罗海兵

(湖南省洞庭水电咨询监理有限公司，湖南 长沙 411228)

1 概述

一般来说，对于一个堤防工程，从设计、施工到后期的防洪运营、堤防安全评价都是其中的重要组成部分，它既是对堤段的防洪能力的评价，又是对堤段抗风险能力的评价。由于我国地域辽阔，江河湖海众多，且人口居住面积较大，因此全国的堤防工程长度较大且保护范围较广。自从1998年洪水以来，我国注重水利行业发展，大修水库的同时也开始大量修建堤防工程。据统计，目前我国已建江河湖海的堤防总长已经超过了35万km，保护人口已超过6.3亿，而且还有逐年增加的趋势[1- 3]。如此大量的堤防工程是对人们安全的重要保障，其安全运营关乎大局，一旦失事，将给国家和人民带来难以估量的损失，因此开展堤防工程安全评价工作势在必行。

陵水左岸堤防加固工程位于湖南省中南部衡阳市衡阳县，是衡阳县防洪系统的中枢部分。当地属中亚热带季风湿润气候，每年从3月开始进入多雨季，河流水位的增加会造成多种不利的水利因素。根据现场工程地质勘察情况，堤基地层主要为粉质黏土，堤身主要为黏土和素填土，且有局部堤段为粉砂层，由于粉砂有着层位稳定、厚度大且具有中等透水性和液化等特质，常常容易在汛期高水位的时候出现坍塌、管涌、渗透等情况。在衡阳市曾经出现过因水位超过警戒线多日后，由于内河洪水位上涨，造成堤防溃决，最终对该区域造成严重的经济损失。而该事件发生的主要原因就是堤身和堤基中存在有较厚的透水层，即上文提到的砂质土，后期为了消除隐患，衡阳县水利局对该区域堤防进行了加固处理，并需要重新对该工程进行风险评估。衡阳县陵水堤防断面图如图1所示。

风险是一种用来评价工程中不确定因素造成工程失稳的方法和手段，它依托于岩土工程和结构工程，是这些工程的一种先天特性[4- 5]。一些传统的安全评价方法常常无法考虑到堤防工程在运营过程中的不确定性，而无法对其安全性进行准确评价。本文利用结构可靠度以及概率论等统计学研究手段，将风险考虑到堤防工程安全评价中，根据工程失稳的一些主要因素，分项进行失事模式的风险概率计算，得到综合风险评估指数，采用理论与实践相结合的方法对堤防工程进行安全评估，对于实际工程的安全评定有一定的借鉴意义。

图1 衡阳县陵水堤防断面图

2 分项失事风险概率计算

根据对陵水堤防安全失稳的分析，将堤防左岸失稳的主要因素分为水文、渗透、边坡失稳和地震液化四个部分，同时对四个失事模型分别进行专项分析，在现场进行标准贯入试验，并根据对现场地基和堤身土体进行取样，进行渗透试验、剪切等试验，得到和各个影响因素有关的一些参数特征，这些参数将作为各个风险成分的参考依据。渗透破坏风险随机变量统计特征表见表1，滑动失稳风险随机变量统计特征表见表2。

表1 渗透破坏风险随机变量统计特征表

表2 滑动失稳风险随机变量统计特征表

2.1 DikeRisk风险概率程序开发

为了得到能够适用于该工况下的渗透破坏失事风险率表达式，利用Geostudio和VB进行程序二次开发，得到了适用于堤防失事风险率计算的普适程序DikeRisk,,其主要功能为：

(1)能够利用所给定条件计算堤防单元洪水漫溢和漫顶的失事风险率及其与洪水位的关系，最后得到水文综合概率随洪水位的关系。

(2)能够利用响应面抽样法，计算堤防单元渗透破坏下的失事概率及其与洪水位的关系。

(3)能够计算静力作用下，堤防单元滑动破坏下的失事概率及其与洪水位的关系。

(4)能够计算震动条件下，堤防单元因砂土液化而失稳的概率及其与洪水位的关系。

(5)通过对上述各项条件下的堤防失稳概率进行综合处理，得到综合失稳概率与洪水位的关系。

2.2 水文失事风险率

因为该地区洪水资料较为匮乏，为了考虑到洪水位，假定地区洪水位为简单的正态分布，同时利用该工程的校核洪水位为百年一遇的标准，即11.5m，由此得到洪水位高程概率密度为：

(1)

式中，h—堤防临水面洪水位。

该地区因堤防河面较为狭窄，堤顶垂直距离不到19m，堤防水文失事主要为洪水满溢和洪水漫顶两种情况。根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》及相关文献，可以得到堤顶垂直距离100m为判别洪水漫溢和洪水漫顶的临界值，本工程堤顶垂直距离为19m，若为水文失事，该地区左岸堤防应主要为洪水漫溢造成的失事，而不会是洪水漫顶所造成的。根据洪水漫溢的概率密度公式得到左岸堤防在水文条件下失稳的风险率为：

(2)

式中，h0—堤顶高程。

根据以上风险率计算公式，并将堤顶高程代入式(2)，得到该提防工程左岸水文失事风险率为1.52%。

2.3 渗透破坏失事风险率

根据工程当地的一些调查情况，陵水左岸堤防由于其背水面的地下水位常年处在6～6.5m范围内，而通过查阅资料可知：当洪水位低于6m时，堤防工程发生渗透破坏和滑动失稳两种破坏的概率都是非常小，因此将计算中的最低洪水位值取为6m。由于渗透破坏失事的概率公式常常没有直接的理论表达式和经验表达式，将该洪水位从堤防底部到顶高程分为多个工况进行计算，并拟合得到堤防在各个工况下的渗透破坏失事概率分布函数为：

(3)

式中，h1—起始水位；h2—最高洪水位；A1，A2，A3；x0—参数，取值见表3。

表3 A1，A2，A3，x0取值表

利用式(3)和表3中的参数，带入不同洪水位高度，可以得到不同洪水位下堤防在加固前和加固后的渗透破坏风险率及其与内河洪水位的关系曲线，如图2所示。

图2 堤防渗透破坏风险率随洪水位变化图

从图2可以看出，在内河洪水位不断增大的情况下，加固前和加固后的风险率都随之呈增大的趋势，且前期增大缓慢，直到洪水位到达各自的临界值后，风险率开始急剧增大，说明高水位下地方极易发生渗透破坏的安全事故，需要严加防范。

对比加固前和加固后的堤防渗透破坏风险率，发现堤防在加固后，在高水位下的风险率明显低于加固前。此外，堤防加固后的临界洪水位也相对于加固前有了较大幅度的滞后，从之前的9.7m增大到了10.6m，说明加固后的堤防更不易发生渗透失稳了。

2.4 岸坡滑动失稳风险率

采用相同的方法，将洪水位分为多个工况，并利用之前的DikeRisk岸坡滑动失稳计算程序，得到各设计工况下岸坡滑动失稳的概率，并拟合得到堤防在各个工况下的滑动失稳条件概率分布函数为：

(4)

式中，h1—起始水位；h2—最高洪水位；A1，A2，A3，x0—参数，取值见表4。

表4 A1，A2，A3，ω取值表

利用式(4)和表4中的参数，通过计算得到不同洪水位下的因为堤防岸坡滑动所造成堤防失稳的风险率及其与不同的洪水位之间的关系曲线，如图3所示。

图3 堤防滑动失稳风险率随洪水位变化图

从图3中可以看到，加固前和加固后堤防岸坡滑动破坏风险率都随着洪水位的增大而增大，不过加固前的风险率在整个过程中都增加的较快，而加固后的岸坡滑动风险率在后期增大较慢，有明显的稳定趋势。洪水位为9.7m的时候，加固前的风险率为0.802%，而加固后的风险率为0.613%，有很大幅度的下降。以上情况说明在堤防进行加固措施后，其抗滑稳定性有了很大程度的提升，堤防的抗风险能力有了很大的强化作用，特别是降低了滑动破坏风险率在洪水位上的敏感度，对于最高洪水位12.1m的情况下，加固后的岸坡滑动风险与加固前相比，降低了34.9%

2.5 震动液化失稳风险率

在动力荷载或者震动的作用下，砂土有可能发生液化现象，是饱水的疏松粉、细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象。对陵水左岸堤防工程来说，虽然加固后有进行一些改良，但并没有对堤防原有堤身和堤基中的砂土类别和性质进行改变，因此可以假定砂土液化概率相比之前没有改变。利用之前的回归拟合方法得到陵水堤防砂土液化风险率为：

(5)

式中，A1，A2，A3，h0—依次取0.1324，0.1477，8.044，17.31；Pe—该地区地震发生的概率，根据从1300年到目前的地震历史记载取0.031%。

根据式(5)计算出不同洪水位下的堤防砂土液化失稳风险率，如图4所示。

图4 陵水堤防砂土震动液化风险率随洪水位变化图

从图4可以看出，随着洪水位的增大，堤防砂土震动液化风险率随之增加，然而其增长速率随着洪水位的增大而逐渐降低，呈衰减态势；砂土震动液化的风险率对于洪水位的敏感性并不是很高，在最大洪水位的情况下，陵水左岸堤防砂土震动液化风险率为0.733%。Juang[7]曾从概率的角度分析砂土震动液化对于工程场地的影响，据此分析得出陵水左岸堤防砂土几乎不可能出现液化现象，该项风险为可承受的。

3 综合风险率计算成果分析

根据前面的风险率模型，并利用回归的方式得到了渗透失稳、岸坡背水面滑动和砂土震动液化的风险率与洪水位的关系，将这几个因素进行综合分析，得到综合失稳率与洪水位的关系曲线，如图5所示。

图5 堤防综合失稳风险率随洪水位变化图

从图5可以明显看出，堤防综合失稳风险率与洪水位之间表现出一种单调递增关系，但这种关系是非线性的，具体表现为3个阶段：①缓慢增加阶段，该阶段的堤防失稳风险率随着洪水位的增加而缓慢增加，且增长速率逐渐降低；②转折阶段，该阶段风险率随着洪水位的增长率从一个较低的水平上升，曲线变陡；③急剧上升阶段，风险率随着洪水位增大呈非稳定上升，大部分的堤防失稳便发生在该阶段。对比堤防加固前和加固后的曲线发现，在第一阶段，加固前的风险率与加固后的风险率大致相等，说明该时期加固措施在堤防抗风险上并没有实质性的作用，在进入第二阶段后，加固后的综合失稳风险率开始相对加固前有了较为明显的降低，且其降低幅度随着洪水位的增大而增大，说明加固措施确实对于堤防有一定的防洪加固作用，如最高洪水位12.1m时，加固后的综合失事风险率比加固前降低了约26.4%。加固前的临界风险率为2.275%，对应的洪水位为9.7m，而加固后的临界风险率为1.592%，即为风险允许值，对应的洪水位为10.6m。

若将洪水位提高为堤顶高程，这个时候的堤防综合失稳风险率将除了渗透失稳风险率以及岸坡背水面滑动的风险率和震动液化的风险率这三者之外，还将会加入水文失事风险率，此时在图5中所表现出来的为在洪水位12.1m处出现一段阶跃。图5给出了加固前和加固后的阶跃风险率分别为6.26%和4.90%。

4 结论

通过建立堤防系统失事风险率模型，并结合陵水左岸某提防工程，对不同失效模式下的堤防风险率进行了分析，得到如下结论：

(1)当洪水位低于10m时，堤防失稳风险率对洪水位的敏感度较低，但当洪水位高于9m时，堤防失稳风险率对洪水位的敏感度非常高，两者表现出非常明显的非线性关系，因此应该在洪水位到达该临界值的时候进行风险预警，并及时的采取防治措施，避免风险发生。

(2)陵水堤防采取加固措施后，堤防综合失稳风险率所对应的洪水位临界值由原来的9.7m提高到10.6m，说明陵水左岸堤防的加固措施是合理和有效的。

(3)加固前的临界风险率为2.275%，加固后的临界风险率为1.592%，即为风险容许值，这些值可以在整个陵水堤防工程的风险评估中进行推广，为陵水的汛期堤防安全提供参考。