基于安全指数的长江中下游堤防工程安全评价模型研究

赵 鑫，胡坤生，李 理

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.长江岩土工程有限公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

SL/Z 679—2015《堤防工程安全评价导则》是中国唯一现行的堤防工程安全评价工作标准。该标准规定将“管理运行、工程质量、防洪、渗流、结构”等作为主控因子，定性判别主控因子对堤防工程“有无失效”，然后将主控因子的模糊性判别进行叠加，最后得出安全评价的结果。由于安全因子的判别具有较大的模糊性与主观性，所以导致最终的安全评价结果同样具有模糊性。为此，对堤防工程的安全评价工作进行了大量研究，主要集中在堤防工程安全因子的确定及其定量化表达对最终安全评价结果的影响程度等方面的研究，并取得了许多可借鉴性的成果[1-4]。但是，前期研究的成果存在共性问题：安全因子的确定缺少大量历史险情的归纳推演[5-8]；最终的安全评价判别均是基于模糊数学理论进行融合分析，需要进行专业数学计算，给评价工作带来不便[9-10]。针对此问题，本次研究基于大量的历史险情实例，深入分析险情的发生原因，推演出堤防工程的安全影响因子，基于层析分析法理论，进行安全因子的权重与判别标准的融合[11-13]，创新性地提出了安全指数概念，建立了一套全新的堤防工程安全评价模型。

需要说明的是，堤防工程险情按照出现部位大致可以分为堤基险情、堤身险情、岸坡险情和穿堤建筑物险情4类。因篇幅限制，本文仅以堤基(管涌、散浸)险情为例进行模型建立说明，其他险情的安全评价模型原理相同。

1 堤防工程险情影响分析

1.1 安全主控因子确定

本次研究共收集到1998～2011年长江中下游历史险情3 111条，其中堤基历史险情944条，堤基相关险情收集统计的险情信息包括：① 险情描述；② 出险时江河水位、雨情；③ 堤基地层结构、地质描述、基本物理力学参数；④ 河势、深泓、外滩；⑤ 堤内外地面高程；⑥ 生物洞穴情况；⑦ 堤内坑塘、沟渠深度及距堤脚距离；⑧ 水井、钻孔封堵情况；⑨ 堤内戗台布置、水平铺盖、垂直防渗墙、减压井布置等。根据工程经验及水力学理论对堤基(管涌、散浸)险情逐条分析险情发生的原因，与统计的险情信息对比，将险情信息统计为引起险情发生的占比，用以表示导致该险情信息在险情发生时的参与度，见表1。

表1 堤基险情信息参与度统计

上述险情信息既有定性指标，也有定量指标，为了下一步专家主观赋权安全因子权重的确定，需要将其统一为定性表达。根据工程经验归纳出以下几类堤基管涌、散浸险情安全主控因子，见表2。

表2 堤基(管涌、散浸)险情安全主控因子

1.2 安全主控因子致险判定

根据上述安全主控因子的工程特性及相关理论知识，结合历史险情资料，归纳出堤基(管涌、散浸)安全主控因子致险的定性判定如下。

(1) 堤基地质结构C1。当盖层厚度小于5 m时，下部砂层厚时，易导致险情的发生；总之，单砂性土、上薄黏性土下砂性土双层、上砂性土下黏性土双层、单层厚度小于2 m的黏性土和砂性土互层多层结构类堤基地质结构易发生险情。

(2) 相对透水层渗透性C2。盖层下砂性土的渗透性，强-中等渗透性易发生险情，中等-弱渗透性，可能引发险情。

(3) 盖层土的抗渗强度C3。当水力梯度大于盖层土的允许水力梯度时，易导致险情的发生。

(4) 水头差C4。根据堤内盖层的浮重度推算允许水头差，如果水头差大于允许水头差，易导致险情的发生。

(5) 堤内坑塘、沟渠C5。如堤内有坑塘等，距堤脚100 m内，当揭穿盖层时，易导致险情的发生，当有一定深度但未揭穿盖层，使盖层变薄，视盖层厚度可能导致险情发生。

(6) 水井、钻孔、生物洞穴C6。堤脚100 m范围内，存在钻孔封堵不严、废弃水井滤层失效、生物洞穴揭穿盖层情况时易导致险情的发生。

(7) 防渗墙、减压井、水平铺盖等防护措施C7。如堤基存在透水层，未实施防渗措施，或者已实施但防护措施失效，则易导致险情的发生。

2 堤防工程安全评价模型

2.1 安全主控因子权重

对于多因素、多方案的复杂决策问题，目前比较适合的解决方法是运用“层次分析法”进行决策，本次险情安全主控因子的权重计算基于层次分析法，采用专家主观打分，专家根据主观经验分析每个主控因子对堤防安全的重要程度，然后对每个主控因子进行两两对比，进行1～9比较尺度的取值，通过选定的安全主控因子，其他安全主控因子项与选定的相比较，按重要程度给出尺度值，形成对比矩阵，然后计算矩阵的特征向量并检验一致性，如一致性检验通过，则矩阵的特征向量即为安全主控因子的权重。

基于表2确定的安全因子进行堤基管涌、散浸险情各安全因子的权重计算，将32位专家的计算结果进行平均值统计，得到最终堤基(管涌、散浸)险情的安全主控因子权重见表3。

表3 堤基(管涌、散浸)安全主控因子权重

2.2 安全评价模型建立

堤防工程安全评价模型，以安全主控因子的影响程度(权重)以及安全主控因子导致险情的易发性综合确定。

基于层次分析法核心思想，建立堤防工程安全评价模型公式为

式中：P为堤防工程安全指数；ωi为第i项安全主控因子的权重；ai为第i项安全主控因子致险特征值，n为安全主控因子的个数。根据各项安全主控因子判定的原则，如果该项安全主控因子易导致险情的发生，则ai=1；发生险情的几率较低时，ai=0。

P值分类区间通过历史险情以及具体的堤段进行反演确定。

2.3 安全指数区间反演

选取20个具体堤段的堤防工程实例进行P值反演，分为3个区间的两个临界点数据，即安全与基本安全临界值、基本安全与不安全临界值。

(1) 反演实例。1998年7月16日，松滋江堤灵钟寺-涴市段16+840堤段在堤内距离堤脚216 m的藕塘里，发生了管涌险情，出险时江水位较高，具体水位不明。该段堤防堤高8 m，堤顶宽度6 m，堤内、堤外坡比均为1∶3，堤内地面高程37.1 m，距堤脚150～250 m范围内有水塘分布。堤基地质结构双层结构，上部盖层厚度2.5～10.0 m，主要为粉质黏土，下部分布较连续的砂壤土，厚2.0～4.0 m。表层黏性土体被藕塘切穿，于堤内渊塘附近出露下部砂壤土，为管涌险情创造了条件，出险前未进行堤基防渗工程措施。该段险情主控因子的特性描述见表4。

表4 反演段堤基管涌险情主控因子特性描述

根据建立的安全评价模型进行安全指数的计算如下：

0.134×0+0.118×1+0.091×1+

0.138×0+0.222×1=0.728

(2) 确定原则。基本安全险情指已经发生一般险情，但是不会对堤防工程产生破坏性的后果，本次P值反演选取险情以堤基散浸险情为主；同理，不安全险情指已经发生严重险情，会对堤防工程产生破坏性的后果，本次P值反演选取险情以堤基管涌为主。按此原则各选定10个险情进行P值范围反演，综合P值反演结果见表5。

表5 安全指数P值反演结果统计

综合上述反演结果，可确定安全指数P值范围与安全分类的对应关系：当P<0.3则为A类(安全)；当0.3≤P<0.6则为B类(基本安全)；当P≥0.6则为C类(不安全)。

3 模型验证

对确定的基于堤防工程安全指数的安全评价模型进行工程实例验证。

(1) 验证段1。武汉江堤武惠堤桩号1+500～1+650段，堤防堤基由第四系冲积成因黏性土组成，堤基地质结构分类属单一结构，上部为粉质黏土，厚6～18 m，局部夹粉砂、砂壤土；下部为粉质壤土夹粉砂，钻孔未揭穿，厚度大于17 m。该段堤防堤高5 m，堤顶宽度8 m，堤内外坡比均为1∶3，堤内发育少量渊塘，堤外侧设有一级压浸台和浆砌块石护堤，内侧多设有两级压浸台。该段险情主控因子的特性描述见表6。

表6 验证1段堤基险情主控因子特征描述

根据建立的安全评价模型进行安全指数的计算如下：

0.134×0+0.118×1+0.091×1+0.138×0+

0.222×0=0.334

0.3≤P<0.6，模型判别为基本安全，即虽然发生险情，但是不会对堤防工程产生破坏性的后果。实际上，1998年7月27日，武汉江堤武惠堤在桩号1+500～1+650段堤内二级压浸台坡脚出现潮湿散浸现象，有清水渗出，局部积水，出水点地面高程约24.5 m。安全评价模型计算结果与实际工程险情一致。

(2) 验证段2。南线大堤位于长江中游荆州市公安县荆江分洪区南端，桩号595+500～595+700段堤基地质结构为Ⅲ1类，上部盖层厚度2.0～5.0 m，主要为粉质黏土，中部砂性土一般厚0.5～4.7 m，下部为深厚黏性土。该段堤防堤高9 m，堤顶宽度8 m，内外坡比均为1∶3，两侧一般有宽约50 m的压浸台或人工铺盖，厚0.5～2.0 m，台面高程30.5～34.5 m。该段险情主控因子的特性描述见表7。

表7 验证2段堤基险情主控因子特性描述

根据建立的安全评价模型进行安全指数的计算如下：

0.134×0+0.118×1+0.091×1+

0.138×1+0.222×0=0.644

P≥0.6，模型判别为不安全，即发生险情会对堤防工程产生破坏性的后果。实际上，1998年9月1日，当长江水位为38.55 m(黄海高程)时，南线大堤595+600～595+638段距堤脚约125 m处的内平台与水田交界处沟内出现6个管涌险情，出水带砂，形成沙盘，沙盘直径最大20 cm，水头高20 cm，沟底高程33.2 m。现场判断该管涌属严重险情，应立即进行抢险措施。安全评价模型计算结果与实际工程险情一致。

4 结论与展望

将基于安全指数的堤防工程安全评价模型运用到实际堤防工程判别中，可以得到如下结论：

(1) 堤基管涌险情影响因子定性化表达为7个安全主控因子：① 堤基地质结构；② 相对透水层渗透性；③ 盖层土的抗渗强度；④ 水头差；⑤ 堤内坑塘、沟渠；⑥ 水井、钻孔、生物洞穴；⑦ 防渗墙、减压井、水平铺盖等防护措施，便于在进行安全评价时有针对性地进行资料收集工作。

(2) 基于大量历史险情的归纳以及常规力学理论知识，确定了每一项安全主控因子致险判定原则，提出了安全主控因子致险特征值。

(3) 首次提出基于堤防工程安全指数P值的安全评价模型，且通过实际工程反演与验证，表明改模型具有良好的操作性与精确性。

本次研究是基于长江中下游堤防工程历史险情数据进行的，但是对于中国其他流域的堤防工程未进行相关的险情资料分析与验证，有待进一步在其他流域内的堤防工程进行模型验证与改进。