基于壩體安全評價模型的復合地基壩體質量安全分析

于淳蛟

(湖北志宏水利水電設計有限公司,武漢 430070)

0 引 言

水利大壩是現代防洪工程以及農業灌溉工程的重要組成部分,對地區生態建設、經濟發展都有重要的影響。長期處于運作狀態的水利大壩容易受到內外因素的影響,對大壩的安全使用造成極大影響。如地震、外部應力作用、壩體化學腐蝕以及本身材料性能減縮等,均會嚴重破壞壩體結構,影響大壩的截水能力。近年來,全球發生多起大壩引發的安全事故問題。如美國伊登維爾大壩事故與巴西布魯馬迪尼奧尾礦大壩事故,大壩潰壩造成嚴重的人員傷亡,同時對地區經濟造成嚴重影響。因此,要避免大壩出現潰壩事故,需要對大壩嚴格實施質量安全評價,實時監測大壩運作情況,從而避免大壩潰壩事故發生。

本文提出一種高效的大壩防滲透破壞評估方法,對大壩結構與防滲體參數進行研究,構建大壩滲流安全評價方法。同時,考慮外部因素對大壩影響,結合貝葉斯法與工程類比法,構建大壩安全評估模型,實現對大壩安全的有效評估。研究結果可對大壩的維護與安全運營提供重要參考。

1 復合地基壩防滲透安全評估模型構建

1.1 復合地基壩滲流量模型構建

在水利大壩風險研究中,由于大壩的類型、功能等差異,大壩失效概率也存在差別,對大壩的安全風險評估也將面臨諸多困難。受到不同風險因素的影響以及大壩本身工藝技術的差異,不同的潰壩風險在研究中存在一定的關聯性,這種關聯性也給大壩的質量安全分析造成困難[1]。本研究主要以超薄復合型地基壩體為研究對象,針對常見壩體遭受滲透破壞后的失效性展開研究。常見超薄型復合地基壩斷面見圖1。

圖1 常見超薄型復合地基壩截面圖

常見超薄型復合地基壩通常屬于非均質分區壩,該類壩體以超薄防滲體居多,并且應用廣泛[2]。超薄防滲體中,通常采用混凝土面板、土質心墻、混凝土防滲墻等形式進行壩體防滲。同時,為了保障壩體具備足夠的力學性能,壩體地基采用復合型結構進行壩體加固,壩體地基建有基巖層、覆蓋層、防滲墻等,以提高壩體防滲能力。

在一些較大的土石壩工程中,一般會設置量水堰來監測壩體滲漏情況。但量水堰處于覆蓋層時,覆蓋層可能并未設置截水墻,影響量水堰對壩體滲水情況的判斷。同時,防滲體內的流體分布較為復雜,在水庫內部可能出現不均勻的集中滲流問題,為了方便對壩體安全的評估,不考慮防滲體特殊接觸面缺陷。在壩體實際流量計算中,若水庫位置上的防滲體并未出現滲流問題,則在實際計算中也并不考慮該部分計算[3]。假設防滲體下游側面水頭與壩后水位一致,需要對壩體與防滲體之間的防滲差異進行考慮。一般認為水流集中減弱在大壩防滲體內,水位由壩前向壩后逐步降低。認定防滲體內的中軸線與流向為正交關系,并且符合均勻滲透,則壩體滲流滿足達西定律。

因此,對壩體防滲性分析采用笛卡爾構建直角坐標,其中壩軸線由左至右為正向X軸,壩體上游至下游為正向Y軸,壩體豎直向為Z[4]。定義壩體上下游水位分別為Hu與Hd;防滲體軸中心正交向厚度為LY(l),表示壩體防滲體工程多道防滲體總和厚度;壩體順軸向寬度為WX(l);長度坐標函數l與豎向坐標z表示防滲體的寬度與厚度[5]。壩體壩頂至壩底深度s計算公式如下:

式中:nup為上游面坡比。

在高程為z的上游側防滲體,某段高度為dz防滲薄層位置,見圖2。

圖2 超薄復合型地基壩縱斷面

當壩體薄層防滲體在下游水位之上時,有(Hd-z)<0,此刻水頭承受差為(Hu-z);當體薄層防滲體在下游水位之下時,此刻水頭承受差為(Hu-Hd)。由達西定律,可以得到該薄層防滲體位置平均水力梯度,公式如下[6]:

i=H(l)/LY(l)

(2)

式中:H(l)為高程z位置的水頭差。

通過對整個防滲層積分處理,得到防滲層滲流量。

在實際壩體滲透破壞風險研究中,復合地基壩體由于施工、材料等因素,會導致壩體存在一定的質量缺陷,這些缺陷將通過壩體滲流量反映出來。同時,壩體的缺陷問題會以集中的位置反映,并不會規律性分布[7]。因此,尋找缺陷位置較為困難,而通過壩體滲透情況,可清楚得到壩體的安全狀態。

1.2 復合地基壩綜合安全評價模型構建

由于工藝、外界作用力以及材料老化等因素,大壩質量問題不可避免。同時,大壩的風險等級由大壩出現潰壩概率以及所造成的后果所決定。根據相關資料反映,非確定性的分析技術在水利工程安全評價中有出色的表現[8]。因此,在大壩滲流模型的基礎上,還需要結合失效率評價,針對大壩滲透風險提出一種量化評價方法,從而更直觀地評價復合地基壩質量安全。

在水利大壩安全質量評估中,失效概率值可以更直觀評價工程的安全等級?？紤]到大壩質量安全評估缺乏有效的潰壩評估數據,因此引入失效率來直觀反映大壩質量,并結合貝葉斯法與工程類比法,提出一種復合地基壩綜合安全評價模型。水利大壩在建設中具有明確的技術規范性要求,不同地區由于環境與使用差異,水利壩體工程技術要求存在差異。根據國內工程技術規范要求,將水利建筑質量安全劃為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等級,在壩體工程中1至3等級壩體所對應的坡度失穩失效概率分別為4.2、3.7與3.2。水利建筑3個等級按照100年使用年限來設計,其余建筑為50年設計。表1為水利建筑失效率結果[9]。

表1 水利建筑每年失效率目標值

在水利壩體工程中,國內水壩建設主要以Ⅱ、Ⅲ等級為壩體建設的標準,Ⅱ、Ⅲ等級能夠有效反映出大部分水利工程的設計失效目標概率。因此,選擇表1中等級Ⅱ失效概率作為壩體工程的設計失效目標概率。同時,在實際壩體質量評估中,工程建設質量、環境運作情況也會對壩體的滲透破壞評估造成影響[10]。因此,在實際評估中會參考工程監測資料,定義復合地基壩初始滲透破壞失效率與年設計失效概率一致,公式如下:

pseepageinital=pD-2·fc

(3)

式中:fc為由專家以及工程建設工藝所決定的修正系數;pseepageinital為壩體工程基準失效概率;pD-2為滲透破壞失效率。

根據國家水利工程相關要求以及專家團隊來明確壩體修正系數。在壩體安全評估中,對于滿足正常要求的壩體工程,定義修正系數fc=1;對于不滿足標準失效率的壩體,作為病壩,修正系數fc=10;對于具有較大風險的壩體,修正系數fc=100。pseepageinital可作為壩體工程質量評估的重要指標,但引入的目標失效率過低,壩體工程在較短的幾個月或者幾年間,運作參數并不會影響到后驗概率[11]。因此,需要引入綜合計算方法,以修正壩體工程實際運作下的滲透破壞失效率[12]。

綜合計算法是由工程類比法與貝葉斯理論相結合的一種壩體滲透破壞失效率修正方法。在對壩體滲流狀態的評估中,可以通過防滲系數以及滲流量來反映。在對復合地基壩的評價中,引入滲流量指數Z來對不同環境作業下的70座壩體運作數據進行統計,得到壩體滲流累計曲線,見圖3[13]。

圖3 壩體綜合滲透累計概率曲線

根據對多座壩體工程參數的調查,通過工程類比,可得到壩體工程滲漏量的標準范圍。但工程類比法僅考慮壩體工程內橫向比較,壩體工程歷史運作并未考慮[14]。因此,在此基礎上,引入貝葉斯法修正問題。貝葉斯法中,通過假定變量對假設概率進行更新的一種研究策略,通過對壩體經驗數據以及主觀判斷,可以得到一個更為客觀的計算結果[15]。

根據貝葉斯計算原理,可在壩體歷史監測數據中,引入年計算的滲透破壞損失目標值,通過假設先驗分布情況,計算得到后驗概率,用于評估復合地基壩實際年滲透破壞失效結果,從而完成對壩體質量安全的評估。

2 壩體安全評價案例分析

2.1 工程概況

選擇甘肅地區某水利發電工程為研究對象,該水電水庫容量為46.56×108m3。水利壩體工程在我國行業規范中,屬于Ⅱ安全等級水利工程。壩體到壩頂高程500m,壩頂長度1 564m,坡高最大為468m。大壩采用復合地基結構,大壩主體處于砂卵石覆蓋層之上,在壩體斜墻區域設置1.4厚度的混凝土加固防滲墻。大壩結構見圖4。

圖4 復合地基壩結構

2.2 混凝土地基壩試驗分析

為了檢驗綜合安全評價方法在復合體地基壩質量安全評估中的應用效果,以滲流量反映壩體的質量狀態,選取2020年試驗壩體底部與中部兩個重要位置,監測滲流量變化,見圖5。

圖5 復合地基壩不同位置滲流量預測結果

圖5為兩種監測方法在壩體滲流量預測中結果。壩體由于施工工藝以及選材因素,不同壩體之間防滲效果存在明顯差異。我國對壩體工程選擇的防滲墻材料有明確規定,滲透系數應小于1×10-5cm/s。因此,在滿足標準下,對試驗壩體工程壩底與壩中兩個重要位置進行滲流量監測評估。

由圖5(a)可知,在監測的5、6、7、8月份,壩體底部滲流量明顯增多。主要原因在于夏季雨量增多,水庫蓄水量增大,影響壩體的水流量結果。以7月份監測數據曲線來看,傳統的材料系數滲流量預測結果為64.45L/s,綜合法滲流量預測結果為30.25L/s,實際監測滲流量為31.54L/s。整體來看,綜合法對壩體滲流量的監測正確率為94.65%,而材料系數滲流量監測準確率為64.56%,綜合法監測效果明顯更好。

由圖5(b)可知,中部與底部相比,整體壓力降低,滲流量明顯減少,同時滲流量也主要集中于5-8月份期間。根據壩體滲流量監測曲線來看,材料系數預測法在壩體滲流量監測中有較大的誤差。主要由于該方法并未考慮流速以及外部作用因素的影響,在整個滲流量監測中準確率僅為58.65%,無法滿足要求。綜合法在壩體中部位置的滲流量監測準確率為95.67%,可見綜合法明顯優于傳統的材料系數法。

為了更進一步檢驗綜合法在壩體質量安全中的監測效果,還需要通過滲透破壞失效率來反映壩體整體質量,見圖6。

圖6 復合地基壩計劃目標年滲透破壞失效概率結果

由圖6可知,試驗選取了試驗壩5年的統計數據,來反映壩體年均滲透破壞損失效率結果。水位變化會對年均滲透破壞失效率造成影響,在2016年1月初,壩體工程剛投入使用階段,年均損失破壞失效率與上游水位均在較低范圍。在2017年后,水位達到460m以上,年均損失破壞失效率為10-5。同時,在后續幾年對壩體進行維護,年均損失破壞失效率維持在10-5上下。圖7為復合地基壩計劃目標年滲透破壞失效概率。

圖7 復合地基壩計劃目標年滲透破壞失效概率

圖7結果顯示了3種壩體質量評估方法的年均滲透破壞損失效率。圖7(a)為滲流量與水位變化間的關系結果,根據趨勢結果可以看出,水位與滲流量是正比關系,水位增加,滲流量擴大。圖7(b)為3種方法得到年均損失破壞失效率結果。由結果來看,類比法與貝葉斯法均能反映出壩體工程在運營使用中的滲透破壞失效概率,但綜合法考慮到歷史統計數據的影響,綜合了另外兩種方法的特點,更能直觀反映出工程實際監測情況,與圖6實際結果接近,滿足壩體質量評價要求。

3 結 語

本文以超薄復合地基壩質量安全為研究對象,對壩體滲透破壞特點進行研究,并構建滲流量模型?？紤]壩體受水位與時間周期影響,提出一種綜合性方法,完成對壩體年均滲透破壞損失效率的分析。與傳統材料系數法相比,在壩體中部滲流量監測中,綜合法準確率為95.67%,高于傳統材料系數法的58.65%。同時,對試驗壩體年均滲透破壞損失效率進行監測。與實際數據相比,綜合法結合了貝葉斯法與工程類比法的優勢,能準確反映出壩體實際運行狀態,可更準確評估壩體質量安全。