堤防工程堤基渗流安全评价方法

2019-10-231212

长江科学院院报 2019年10期

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(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010； 2.长江岩土工程总公司(武汉),武汉 430010；3.西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院, 拉萨 850004)

1 研究背景

堤防工程是抵御洪水泛滥的主要措施，是保护居民生命财产安全和工农业生产的最后屏障。据水利部规划计划司统计，截至2017年底，全国已建成5级及以上江河堤防30.6万km(2011 年以前各年堤防长度含部分地区5级以下江河堤防长度)，全国已建成江河堤防保护人口6.1亿人, 保护耕地4.1×107hm2[1]。尽管我国在水利建设方面取得了很大的成就，我国防洪形势仍十分严峻，洪水灾害仍时有发生，如1954年长江、1963年海河、1975年淮河、1991年长江和淮河、1994年珠江、1995—1996年湘、资、沅水及赣江、1998年长江及松花江等相继发生大洪水，经济损失均以千亿计。特别是1998年的特大洪水，造成了巨大损失，受淹面积6 610 km2，受灾人口2.3亿，直接经济损失达2 600多亿元[2]。据统计，1998年发生的长江流域全流域特大洪水，汛期长江流域堤防工程共发生各类险情73 825处，其中管涌26 005处、漏洞16 421处、散浸8 333处、脱坡13 494处、崩岸493处，涵闸出险2 554处、跌窝886处、其他险情3 408处[3]。我国长江中、下游现有干堤超过3 600 km，是经几百年，甚至上千年逐年加高培厚形成的，存在填筑用料混杂、碾压密实度不均匀、新老堤身结合面以及堤身与堤基结合面不紧密等问题，加上堤基地质结构复杂，前期地质工作薄弱，对堤基工程地质条件了解不够，每年汛期堤身、堤基和岸坡险情不断。1998年长江流域特大洪水期间，长江干堤发生的重大险情达698处，而堤基的“渗透破坏”险情就占52.4%。因此对堤防工程进行安全评价在堤防险情的预测、治理方面具有重要指导意义。

堤防的安全评价是对堤防工程进行的安全评估工作，目前在进行堤防的安全评价工作采用的方法主要是根据《堤防工程安全评价导则》(SLZ 679—2015)规范进行定性的评价。由于影响堤防安全的主控因素繁多，且主控安全因素具有很多的不确定性，使得最后的安全评价结果不可避免地具有不确定性。如何根据堤防险情的发生机理结合工程实际情况对堤防的安全进行评价，尤其是具有可操作性地进行定性甚至定量的评价对于地质工程师具有重要的现实意义，进而有针对性地为工程处理方案提供地质依据。

在进行堤防的安全评价工作中，堤防工程安全影响主控因素即评价指标的确立是堤防安全评价的基石，要对堤防工程的安全状况进行准确的评价必须对所确定的评价指标进行明确的评估。但是，评价指标对最终的安全评价的“影响程度”往往是十分抽象的具有模糊特性的概念，难以具体操作，因此需要对评价指标做出能进行定量描述的处理，也就是说必须将每个评价指标的“影响程度”进行赋值划分，然后构造一个堤防工程安全影响指标评价等级的集合，最终递进得到安全评价结果。

2 堤基渗透变形的主要表现形式及其发生机制

2.1 堤基渗透变形的主要表现形式

目前国内学术界比较一致的观点认为，渗透变形主要包括以下4种形式，即管涌、流土、接触冲刷、接触流失[4-5]：

(1)管涌。在渗流作用下，无黏性土中土体细颗粒沿骨架颗粒形成的孔隙移动形成通道，水在土孔隙通道中的流速增大引起土的细颗粒被连续冲刷带走的现象即为管涌。管涌险情一般发生在堤防的砂性基础部位。

(2)流土。流土为在上升的渗流作用下，当渗透坡降超过土体允许坡降，局部土体表面隆起、浮动、膨胀、断裂的现象。流土险情通常发生在黏性土的渗流溢出且无任何保护措施的部位。

(3)接触冲刷。当渗流沿着渗透系数相差较大的土体或者建筑物与土体的接触面流动时，接触面附近的细颗粒土体被水流顺层面带走的现象即为接触冲刷。

(4)接触流失。当渗流垂直于渗透系数相差较大的土体的接触面流动时，水流将渗透系数较小地层的土体中的细颗粒带入渗透系数较大地层中的现象即为接触流失。

洪水来临时，堤基渗透变形的表面现象往往是在堤防下游侧出现集中渗流出口，伴随着局部的砂沸、土体翻滚等。我国工程界一般将堤基的渗透变形通称为“管涌”，但事实上，堤基渗透变形实际是流土、管涌、接触冲刷等渗透变形现象的组合。

2.2 堤基渗透变形的发生机制及条件

在工程实际中针对不同的堤基地质结构进行分析，堤基发生渗透变形的机制及条件如下[6]：

(1)堤基上部或全部主要为砂壤土与粉细砂等透水性较强的土层，下部有或无黏性土层，厚度或厚或薄，其结构见图1(a)。在渗流作用下透水性较强的土层中细颗粒被粗颗粒沿着空隙间带出，形成管涌险情，威胁堤防工程安全。在无黏性土产生管涌必须具备2个条件:①土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒直径；②渗透力能够带动细颗粒在孔隙间移动。

(2)堤基下分布有砂壤土与粉细砂等透水性较强土层，上部粉质黏性、粉质壤土等相对隔水层厚度较薄(一般<5 m)，堤内外黏性土盖层厚度亦较薄，其结构见图1(b)。砂性土贯通堤内、外，汛期在高水位的水头压力下，江水沿透水通道向堤内渗透，并将堤内盖层破坏或击穿，导致出现流土或管涌。此类险情的进一步发展，将使堤基和堤脚土体不断被水流带走，最终导致大堤溃决。

(3)堤基上部主要为黏性土，厚度>5 m，下部为砂性土层，但堤内外盖层较薄，外滩较窄或堤内存在深切水渠，其结构见图1(c)。汛期在高水头压力下，江水沿下部砂性土层向堤内渗透，如堤外无滩或为窄外滩，则渗径更短，堤内侧不远处盖层被破坏，导致堤脚不远处出现散浸、流土、管涌，或在深切水渠、渊塘内产生管涌群等险情。

图1 堤基渗透破坏险情的发生机制

3 安全评价体系建立

安全评价是指对一个具有特定功能的工作系统中固有的或潜在的危险及其严重程度所进行的分析与评估,并以既定指数、等级或概率值做出定量表示,最后根据定量值的大小决定采取预防或防护对策[7]。

堤防工程堤基渗流安全评价体系的建立思路可以分为2个步骤：

(1)确定影响堤基发生渗透破坏险情的主控因素，通过堤基发生渗透破坏的机制以及以往工程经验，发生渗透破坏险情的主控因素繁多，大体上可以分为内部因素和外部因素2类。

(2)建立主控因素与评价目标的关联隶属关系，即建立一个“评价集”，将各层评价指标按流程排列，得到一个最顶层为最终评价目标、中间层为各评价信息层、最下层为方案层的评价体系。

此体系中每两个相邻上下层之间都具有关联隶属关系，每一级都是其下一级的评价信息源，而评价信息层中的每一因素与其他因素也存在着权重的比例关系，如此逐一评价各评价因素与最终的方案层的递进关系，最终就可以得到堤防工程安全评价结果。所以建立堤防工程的安全评价体系结构即建立一个多层次、动态变化的网络体系结构。

综合分析堤防工程堤基渗透破坏的机制可知，堤防工程堤基渗透破坏主要与堤基的材料特性及力学特性有关，如堤基的地层结构、黏粒含量以及渗透系数等条件。这些因素直接决定堤防渗流速度，由砂土、砂壤土等渗透系数较大地层组成的堤基较黏性、壤土等黏性土分布的堤基更容易发生渗透变形。此外，洪水期间的河流水位与堤内地下水位高差(在没有防渗措施的情况下)、堤基多种隐患以及波浪对堤防临河侧面强烈的冲击作用，对堤基产生的淘刷作用等都是堤基发生渗透破坏的主要原因。所以堤基渗透破坏险情发生的主控因素分为内部因素和外部因素：内部因素主要有堤基的地质条件(地层结构、黏粒含量、渗透系数、临界水力坡降)等；外部因素主要包括水文条件(堤外河水位与堤内的地下水位差值)、堤内的微地貌(有无沟渠、坑塘、钻孔等)、外滩宽度、深泓切割程度、堤基防渗墙等渗流控制措施等因素[8]。

安全评价体系中的最下面的方案层的确定原则，根据《堤防工程安全评价导则》(SLZ 679—2015)，我国目前在进行堤防安全综合评价时是通过收集影响堤防安全的因素，定性地将堤防安全等级划为3类：Ⅰ类为安全，Ⅱ类为基本安全，Ⅲ类为不安全。这仅仅是定性地对堤防的安全性进行分类，具体到每种险情没有根据其主控因素进行详细的研究，更没有定量化，所以如何建立主控因素与方案层的评价递进关系是定量化安全评价的关键所在。

对于多因素、多方案的复杂的决策问题，目前比较适合的解决方法就是使用层次分析法进行决策[9]，其基本原理如图2所示。

图2 层次分析法基本原理

层次分析法关键的步骤在于将实际问题分解为多个主控因素，然后确定各因素对于最后的评价结果的重要性(通过赋值)；根据此思想，我们将通过层次分析法来建立堤防工程堤基渗流安全评价体系，模型如图3所示。

图3 堤基渗流安全评价模型

层次分析法的分析步骤为：

(1)建立层次结构模型，通常为目标层、准则层(指标层)、决策层(方案层)共3层。

(2)构造成对比较矩阵。在准则层中，同一层的每个因素C1，C2,…,C8等根据专家主观经验赋值法构成模糊判断矩阵，求出其权重指标，再根据每个主控因素的权重指标进行1—9比较尺度(重要性相同取1；略重要取3；重要取5；重要得多取7；极其重要取9)的成对取值，如C1比C2略重要则C12=3(C21=1/3)。

(3)利用准则层中的每一个主控因素分别和决策中的3个方案进行比较尺度的取值(重要程度或评价结果)，并计算权向量，例如堤基地层结构C1对于“安全”、“基本安全”、“不安全”3种结果的权向量。

(4)计算组合权向量，最后结合步骤(2)和步骤(3)计算组合权向量，计算式为

wz(yi)=uiwi(yi) 。

(1)

式中：yi为主控因素Ci和决策层中的3个方案比较尺度的对比矩阵；wz(yi)为决策层中每个方案的最终综合权向量；ui表示主控因素Ci通过专家赋值后构成判断矩阵得出的权重指标;wi(yi)表示主控因素Ci与决策层方案构成的对比矩阵计算的权向量，根据组合权向量的结果进行最后方案的决策。

4 工程实例

下面以荆南长江干堤JNJK511+480桩号处险情为例，利用层次分析法建立堤防工程堤基渗流安全评价体系。

荆南长江干堤JNJK511+480桩号处于1998年7月25日发生堤基管涌险情，为单个管涌，溢流口在距离内堤脚40 m处，在内平台上一低洼地，溢流口高程31.5 m(高程均为黄海高程,下同)。溢流口鼓花带浑水,未形成砂盘。出险时江面水位高程36.2 m。

出险段堤顶高程37.8 m，堤顶宽度6.5 m，堤内坡比1∶3，堤外坡比1∶2.5，堤内有一宽约30 m的戗台，戗台高程31.8 m。堤基地层自上而下分述如下：表层为厚约1.3 m的灰褐色粉质壤土，呈可塑状，具蜂窝状结构；第2层为厚约6.2 m的灰黄色、灰褐色粉质黏性土，呈可塑状；第3层为厚约2.3 m的灰褐色粉质壤土夹砂壤土，黏性土呈可塑状，砂壤土夹层厚约0.2 m，中密结构；第4层为灰褐色粉细砂夹砂壤土及粉质壤土，砂呈中密结构，堤顶孔深28.6 m的钻孔未揭穿该层；堤内戗台下卧一层厚约1.3 m的粉细砂，向堤外方向尖灭，堤顶钻孔未揭露该层。堤内地面高程29.6 m，堤外地面高程32.4 m，堤内距堤脚72 m为一池塘。

该段河势为凹岸迎流顶冲段，深泓贴岸，其深度及变化情况不明，河滩宽度约100 m，在出险前未进行堤基防渗墙等防渗措施。出险段堤防工程地质横剖面如图4所示，堤基土体相关物理力学参数见表1。

图4 出险段工程地质横剖面

土层名称含水量w/ %干密度ρd /(g·cm-3)孔隙比e渗透系数K/(cm·s-1)临界水力坡降粉质黏性土31.51.460.874×10-6～2×10-51.75～2.00粉质壤土30.61.480.852×10-5～4×10-50.85砂壤土22.41.560.779×10-4～3×10-30.70粉细砂21.71.630.653×10-4～3×10-30.40

根据前述分析，该段堤基发生渗流破坏险情的主控因素包括：①堤基地层结构；②主要地层的渗透系数；③主要地层的临界水力坡降；④堤内外水位差；⑤堤内微地貌；⑥外滩宽度、⑦深泓切割程度、⑧堤基防渗墙等渗流控制措施等因素。

在进行主控因素的赋值时，我们采用“专家主观经验赋值法”[10]，即首先通过4位专家对8个主控因素进行主观赋值，生成判断矩阵，假设8个主控因素依次为C1—C8，各主控因素的重要性用rij表示，当rij=0.5时，表示评估指标Ci与Cj同样重要；当rij>0.5时，表示评估指标Ci比Cj重要，反之亦然，由模糊关系可知，1-rij=rji。本工程中堤防工程安全评估指标域C={C1,C2,…，C8}，建立两两比较重要程度的模糊评判矩阵R，即

则专家1—专家4给定的判断矩阵分别为R1,R2,R3,R4。

对上面4个专家给定的模糊评判矩阵进行权重指标计算，求得的每一主控因素的权重指标为

ui=(0.341,0.161,0.066,0.192,0.083,

0.061,0.061,0.030) 。

根据求得的主控因素的权重指标按照步骤(2)进行比较尺度的成对取值，形成比较矩阵R，即