福建省典型土石坝出险因素分析及安全评价

吴为民，董文鼎，黄院生，谢秀栋

（1.福建省水利管理中心，福建 福州 350001；2.福州大学土木工程学院，福建 福州 350001）

0 引言

福建省地处东南沿海，洪、涝、潮、台风等灾害频繁，兴修水利用以防洪、灌溉等功能。截至2019 年，福建省已建水库合计3665 座，其中，大型水库21 座，中型水库188 座，小（一）型水库748 座，小（二）型水库2708 座。土石坝在福建省水库大坝中所占比例极高，经统计福建省土石坝共有2011 座，占全省水库总座数的55%。福建省现有的土石坝多数修建于上世纪中后期，“三边”工程特点显著，特别是对于中小型水库而言，工程质量差和防洪标准低等出险因素屡见不鲜。

本文采集福建省典型土石坝的出险因素进行统计分析，选取合理的评价指标，构建具有区域特色的安全评价体系，并计算大坝安全综合值，定量分析大坝的安全状态，使大坝安全鉴定分析更加直观。

1 土石坝出险因素分析

1.1 福建省土石坝非溃坝出险因素

为了对福建省土石坝进行合理安全评估，选取福建省3座大型水库、18 座中型水库、27 座小型水库，总计48 座水库先后发生过的156 宗工程事故进行统计，按照事故的型式，将出险因素分为9 大类和16 小类。9 大类为渗漏、管涌、裂缝、护坡破坏、滑坡塌坑、冲刷破坏、气蚀破坏、闸门启闭失控、白蚁打洞及其他事故。其中裂缝分为大坝铺盖裂缝、坝体裂缝和其他建筑物裂缝。渗漏分为坝体渗漏、坝头绕渗、坝基渗漏、溢洪道和输水洞渗漏。滑坡塌坑分为大坝塌坑、大坝滑坡和库坡滑塌。福建省典型土石坝非溃坝出险因素统计结果见图1。

图1 福建省典型土石坝非溃坝出险因素统计

由于年代因素，土石坝存在裂缝、渗漏等隐患普遍存在于各类土石坝中，影响程度不一。通过对福建省典型土石坝风险源的统计结果显示，土石坝渗漏是病险中最常见的灾害。主要的根源可能在于大坝兴建于新中国成立初期，坝体施工质量欠佳、防渗铺盖长度不足、地质情况勘探模糊、坝体内新旧土层结合不好、坝内埋管与坝体接合不严密、坝体内排水系统淤堵失效或无排水系统、未严格按规范要求对山体间的裂隙岩层进行止水处理、坝基防渗体系缺陷严重、坝基灌浆未达到设计要求、灌浆封孔不够严密等。

裂缝也是土石坝风险统计中常见的现象，多处部位易发生裂缝，其根源包括坝体不均匀沉降、坝体填料纯度较差、基础处理不佳、填料含水率控制不当、碾压不密实、坝坡设计较陡、砌筑工艺不良、施工接合面处置欠佳、坝下涵管埋设不合理、地震冻融等[1]。

在数座土石坝统计资料中，白蚁打洞安全隐患发生的占比较高，主要归因于福建当地炎热潮湿的气候影响，虫蚁灾害较为频繁。大坝服役时间过长，日积月累，引起结构破损，强度降低等。

1.2 全国土石坝溃坝出险因素

《全国水库垮坝登记册》按照事故的型式，将出险因素共分为5 大类和16 小类。5 大类为漫坝、质量问题、管理不当、其他原因和原因不详。其中漫坝包括泄洪能力不足和洪水超设防标准。质量问题包括坝体渗漏、坝体滑坡、基础渗漏、溢洪道渗漏、溢洪道质量问题、输水洞渗漏和输水洞质量问题。管理不当包括超蓄而维护运用不良、降低防洪标准、溢洪道筑捻不及时拆除而导致漫坝和无人管理。其他原因包括库区或溢洪道岩坡塌方堵塞泄洪设施、人工扒坝泄洪和工程布置不当[2]。

虽然福建省土石坝发生溃坝事故案例较少，但为了使土石坝整体性安全评价具有客观结论，需要将引起溃坝事故与非溃坝性事故的隐患及原因结合分析。根据评价结果反映大坝的病险程度，从而进一步制定有效的解决方案进行除险加固。

图2 全国土石坝溃坝出险因素统计

从图2 可知，导致溃坝的因素众多，漫坝和坝体渗漏是其中显著的两个因素，占所有出险因素的74.2%。鉴于土石坝材料具有特殊性，一旦发生漫坝事件，则将导致溃坝等严重后果。

土石坝因防渗体裂缝产生渗流集中通道，形成管涌现象，导致坝体渗漏，严重情况下将发生溃坝。产生的此隐患主要原因包括：心墙裂缝漏水、坝体单薄或土料透水性大、坝体不均匀沉降、坝后反滤排水体高度不够、反滤层或反滤设施质量差等。

经过现场调查分析，福建省病险水库大多为山区性水库，不同于平原水库，其特点是：山区水库大部分坝体相对较高、坝长较短，防渗墙质量一般。存在的主要问题有：坝顶及坝后坡裂缝、变形，背水坡渗漏、湿坡，坝内浸润线高，溢洪道和输水洞渗漏等影响坝体稳定安全。

2 土石坝评价体系建立

2.1 土石坝风险事件关系模型

根据福建省典型土石坝风险源的统计结果，将出险因素逐层分解便可得到影响土石坝风险的基本事件T，土石坝风险的事件关系见图3。

图3 土石坝风险事件关系图

2.2 大坝安全评价的综合值计算

在构建安全评价体系过程中，最为关键的是针对每一风险事件确定与其对应的指标权重。目前常见确定指标权重的理论包括模糊综合法，层次分析法，专家调查加权法和德尔菲加权法。查阅在以往土石坝风险评估的研究中发现，所涉及的影响因素较多且有交互作用和随机组合的可能性，较难得到准确性高的结论。因此本文在对福建省土石坝风险综合评价的过程中，在多层次分析法的基础上引入模糊数学理论，建立土石坝风险评价模型，使评估过程更加客观可信。期许对未来可能发生的风险或潜在的风险做出更可靠的预测。

模糊层次分析法评价思路是：首先归纳影响事件安全性的出险因素，确定因素间的因果关系，对事件建立多层次递阶的结构模型，形成评价体系。其次根据已经确定的评价因素、因子评价等级和权重的基础上，运用模糊数学理论，决定层次间因素的相对重要性，构造因素间的判断矩阵，对多层次间的关系进行复合运算，确定各判断矩阵能否符合一致性检验。最后建立恰当的评价集，通过综合重要度的计算进行分析[3]。

由于评价指标体系的指标水平边界的模糊性，为了得到更准确的评价，因此建立各指标的分级隶属函数[4]，用下列式（1）～（3）表示。对于定性指标，需要根据相关的规范和工程实际情况进行打分，并将其转化为定量指标，然后根据定量指标的构造方程得到对应得评价矩阵，将评价矩阵与对应指标的权重值利用式（4）进行点乘，结果为福建省典型土石坝安全评价的综合分值。

构造方法利用下列公式：

图4 基于模糊层次分析法的土石坝流程图

3 工程实例分析

某水库位于福建省境内，是一座以灌溉为主，结合防洪、发电、供水等功能效益的重要中型水库，水库建设于1968 年，至今经历过三次加固改造。

该水库枢纽工程由主、副坝、溢洪道、输水涵洞等组成。主坝坝型为粘土心墙土石混合坝，最大坝高47.40 m，坝顶长度431 m，坝顶宽度6.3 m，副坝位于河道左岸，系多种土质坝，经多次加固后，现有坝顶长度182.50 m，最大坝高22.90 m，坝顶宽度5.80 m，坝顶高程为77.40 m。溢洪道由进水口、闸室段、陡坡段等组成，进水口为八字墙的矩形槽，底板高程为62.5 m，闸室部分包括闸墩、底板、胸墙等为钢筋砼结构，闸室内设5 孔6 m×5 m 的弧型钢闸门。输水涵洞位于在主坝右岸，由进水段、放水塔等组成。

依据《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2000），并结合福建土石坝风险关系图与多位专家意见，选取27 个影响土石坝安全评定的子因素指标，形成由目标层、准则层、指标层3 个层次构成的安全评价指标体系，见图5。

图5 土石坝安全评价指标体系

根据各子因素指标安全性评价的具体情况，按图5 土石坝安全评价指标体系中的层次结构，构造判断矩阵并计算相应的权重，得到的结果见表1。

表1 判断矩形A-B 数值

根据上表可得WA=（0.2454，0.0516，0.1378，0.2783，0.1139，0.1395，0.0334），同理可得各级因素的权重，WB1，WB2，WB3，WB4，WB5，WB6，WB7，经确定，各判断矩阵均满足一致性检验，因此不需要再进行调整。

根据大坝实际情况和经验，将指标等级划分为合格、基本合格、待整改3 个级别，得到系统的评价集为V={vA，vB，vC}，通过专家检验法确定隶属函数的阈值为（3，6，8），专家根据大坝实际情况及报告打分为U={3，6，4，7，4，3，5，3，3，4，3，7，5，5，4，4，6，6，7，6，7，3，6，4，5，5，4}。

利用上述公式，得评价矩阵为：

同理可得RB2，RB3，RB4，RB5，RB6，RB7。

根据水库大坝总体评价矩阵，由此计算得到各层的评价为EB1=（0.0844，0.3877，0.5278），同理可得EB2，EB3，EB4，EB5，EB6，EB7，大坝的综合评价EA=（0.0672，0.4519，0.4895）。

在转化为定量评估过程中，采用P=EVT来表示水库大坝综合安全评价值，把评语集V={不安全，基本安全，安全}定量化为V=（8，6，3），显然指标值越小安全性越高。经计算，B 层评价中，得出的大坝运行管理和抗震安全复核评价值较小，对应的安全度较高，渗流安全评价值较大，对应的安全度较低，应对大坝进行防渗加固，并继续加强大坝渗流监测。某水库综合安全评价中，指标值为4.72，按照等级划分级别，属于基本安全，因此将该土石坝安全等级定为三类坝，评价中反映情况与实际情况相符。

4 结语

（1）基于福建省典型土石坝安全隐患的统计结果，结合地域特点下的土石坝出险因素，分析风险产生的主要原因。集成统计的风险因素，建立土石坝风险的评价指标体系，为福建省土石坝安全鉴定提供参照。

（2）将层次分析法与模糊数学理论相结合，构建适合福建省土石坝风险识别的多层次模糊综合评价模型，通过工程实例的应用，分析结果具有实际意义，是一种适用于大坝安全评价的简易方法。