基于坝体安全评价模型的复合地基坝体质量安全分析

于淳蛟

(湖北志宏水利水电设计有限公司,武汉 430070)

0 引 言

水利大坝是现代防洪工程以及农业灌溉工程的重要组成部分,对地区生态建设、经济发展都有重要的影响。长期处于运作状态的水利大坝容易受到内外因素的影响,对大坝的安全使用造成极大影响。如地震、外部应力作用、坝体化学腐蚀以及本身材料性能减缩等,均会严重破坏坝体结构,影响大坝的截水能力。近年来,全球发生多起大坝引发的安全事故问题。如美国伊登维尔大坝事故与巴西布鲁马迪尼奥尾矿大坝事故,大坝溃坝造成严重的人员伤亡,同时对地区经济造成严重影响。因此,要避免大坝出现溃坝事故,需要对大坝严格实施质量安全评价,实时监测大坝运作情况,从而避免大坝溃坝事故发生。

本文提出一种高效的大坝防渗透破坏评估方法,对大坝结构与防渗体参数进行研究,构建大坝渗流安全评价方法。同时,考虑外部因素对大坝影响,结合贝叶斯法与工程类比法,构建大坝安全评估模型,实现对大坝安全的有效评估。研究结果可对大坝的维护与安全运营提供重要参考。

1 复合地基坝防渗透安全评估模型构建

1.1 复合地基坝渗流量模型构建

在水利大坝风险研究中,由于大坝的类型、功能等差异,大坝失效概率也存在差别,对大坝的安全风险评估也将面临诸多困难。受到不同风险因素的影响以及大坝本身工艺技术的差异,不同的溃坝风险在研究中存在一定的关联性,这种关联性也给大坝的质量安全分析造成困难[1]。本研究主要以超薄复合型地基坝体为研究对象,针对常见坝体遭受渗透破坏后的失效性展开研究。常见超薄型复合地基坝断面见图1。

图1 常见超薄型复合地基坝截面图

常见超薄型复合地基坝通常属于非均质分区坝,该类坝体以超薄防渗体居多,并且应用广泛[2]。超薄防渗体中,通常采用混凝土面板、土质心墙、混凝土防渗墙等形式进行坝体防渗。同时,为了保障坝体具备足够的力学性能,坝体地基采用复合型结构进行坝体加固,坝体地基建有基岩层、覆盖层、防渗墙等,以提高坝体防渗能力。

在一些较大的土石坝工程中,一般会设置量水堰来监测坝体渗漏情况。但量水堰处于覆盖层时,覆盖层可能并未设置截水墙,影响量水堰对坝体渗水情况的判断。同时,防渗体内的流体分布较为复杂,在水库内部可能出现不均匀的集中渗流问题,为了方便对坝体安全的评估,不考虑防渗体特殊接触面缺陷。在坝体实际流量计算中,若水库位置上的防渗体并未出现渗流问题,则在实际计算中也并不考虑该部分计算[3]。假设防渗体下游侧面水头与坝后水位一致,需要对坝体与防渗体之间的防渗差异进行考虑。一般认为水流集中减弱在大坝防渗体内,水位由坝前向坝后逐步降低。认定防渗体内的中轴线与流向为正交关系,并且符合均匀渗透,则坝体渗流满足达西定律。

因此,对坝体防渗性分析采用笛卡尔构建直角坐标,其中坝轴线由左至右为正向X轴,坝体上游至下游为正向Y轴,坝体竖直向为Z[4]。定义坝体上下游水位分别为Hu与Hd;防渗体轴中心正交向厚度为LY(l),表示坝体防渗体工程多道防渗体总和厚度;坝体顺轴向宽度为WX(l);长度坐标函数l与竖向坐标z表示防渗体的宽度与厚度[5]。坝体坝顶至坝底深度s计算公式如下:

式中:nup为上游面坡比。

在高程为z的上游侧防渗体,某段高度为dz防渗薄层位置,见图2。

图2 超薄复合型地基坝纵断面

当坝体薄层防渗体在下游水位之上时,有(Hd-z)<0,此刻水头承受差为(Hu-z);当体薄层防渗体在下游水位之下时,此刻水头承受差为(Hu-Hd)。由达西定律,可以得到该薄层防渗体位置平均水力梯度,公式如下[6]:

i=H(l)/LY(l)

(2)

式中:H(l)为高程z位置的水头差。

通过对整个防渗层积分处理,得到防渗层渗流量。

在实际坝体渗透破坏风险研究中,复合地基坝体由于施工、材料等因素,会导致坝体存在一定的质量缺陷,这些缺陷将通过坝体渗流量反映出来。同时,坝体的缺陷问题会以集中的位置反映,并不会规律性分布[7]。因此,寻找缺陷位置较为困难,而通过坝体渗透情况,可清楚得到坝体的安全状态。

1.2 复合地基坝综合安全评价模型构建

由于工艺、外界作用力以及材料老化等因素,大坝质量问题不可避免。同时,大坝的风险等级由大坝出现溃坝概率以及所造成的后果所决定。根据相关资料反映,非确定性的分析技术在水利工程安全评价中有出色的表现[8]。因此,在大坝渗流模型的基础上,还需要结合失效率评价,针对大坝渗透风险提出一种量化评价方法,从而更直观地评价复合地基坝质量安全。

在水利大坝安全质量评估中,失效概率值可以更直观评价工程的安全等级。考虑到大坝质量安全评估缺乏有效的溃坝评估数据,因此引入失效率来直观反映大坝质量,并结合贝叶斯法与工程类比法,提出一种复合地基坝综合安全评价模型。水利大坝在建设中具有明确的技术规范性要求,不同地区由于环境与使用差异,水利坝体工程技术要求存在差异。根据国内工程技术规范要求,将水利建筑质量安全划为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等级,在坝体工程中1至3等级坝体所对应的坡度失稳失效概率分别为4.2、3.7与3.2。水利建筑3个等级按照100年使用年限来设计,其余建筑为50年设计。表1为水利建筑失效率结果[9]。

表1 水利建筑每年失效率目标值

在水利坝体工程中,国内水坝建设主要以Ⅱ、Ⅲ等级为坝体建设的标准,Ⅱ、Ⅲ等级能够有效反映出大部分水利工程的设计失效目标概率。因此,选择表1中等级Ⅱ失效概率作为坝体工程的设计失效目标概率。同时,在实际坝体质量评估中,工程建设质量、环境运作情况也会对坝体的渗透破坏评估造成影响[10]。因此,在实际评估中会参考工程监测资料,定义复合地基坝初始渗透破坏失效率与年设计失效概率一致,公式如下:

pseepageinital=pD-2·fc

(3)

式中:fc为由专家以及工程建设工艺所决定的修正系数;pseepageinital为坝体工程基准失效概率;pD-2为渗透破坏失效率。

根据国家水利工程相关要求以及专家团队来明确坝体修正系数。在坝体安全评估中,对于满足正常要求的坝体工程,定义修正系数fc=1;对于不满足标准失效率的坝体,作为病坝,修正系数fc=10;对于具有较大风险的坝体,修正系数fc=100。pseepageinital可作为坝体工程质量评估的重要指标,但引入的目标失效率过低,坝体工程在较短的几个月或者几年间,运作参数并不会影响到后验概率[11]。因此,需要引入综合计算方法,以修正坝体工程实际运作下的渗透破坏失效率[12]。

综合计算法是由工程类比法与贝叶斯理论相结合的一种坝体渗透破坏失效率修正方法。在对坝体渗流状态的评估中,可以通过防渗系数以及渗流量来反映。在对复合地基坝的评价中,引入渗流量指数Z来对不同环境作业下的70座坝体运作数据进行统计,得到坝体渗流累计曲线,见图3[13]。

图3 坝体综合渗透累计概率曲线

根据对多座坝体工程参数的调查,通过工程类比,可得到坝体工程渗漏量的标准范围。但工程类比法仅考虑坝体工程内横向比较,坝体工程历史运作并未考虑[14]。因此,在此基础上,引入贝叶斯法修正问题。贝叶斯法中,通过假定变量对假设概率进行更新的一种研究策略,通过对坝体经验数据以及主观判断,可以得到一个更为客观的计算结果[15]。

根据贝叶斯计算原理,可在坝体历史监测数据中,引入年计算的渗透破坏损失目标值,通过假设先验分布情况,计算得到后验概率,用于评估复合地基坝实际年渗透破坏失效结果,从而完成对坝体质量安全的评估。

2 坝体安全评价案例分析

2.1 工程概况

选择甘肃地区某水利发电工程为研究对象,该水电水库容量为46.56×108m3。水利坝体工程在我国行业规范中,属于Ⅱ安全等级水利工程。坝体到坝顶高程500m,坝顶长度1 564m,坡高最大为468m。大坝采用复合地基结构,大坝主体处于砂卵石覆盖层之上,在坝体斜墙区域设置1.4厚度的混凝土加固防渗墙。大坝结构见图4。

图4 复合地基坝结构

2.2 混凝土地基坝试验分析

为了检验综合安全评价方法在复合体地基坝质量安全评估中的应用效果,以渗流量反映坝体的质量状态,选取2020年试验坝体底部与中部两个重要位置,监测渗流量变化,见图5。

图5 复合地基坝不同位置渗流量预测结果

图5为两种监测方法在坝体渗流量预测中结果。坝体由于施工工艺以及选材因素,不同坝体之间防渗效果存在明显差异。我国对坝体工程选择的防渗墙材料有明确规定,渗透系数应小于1×10-5cm/s。因此,在满足标准下,对试验坝体工程坝底与坝中两个重要位置进行渗流量监测评估。

由图5(a)可知,在监测的5、6、7、8月份,坝体底部渗流量明显增多。主要原因在于夏季雨量增多,水库蓄水量增大,影响坝体的水流量结果。以7月份监测数据曲线来看,传统的材料系数渗流量预测结果为64.45L/s,综合法渗流量预测结果为30.25L/s,实际监测渗流量为31.54L/s。整体来看,综合法对坝体渗流量的监测正确率为94.65%,而材料系数渗流量监测准确率为64.56%,综合法监测效果明显更好。

由图5(b)可知,中部与底部相比,整体压力降低,渗流量明显减少,同时渗流量也主要集中于5-8月份期间。根据坝体渗流量监测曲线来看,材料系数预测法在坝体渗流量监测中有较大的误差。主要由于该方法并未考虑流速以及外部作用因素的影响,在整个渗流量监测中准确率仅为58.65%,无法满足要求。综合法在坝体中部位置的渗流量监测准确率为95.67%,可见综合法明显优于传统的材料系数法。

为了更进一步检验综合法在坝体质量安全中的监测效果,还需要通过渗透破坏失效率来反映坝体整体质量,见图6。

图6 复合地基坝计划目标年渗透破坏失效概率结果

由图6可知,试验选取了试验坝5年的统计数据,来反映坝体年均渗透破坏损失效率结果。水位变化会对年均渗透破坏失效率造成影响,在2016年1月初,坝体工程刚投入使用阶段,年均损失破坏失效率与上游水位均在较低范围。在2017年后,水位达到460m以上,年均损失破坏失效率为10-5。同时,在后续几年对坝体进行维护,年均损失破坏失效率维持在10-5上下。图7为复合地基坝计划目标年渗透破坏失效概率。

图7 复合地基坝计划目标年渗透破坏失效概率

图7结果显示了3种坝体质量评估方法的年均渗透破坏损失效率。图7(a)为渗流量与水位变化间的关系结果,根据趋势结果可以看出,水位与渗流量是正比关系,水位增加,渗流量扩大。图7(b)为3种方法得到年均损失破坏失效率结果。由结果来看,类比法与贝叶斯法均能反映出坝体工程在运营使用中的渗透破坏失效概率,但综合法考虑到历史统计数据的影响,综合了另外两种方法的特点,更能直观反映出工程实际监测情况,与图6实际结果接近,满足坝体质量评价要求。

3 结 语

本文以超薄复合地基坝质量安全为研究对象,对坝体渗透破坏特点进行研究,并构建渗流量模型。考虑坝体受水位与时间周期影响,提出一种综合性方法,完成对坝体年均渗透破坏损失效率的分析。与传统材料系数法相比,在坝体中部渗流量监测中,综合法准确率为95.67%,高于传统材料系数法的58.65%。同时,对试验坝体年均渗透破坏损失效率进行监测。与实际数据相比,综合法结合了贝叶斯法与工程类比法的优势,能准确反映出坝体实际运行状态,可更准确评估坝体质量安全。