湖南陵水某堤防工程風險分析方法研究

羅海兵

(湖南省洞庭水電咨詢監理有限公司，湖南 長沙 411228)

1 概述

一般來說，對于一個堤防工程，從設計、施工到后期的防洪運營、堤防安全評價都是其中的重要組成部分，它既是對堤段的防洪能力的評價，又是對堤段抗風險能力的評價。由于我國地域遼闊，江河湖海眾多，且人口居住面積較大，因此全國的堤防工程長度較大且保護范圍較廣。自從1998年洪水以來，我國注重水利行業發展，大修水庫的同時也開始大量修建堤防工程。據統計，目前我國已建江河湖海的堤防總長已經超過了35萬km，保護人口已超過6.3億，而且還有逐年增加的趨勢[1- 3]。如此大量的堤防工程是對人們安全的重要保障，其安全運營關乎大局，一旦失事，將給國家和人民帶來難以估量的損失，因此開展堤防工程安全評價工作勢在必行。

陵水左岸堤防加固工程位于湖南省中南部衡陽市衡陽縣，是衡陽縣防洪系統的中樞部分。當地屬中亞熱帶季風濕潤氣候，每年從3月開始進入多雨季，河流水位的增加會造成多種不利的水利因素。根據現場工程地質勘察情況，堤基地層主要為粉質黏土，堤身主要為黏土和素填土，且有局部堤段為粉砂層，由于粉砂有著層位穩定、厚度大且具有中等透水性和液化等特質，常常容易在汛期高水位的時候出現坍塌、管涌、滲透等情況。在衡陽市曾經出現過因水位超過警戒線多日后，由于內河洪水位上漲，造成堤防潰決，最終對該區域造成嚴重的經濟損失。而該事件發生的主要原因就是堤身和堤基中存在有較厚的透水層，即上文提到的砂質土，后期為了消除隱患，衡陽縣水利局對該區域堤防進行了加固處理，并需要重新對該工程進行風險評估。衡陽縣陵水堤防斷面圖如圖1所示。

風險是一種用來評價工程中不確定因素造成工程失穩的方法和手段，它依托于巖土工程和結構工程，是這些工程的一種先天特性[4- 5]。一些傳統的安全評價方法常常無法考慮到堤防工程在運營過程中的不確定性，而無法對其安全性進行準確評價。本文利用結構可靠度以及概率論等統計學研究手段，將風險考慮到堤防工程安全評價中，根據工程失穩的一些主要因素，分項進行失事模式的風險概率計算，得到綜合風險評估指數，采用理論與實踐相結合的方法對堤防工程進行安全評估，對于實際工程的安全評定有一定的借鑒意義。

圖1 衡陽縣陵水堤防斷面圖

2 分項失事風險概率計算

根據對陵水堤防安全失穩的分析，將堤防左岸失穩的主要因素分為水文、滲透、邊坡失穩和地震液化四個部分，同時對四個失事模型分別進行專項分析，在現場進行標準貫入試驗，并根據對現場地基和堤身土體進行取樣，進行滲透試驗、剪切等試驗，得到和各個影響因素有關的一些參數特征，這些參數將作為各個風險成分的參考依據。滲透破壞風險隨機變量統計特征表見表1，滑動失穩風險隨機變量統計特征表見表2。

表1 滲透破壞風險隨機變量統計特征表

表2 滑動失穩風險隨機變量統計特征表

2.1 DikeRisk風險概率程序開發

為了得到能夠適用于該工況下的滲透破壞失事風險率表達式，利用Geostudio和VB進行程序二次開發，得到了適用于堤防失事風險率計算的普適程序DikeRisk,,其主要功能為：

(1)能夠利用所給定條件計算堤防單元洪水漫溢和漫頂的失事風險率及其與洪水位的關系，最后得到水文綜合概率隨洪水位的關系。

(2)能夠利用響應面抽樣法，計算堤防單元滲透破壞下的失事概率及其與洪水位的關系。

(3)能夠計算靜力作用下，堤防單元滑動破壞下的失事概率及其與洪水位的關系。

(4)能夠計算震動條件下，堤防單元因砂土液化而失穩的概率及其與洪水位的關系。

(5)通過對上述各項條件下的堤防失穩概率進行綜合處理，得到綜合失穩概率與洪水位的關系。

2.2 水文失事風險率

因為該地區洪水資料較為匱乏，為了考慮到洪水位，假定地區洪水位為簡單的正態分布，同時利用該工程的校核洪水位為百年一遇的標準，即11.5m，由此得到洪水位高程概率密度為：

(1)

式中，h—堤防臨水面洪水位。

該地區因堤防河面較為狹窄，堤頂垂直距離不到19m，堤防水文失事主要為洪水滿溢和洪水漫頂兩種情況。根據GB 50286—2013《堤防工程設計規范》及相關文獻，可以得到堤頂垂直距離100m為判別洪水漫溢和洪水漫頂的臨界值，本工程堤頂垂直距離為19m，若為水文失事，該地區左岸堤防應主要為洪水漫溢造成的失事，而不會是洪水漫頂所造成的。根據洪水漫溢的概率密度公式得到左岸堤防在水文條件下失穩的風險率為：

(2)

式中，h0—堤頂高程。

根據以上風險率計算公式，并將堤頂高程代入式(2)，得到該提防工程左岸水文失事風險率為1.52%。

2.3 滲透破壞失事風險率

根據工程當地的一些調查情況，陵水左岸堤防由于其背水面的地下水位常年處在6～6.5m范圍內，而通過查閱資料可知：當洪水位低于6m時，堤防工程發生滲透破壞和滑動失穩兩種破壞的概率都是非常小，因此將計算中的最低洪水位值取為6m。由于滲透破壞失事的概率公式常常沒有直接的理論表達式和經驗表達式，將該洪水位從堤防底部到頂高程分為多個工況進行計算，并擬合得到堤防在各個工況下的滲透破壞失事概率分布函數為：

(3)

式中，h1—起始水位；h2—最高洪水位；A1，A2，A3；x0—參數，取值見表3。

表3 A1，A2，A3，x0取值表

利用式(3)和表3中的參數，帶入不同洪水位高度，可以得到不同洪水位下堤防在加固前和加固后的滲透破壞風險率及其與內河洪水位的關系曲線，如圖2所示。

圖2 堤防滲透破壞風險率隨洪水位變化圖

從圖2可以看出，在內河洪水位不斷增大的情況下，加固前和加固后的風險率都隨之呈增大的趨勢，且前期增大緩慢，直到洪水位到達各自的臨界值后，風險率開始急劇增大，說明高水位下地方極易發生滲透破壞的安全事故，需要嚴加防范。

對比加固前和加固后的堤防滲透破壞風險率，發現堤防在加固后，在高水位下的風險率明顯低于加固前。此外，堤防加固后的臨界洪水位也相對于加固前有了較大幅度的滯后，從之前的9.7m增大到了10.6m，說明加固后的堤防更不易發生滲透失穩了。

2.4 岸坡滑動失穩風險率

采用相同的方法，將洪水位分為多個工況，并利用之前的DikeRisk岸坡滑動失穩計算程序，得到各設計工況下岸坡滑動失穩的概率，并擬合得到堤防在各個工況下的滑動失穩條件概率分布函數為：

(4)

式中，h1—起始水位；h2—最高洪水位；A1，A2，A3，x0—參數，取值見表4。

表4 A1，A2，A3，ω取值表

利用式(4)和表4中的參數，通過計算得到不同洪水位下的因為堤防岸坡滑動所造成堤防失穩的風險率及其與不同的洪水位之間的關系曲線，如圖3所示。

圖3 堤防滑動失穩風險率隨洪水位變化圖

從圖3中可以看到，加固前和加固后堤防岸坡滑動破壞風險率都隨著洪水位的增大而增大，不過加固前的風險率在整個過程中都增加的較快，而加固后的岸坡滑動風險率在后期增大較慢，有明顯的穩定趨勢。洪水位為9.7m的時候，加固前的風險率為0.802%，而加固后的風險率為0.613%，有很大幅度的下降。以上情況說明在堤防進行加固措施后，其抗滑穩定性有了很大程度的提升，堤防的抗風險能力有了很大的強化作用，特別是降低了滑動破壞風險率在洪水位上的敏感度，對于最高洪水位12.1m的情況下，加固后的岸坡滑動風險與加固前相比，降低了34.9%

2.5 震動液化失穩風險率

在動力荷載或者震動的作用下，砂土有可能發生液化現象，是飽水的疏松粉、細砂土在振動作用下突然破壞而呈現液態的現象。對陵水左岸堤防工程來說，雖然加固后有進行一些改良，但并沒有對堤防原有堤身和堤基中的砂土類別和性質進行改變，因此可以假定砂土液化概率相比之前沒有改變。利用之前的回歸擬合方法得到陵水堤防砂土液化風險率為：

(5)

式中，A1，A2，A3，h0—依次取0.1324，0.1477，8.044，17.31；Pe—該地區地震發生的概率，根據從1300年到目前的地震歷史記載取0.031%。

根據式(5)計算出不同洪水位下的堤防砂土液化失穩風險率，如圖4所示。

圖4 陵水堤防砂土震動液化風險率隨洪水位變化圖

從圖4可以看出，隨著洪水位的增大，堤防砂土震動液化風險率隨之增加，然而其增長速率隨著洪水位的增大而逐漸降低，呈衰減態勢；砂土震動液化的風險率對于洪水位的敏感性并不是很高，在最大洪水位的情況下，陵水左岸堤防砂土震動液化風險率為0.733%。Juang[7]曾從概率的角度分析砂土震動液化對于工程場地的影響，據此分析得出陵水左岸堤防砂土幾乎不可能出現液化現象，該項風險為可承受的。

3 綜合風險率計算成果分析

根據前面的風險率模型，并利用回歸的方式得到了滲透失穩、岸坡背水面滑動和砂土震動液化的風險率與洪水位的關系，將這幾個因素進行綜合分析，得到綜合失穩率與洪水位的關系曲線，如圖5所示。

圖5 堤防綜合失穩風險率隨洪水位變化圖

從圖5可以明顯看出，堤防綜合失穩風險率與洪水位之間表現出一種單調遞增關系，但這種關系是非線性的，具體表現為3個階段：①緩慢增加階段，該階段的堤防失穩風險率隨著洪水位的增加而緩慢增加，且增長速率逐漸降低；②轉折階段，該階段風險率隨著洪水位的增長率從一個較低的水平上升，曲線變陡；③急劇上升階段，風險率隨著洪水位增大呈非穩定上升，大部分的堤防失穩便發生在該階段。對比堤防加固前和加固后的曲線發現，在第一階段，加固前的風險率與加固后的風險率大致相等，說明該時期加固措施在堤防抗風險上并沒有實質性的作用，在進入第二階段后，加固后的綜合失穩風險率開始相對加固前有了較為明顯的降低，且其降低幅度隨著洪水位的增大而增大，說明加固措施確實對于堤防有一定的防洪加固作用，如最高洪水位12.1m時，加固后的綜合失事風險率比加固前降低了約26.4%。加固前的臨界風險率為2.275%，對應的洪水位為9.7m，而加固后的臨界風險率為1.592%，即為風險允許值，對應的洪水位為10.6m。

若將洪水位提高為堤頂高程，這個時候的堤防綜合失穩風險率將除了滲透失穩風險率以及岸坡背水面滑動的風險率和震動液化的風險率這三者之外，還將會加入水文失事風險率，此時在圖5中所表現出來的為在洪水位12.1m處出現一段階躍。圖5給出了加固前和加固后的階躍風險率分別為6.26%和4.90%。

4 結論

通過建立堤防系統失事風險率模型，并結合陵水左岸某提防工程，對不同失效模式下的堤防風險率進行了分析，得到如下結論：

(1)當洪水位低于10m時，堤防失穩風險率對洪水位的敏感度較低，但當洪水位高于9m時，堤防失穩風險率對洪水位的敏感度非常高，兩者表現出非常明顯的非線性關系，因此應該在洪水位到達該臨界值的時候進行風險預警，并及時的采取防治措施，避免風險發生。

(2)陵水堤防采取加固措施后，堤防綜合失穩風險率所對應的洪水位臨界值由原來的9.7m提高到10.6m，說明陵水左岸堤防的加固措施是合理和有效的。

(3)加固前的臨界風險率為2.275%，加固后的臨界風險率為1.592%，即為風險容許值，這些值可以在整個陵水堤防工程的風險評估中進行推廣，為陵水的汛期堤防安全提供參考。