防洪堤的可靠性设计方法探讨

李帅

【摘要】目前堤防安全分析方法多为定值分析的方法。长期实践证明是一种有效设计方法，但是该方法最大的缺点就是没有考虑实际存在的不确定性因素（包括荷载效应和抗力等不确定性）的影响。特别是对于堤防工程，堤身土质不均匀、堤基地质条件差以及我国现有的堤防多为历史上多次修建、破坏、再修复加固而逐渐形成的因素，导致堤防土层分布及土工参数变异性大，存在很大的不确定性，这就使得堤防的安全评价方法得到安全系数的大小但并不能完全确切地表征工程的安全程度。本文主要对防洪堤的可靠性设计方法进行分析探讨。

【关键词】防洪堤；可靠性；设计方法

1、前言

由于受到堤身断面形状、堤身填土性质、堤基地质、水文、地形和施工条件等诸多因素的影响，堤防在汛期往往出现漫顶、堤身（基）渗透破坏、堤身滑坡等险情。概率设计方法将结构的多种参数作为随机变量，可根据不同堤防结构重要性程度采取相应设计，无疑有其先进性和科学性。因此，以概率理论为基础的可靠性设计方法在国内外均得到较快的发展，这为岩土工程的设计开辟了新的领域。

2、堤防综合失事风险率计算模型

若将整个堤防的可靠性问题视为一个系统，则该系统由3个子系统构成：水文失事可靠性子系统、堤防抗渗稳定可靠性子系统和堤防整体抗滑稳定可靠性子系统。运用系统可靠性分析的基本原理，将堤防的失效概率与各子系统的失效概率，乃至与各种极限状态的失效概率，建立某种联系，从而为堤防的极限状态设计方法提供依据和设计思路。通常认为，堤防失事风险可以分为水文失事分析和结构失事分析。水文失事风险包括洪水漫溢风险和洪水越浪风险；结构失事风险注意包括渗透破坏风险和边坡滑动失事风险。因此，堤防水文失事风险、渗透破坏风险和堤防边坡滑动失稳风险构成了堤防失事综合风险的主体。

2.1堤段水文失事风险率计算模型

堤防水文失事风险是指堤防在设计、施工和管理运用过程中，由于水文因素的不确定性而引起的风险，可分为洪水漫顶风险和堤防越浪风险。

2.2渗透破坏风险率计算模型

事实上，发生堤防渗透破坏并不等于堤防渗透破坏失事。但由于堤防管涌和渗透问题非常复杂，从安全角度出发，认为堤防发生渗透破坏即为堤防发生渗透破坏失事。渗透破坏风险率的计算模型为：

式中：h1为计算堤防失事风险时规定的最低水位；h2为计算堤防失事风险时规定的最高洪水位，其上限为堤顶高程h0；FJ（h）为给定洪水位H时，渗透坡降J大于临界渗透坡降jk的概率，即渗透破坏条件概率分布函数。

2.3边坡滑动失稳风险率计算模型

堤防边坡滑动失稳风险率计算模型为：

式中：FS（h）为边坡滑动失稳的条件概率分布函数；其他符号意义同前。对于堤防工程来说，不仅要关心高洪水位下背水面的稳定性，还要考虑堤防在低水位时或在退水时临水面边坡的稳定性。因此，堤防边坡滑动失稳风险率计算模型，应考虑背水面和临水面边坡滑动失稳模式。

3、计算条件

3.1工程概况和计算模型

杭州市滨江区南沙支堤位于杭州市滨江区上游段，工程段约3.3km，堤防设防标准为100年一遇。1997年，钱塘江“79”洪水对南沙支堤工程段造成严重威胁，各堤段都出现了不同程度的险情，一些堤段不同程度存在渗透稳定问题，如堤身及堤基渗漏、散浸与管涌等。发生这些问题主要是与汛期高水头，堤身填土碾压不密实或不均匀、空隙比较大，堤基性状、地层结构，堤前滩地宽度、高程等条件有关。

3.2计算参数统计特征

可靠度分析的精度决定于随机变量样本获得的准确性、样本量大小、样本的代表性和概率统计方法的合理性。抗剪强度指标和样本量为18，是小样本，宜采用非参数检验的的K-C检验法，对假设分布进行统计检验，置信区间为0.05。该法的统计量为：

Dn=max|Fn（x）-F（x）|

式中的统计量Dn为临界值，当样本假设分布函数在统计参数条件下，小于临界值，则不拒绝假设统计概率分布，否则拒绝假设统计概率分布。

3.3堤防分项风险率计算

洪水位的不确定性，对堤防稳定的风险性有较大的影响，特别对各种形式的渗透变形，其影响变化更为明显。对洪水的年最高水位的随机变化规律，水文专家们已作了许多分析研究，本文暂不作深入讨论。后续分析中渗透风险率及滑动失稳风险率均按100年一遇设防水位情况下考虑。

3.3.1边坡滑动失稳风险率

一般影响堤防边坡抗滑稳定的不确定因素主要有：洪水位、堤身和基础土质的黏聚力等物理力学性质指标指标。引起土质的物理力学指标不确定性的原因在于：土质物理力学指标的差异，取样、试验和计算等过程中存在着各种各样的误差。然后将各土层参数的标准值及变异系数作为分析计算堤防边坡失稳风险的基础。

3.3.2渗透破坏失事风险率

堤防产生渗透变形的不确定性可分为土质抗渗临界坡降的不确定性和防洪堤内渗透坡降的不确定性。防洪堤土体抗渗临界坡降大小与土质颗粒的大小、颗粒级配及结构、孔隙率、施工质量等因素有关，而这些因素又具有不确定性，势必会使问题复杂化。为简化分析计算，本文分析可直接讨论土质渗透临界坡降的不确定性。其方法是收集土质渗透临界坡降分布范围的资料，并假定其服从三角分布。堤防内渗透坡降的不确定性，可用水力学方法先计算出上下游水位差，然后估算渗径长度及分布范围，并假定其服从三角分布。

3.4综合失事风险率

根据上述的全堤段结构风险评估模型，则每一堤段的总失稳概率可采用串联系统得到。从整体来看，钱塘江南沙支堤段堤防综合失事风险率主要来自边坡滑动失事风险率的贡献；渗透失事风险率对综合失事风险率贡献相对较小，但随着洪水位的增高，其在综合失事风险中所占比重将逐渐增大。在设防标准下，堤防失事风险率为0.15%，相当于可靠度β=2.96。

4、结语

据堤防工程分别按整体抗滑稳定设计和渗透控制设计的不同计算方法，将堤防工程整体系统分为水文失事可靠性子系统、堤防抗渗稳定可靠性子系统和堤防整体抗滑稳定可靠性子系统。运用串并联系统的可靠性理论，采用界限估计法计算堤防的各主要失事模式的失事概率，在此基础上综合评估得到防洪体系的系统失事率。

參考文献：

[1]蒋昕晖，金双彦.江河防洪堤的概率设计[J].华北水利水电学院学报，2000，21（2）：11-13.

[2]张彩双，李俊杰，胡军.有限元强度析减法的边坡稳定分析[J].中国农村水利水电，2006，（5）：75-77.