计 0 5 年度实施方案之前，现状达标( 含一期1 2 8 k m ) k m3 0 5 5 0 4 二期标准化，对应达标k 度 k m9 5 8 8 6 1 0 5 年度实施方案，对应达标长度 k m 1 4 3 3 2 0 6 年度实施方案，对应达标长度 k m 5 6 2 6 9 3 0 7 年度实旖方案，对应达标长度 k m 2 5 2 8 7 0 8 - 1o 年近期可研，对应达标长度 k m 1 3 3 8 1 7 l 0 9 年度实施方案，对应达标长度 k m 6 2 8 4 210 年度实施方案，对应达标长度 k m 7 0 9 7 7 ( 1 ) 标准化堤防第一期建设 标准化堤防第一期工程总长度为1 2 8 k m ，选择国家规划确定的重点堤段先行建 设。主要包括菏泽东明重点防守段( 1 5 6 + 0 5 0 - - 2 1 7 + 9 6 8 ) 6 2 k m 和济南市区确保堤 段( 一( 1 + 9 8 0 ) - 6 4 + 5 7 4 ) 6 6 k m 。 建设内容主要有放淤固堤、大堤帮宽、险工改建、防护坝、堤防道路、防浪 林和工程管护设施等7 2 个项目，涉及济南、菏泽两市、东明、槐荫、天桥、历城 四县( 区) 。工程于2 0 0 2 年11 月1 4 日开工，20 0 5 年6 月2 9 同全面建设完成。总 投资1 5 3 亿元。 ( 2 ) 标准化堤防第二期建设 标准化堤防第二期建设和第一期建设相连续，范围为：右岸菏泽牡丹至东平 湖堤段、济南章丘至滨州博兴南展堤上首堤段；左岸聊城阳谷至河口利津南展堤 上首对应堤段。涉及沿黄9 个市2 0 个县、市( 区) 。 标准化堤防第二期实施完成后，山东黄河临黄堤标准化堤防长度将达到4 0 1 公里。其中：堤防帮宽将从山东黄河上界东明至河口南展堤上界左、右岸全部达 到设计标准；现状堤防道路右岸将从上界延伸至临黄堤末端( 垦利二十一户) ，左 岸将从上界聊城阳谷陶城铺延伸至惠民下界；放淤固堤右岸将从东明连续整片贯 通至济南历城下界。 第二期建设内容包括堤防帮宽4 4 2 k m ，放淤固堤8 8 k m ，堤防道路3 5 6 k m ，险工 改建7 处8 9 道坝，控导工程新续建及改建6 处1 17 道坝( 岸) ，防浪林2 7 k m ，总 投资1 9 亿元。工程于2 0 0 6 年1 2 月2 0 日正式开工建设，2 0 0 9 年底完成。 9 山尔大学硕士学位论文 ( 3 ) 标准化堤防第三期建设( 2 0 0 9 - 20 1o 年近期可研项目) 建设目标：与标准化堤防第一、二期建设相连续，逐渐贯通黄河山东段临黄 堤的堤防帮宽和堤防道路工程，并率先完成右岸临黄堤防的全部放淤固堤工程及 左岸德州以上的放淤固堤工程，以及部分急需的东平湖治理工程建设项目。总投 资约1 9 亿元。预计2 0 10 年开工建设，实施完成后，山东局临黄堤防达标长度为 5 3 5 k m 。 1 0 山东大学硕士学位论文 3 山东黄河标准化堤防工程安全评价体系的构建 3 1 堤防工程安全等级划分 在堤防的安全评价中，安全等级的划分是评价的基本工作，只有在评价等级 确定的基础上，才能进行准确评价。目前我国对于堤防工程安全评价的研究尚处 于起步阶段，堤防工程安全评价评语集的选择主要是参照我国大坝安全评价的习 惯。 依据可靠度概念和堤防设计规范，结合山东黄河堤防工程的实际情况，将堤 防工程的安全性分为以下四个等级：安全、较安全、安全性一般和不安全，各等 级对应的安全性综合评价值如表3 1 。上述四个等级主要依据各因素的最佳组合 ( 上限) 和最不利组合( 下限) 而确定。 表3 1 山东黄河堤防工程安全等级划分及其涵义 安全等级评价值涵义 堤防工程的实际t 况和各种功能达到了现行规程、规 安全9 0 - - 1 0 0范、标准和设计的要求，在没计洪水位下堤防能够正常 运行。 各项监测数据及其变化规律处于正常状态，在设计洪水 较安全 7 0 9 0 位下，出险较多，但按照常规的运行方式和抢险条件可 以保证堤防 j 程的安全性。 堤防 程的功能和实际丁况不能完全满足现行的规程、 规范、标准和设计的要求，可能影响堤防+ l 程的正常使 安全性一般6 0 7 0 用，在汛期险情数量众多，汛前需要进行安全性调查， 确定对策。 按现行规程、规范，标准和设计要求，堤防工程存在危 不安全 6 0及安全的严重缺陷，汛期运行中出现重大险情的数量众 多，必须采取除险加固措施。 评价单元的划分是堤防安全评价的基本步骤，单元划分应根据具体堤段的结 构特征、边界条件、堤基条件类别以及行政区域划分，结合堤防本身的自然特性 ( 如穿堤建筑物等) ，按照一定的评价单元划分原则，由专家、行政领导相结合进 行决定的方法而确定。 根据文献以及往堤防老化评价的经验，选择堤防断面基本特征相同的堤段每 l k m 作为一个自然评价单元，按堤防总长度的2 0 来进行评价，相似堤段可以直接 引用评价结果；堤防薄弱堤段可考虑适当缩短；穿堤建筑物穿过的堤段单独考虑， 以穿堤建筑物及其附属设施单独作为一个评价单元。评价过程中不同堤段的评价 单元应该按一定顺序进行评价。 山东大学硕士学位论文 3 2 山东黄河堤防安全性主要影响因素 山东黄河堤防未来主要决口形式为冲决和溃决，破坏形式可以分为渗流破坏、 失稳破坏和冲刷破坏。黄河作为“地上悬河”，其危险性与危害性远大于一般河流， 其安全性除与自身结构特点有关外，还与其边界条件的剧烈变化关系十分密切， 尤其是河势边界条件和渗透边界条件对于堤防工程的安全性有重大的影响。 影响堤防工程安全性的因素十分复杂，并且相互交错，相互影响，总体上分 为内部因素和外部因素，其中，堤身的土质特性、断面形式及大小、堤身隐患、 防护措施和除险加固措施等是影响堤防安全的内部因素，而洪水特性及河势变化 则是影响堤防工程安全最重要的外部因素。这些因素的具体分布状况，要通过大 量的现场调查和历史资料分析确定，不同的影响因素要通过具体的指标来体现， 指标体系则是由若干相互联系的指标组成的整体，能充分体现山东黄河堤防特点 的安全评价指标是关键。堤防工程安全性因素分析是建立评价指标体系的前提。 3 2 1 山东黄河堤防安全性的外部因素 ( 1 ) 洪水特点 洪水荷载是堤防工程最重要、最基本的荷载。洪水荷载的大小最直接的体现 是洪水位，它涉及到堤基与堤身的渗透安全，洪水下高水位是黄河下游悬河最重 要的特点，也是影响山东黄河堤防安全最重要的因素之一。 此外由于山东黄河堤防堤身砂性土含量高，渗透性强，高水位下长期浸泡会 使土体饱和软化快，严重影响土体的工程稳定性。因此，堤防的安全性与洪水的 特点洪水位、涨落幅度以及洪水持续时间密切相关。 ( 2 ) 河道特性 山东黄河堤防是“地上悬河 ，边界条件更加复杂多变，其堤防安全与边界 条件变化密切相关。河道断面特性是影响山东黄河堤防安全最重要的边界条件之 一，目前河道断面形态恶化、游荡性强是黄河下游河道最显著的特点：河床摆动 幅度大，主流摆动频繁，造成主流顶冲加剧；“二级悬河形势仍很严峻，中常 洪水发生“横河”、“斜河”的概率在小浪底工程竣工后并未降低；大堤内外的 坑塘、串沟等加速堤防渗透破坏的边界条件在黄河下游两岸仍大量存在。 从纵向上看，两岸堤防之间的宽度，滩区宽度、高度及土层的抗冲刷性能， 两岸堤线是否顺直也是影响山东黄河堤防安全的重要因素。 1 2 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 抢险条件 随着抢险技术的进步，堤防险情中人的抢护险情的能力也是保障山东黄河堤 防安全的一个重要方面，即堤防安全性还在很大程度上依赖于防汛抢险条件：物 资供能力、抢险设备抢险能力、人员的抢护能力、对险情发展的判断能力、黄河 大堤堤顶之上的交通畅通状况等。 3 2 2 山东黄河堤防安全性的内部因素 ( 1 ) 堤身因素 山东黄河大堤堤身设计标准、堤身断面、堤身土体的力学性质和渗透稳定性， 堤身质量，施工质量，临背河堤防坡度，堤身的各种历史险情( 防空洞、战壕等 宏观隐患) 和探测隐患( 裂缝、土体松软等) 以及处理情况。 ( 2 ) 堤基因素 山东黄河大堤堤基结构类型和防渗处理情况及其效果，历史口门分布和口门 堵复情况，大堤：9 1 - 1 0 0 米范围内有无渊塘沟渠、树林或平台分布，粘土覆盖层情况。 ( 3 ) 淤背区情况 背河淤背区的宽度和高度。 ( 4 ) 护坡情况 护坡方式、护坡坡度、护坡完整性及护坡的效果，有无排水沟。 ( 5 ) 地形条件 大堤内、外侧的地形条件，大堤内外侧的高差，防浪林、险工、护岸、穿堤 建筑物及其它加固措施分布状况，堤段的岸线完整性。 3 3 评价指标的获取 影响山东黄河堤防工程安全的因素众多，它们之间有时又是相互作用、相互 联系的。因此为了实现堤防工程安全性评价的定量化、模型化，就必须根据堤防 工程安全性概念的层次性和动态性等特点，对各种因素采用定性和定量指标对他 们进行描述。这些定性的和定量的指标按照安全评价的逻辑关系进行组合，即构 成了本文所指的堤防工程安全性评价的指标体系。 指标体系的建立需要突出山东黄河堤防“悬河”的特点，从整体上能涵盖影响山 东黄河堤防安全的各种危险因素。确定评价指标体系是进行堤防工程安全性评价 山东人学硕士学位论文 的前提。收集指标体系评价资料是一项细致而有序的工作，需要大量现场调查和 历史险情资料的分析，资料收集一方面眭t g i s 系统集成，另一方面组织尽可能多相 关专业的专家、科技人员进行现场实地调查。 本文根据有关资料设计山东黄河堤防工程安全现场调查表见表3 2 。 表3 2 山东黄河堤防工程安全现场调查表 调查项目调查内容调奄方法和手段 堤段名称堤段位 堤段名称、桩号、堤防修建的年月或者期间： 穿堤建筑物位置、名称、种类、竣上年月及其资料调查 置 管理单位。 设计高程及其超高幅度；堤身结构；堤内土质 目测资料 堤身特性 分层分类：探测隐患及处理情况调查、堤防内 资料调查 外坡比等横断面特征。 堤基结构类型，用的渗控措施( 防渗墙或铺盖资料调布 堤基特性等) 及其效果，有无不利的渗透边界条件，口现场目测 门堤基及其处理情况。 堤防及其水位等纵向特性，包括堤防的实际高 测量调查 纵断面特性程与设计高程、堤内外地基的高程、河床平均设计资料调查 高程及其设计最高水位，土质的纵断面分布。现场目测 是否有顶流冲刷，岸坡土质和抗冲刷性能，近 资料调奄 岸坡条件岸有无不利的渗透边界条件等现象；滩区宽 度，险t 、护岸措施及其效果等。 现场目测 堤身加i 司措施( 防渗墙、前后戗、淤背区) ；资料调夯 加固条件 施工时间，加固区间、长度和长度；加同效果。 现场目测 堤线是否顺直，堤防土质抗冲刷性，主流的游 资料调查 河势变化荡特性，近岸堤河、串沟是否严重，二级悬河 现场目测 是否严重。 设计最高洪水位及其持续时间，最大的单日涨 历史及设计 洪水特性落幅度，波浪的爬高，平均作用水头等外力条 资料调查 件。 包括溃堤、散浸、淘刷、崩岸、滑坡、堤身漏 出险历史水、堤基管涌、横河、斜河、滚河等历史险情，资料调杏 标明出险的年月和受灾程度。 3 4 构建山东黄河堤防安全评价指标体系 根据系统工程原理和层次分析方法，充分考虑山东黄河堤防的特点和保护区 的实际情况，从洪水特点、边界条件、堤防工程内部因素、外部因素、历史险情 以及安全管理和运行中的工程措施和非工程措施等几个方面，建立山东黄河下游 工程安全评价的指标体系( 表3 3 ) 。 1 4 山东大学硕士学位论文 表3 3 山东黄河堤防工程安全评价的指标体系 一级指标二级指标三级指标评价要素 洪水位值 设计最高洪水位及其持续时间，最大的 洪水特性洪水历时 单日涨落幅度，波浪的爬高等。 洪水涨幅 外部条件 河道游荡性堤防之间的宽度，堤线走向，堤防土质 滩区宽度抗冲刷性，滩区宽度，滩槽横比降，主 河道特性 滩槽横比降流的游荡特性，近堤有无堤河、串沟， 主流顶冲可能性二级悬河是否严重。 抢护能力 防守部位的抢险条件( 人员、材料和交 抢险条件通等) 是否具备，抢险条件是否与堤防 交通条件 保护区的重要性相匹配。 堤身断面 堤身断面是否满足拦挡设计洪水位和 堤身t 质 安全超高的要求；土质类型以及历史险 堤身条件情及其处理情况，堤身隐患及其防治历 堤身隐患 史情况的详细调查，施j 二质量控制是否 施工质量 严格。 堤基结构 堤基结构类型，用的渗控措施( 防渗墙 堤基条件历史隐患或铺盖等) 及其效果，有无不利的渗透 渗控措施边界条件，出险历史及其处理情况。 内部条件 淤背区宽度淤背区能不能满足延长渗径降低出逸 淤背区条件 淤背区高度点的要求。 护坡方式 采用何种护坡方式( 混凝十、草皮) ， 护