基于水利枢纽工程坝体安全评价模型的复合地基坝体质量安全分析

陈 勇

(抚州市水电勘测设计院有限公司,江西 抚州 344100)

0 引 言

近年来,随着经济的发展,水利枢纽工程的建设受到越来越多的关注。坝体是水利枢纽工程的重要组成部分,其安全性直接影响着整个水利枢纽工程的安全性。针对这一问题,开展坝体安全评价模型的研究就显得尤为重要[1-2]。罗伦等[3]指出,水库大坝渗流的渗透系数与渗透深度呈正相关,渗透系数随着深度的增加而增大,渗透深度的增加会增加渗流的水位变化。李伟等[4]采用反滤设计方案,有效提高了坝坝体的抗渗性能,保障坝坝体的安全运行。李晓杨等[5]研究分析了水库大坝的渗流安全问题,并进行了安全鉴定和评价分析。以上研究仅针对某一特定坝坝体渗流进行评价,坝体安全评价模型缺乏统一性,缺乏复合地基坝体质量安全的分析。

为了解决上述问题,本文基于水利枢纽工程坝体安全评价模型,提出复合地基坝体质量安全分析方法。研究以层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)为基础,构建复合地基坝体质量安全分析模型,通过对复合地基坝体安全性因素进行定量分析,评价复合地基坝体质量安全状况。

1 江西抚州水利工况概述

在水利枢纽工程建设中,复合地基坝体的质量安全受到越来越多的关注[6]。但目前对复合地基坝体质量安全的研究较为有限,本文基于水利枢纽工程坝体安全评价模型,对江西抚州地基坝体质量安全进行分析。

抚州市地处江西省东部,总面积1.88×104km2,包含两个重点开发区,即抚州国家级高新技术开发区和东临新区。抚州市东部与福建省建宁县、光泽县等相邻,南部与石城县、宁都县相接,西部连接永丰县和丰城市,北部毗邻贵溪市、余干县及进贤县。抚州市属于亚热带季风气候,气候湿润,雨量充沛,全市年平均气温17.06℃～18.44℃,年平均降水量740.7～2003.3mm,年平均日照时数1 585.5h。抚州市主要包含三大水系,即抚河、信江、赣江,河流数量总计约470条。除赣江水系乌江外,其余河流均自南向北汇入鄱阳湖,较大支流包括黎滩河、临水等[7]。

抚州市内建成的大型水库主要有洪门水库和廖坊水库,灌溉面积5.3×104hm2,总库容16.46×108m3。中型水库有燎源、麻源等20座,总库容5.72×108m3,灌溉面积4.2×104hm2。其中,洪门水库正常蓄水位100m(黄海基面),死水位92m,500年一遇设计洪水位103.52m,可能最大洪水位(校核洪水位)107.2m。水库总库容12.14×108m3,兴利库容3.74×108m3,死库容1.68×108m3。廖坊水库位于抚河干流中游,水库正常蓄水位65m(黄海基面),死水位61m,100年一遇设计洪水位67.94m。水库防洪库容3.1×108m3,兴利库容1.14×108m3,死库容8 600×104m3,总库容4.32×108m3。正常蓄水位时,水面面积37.8km2,库容2×108m3,系季调节性河道型水库。枢纽工程主要由主坝、副坝、电站厂房、灌溉进水闸组成[8]。金临渠位于抚河中游东岸,灌区覆盖金溪、东临新区、临川的多个乡镇。灌溉引水流量24～29m3/s,灌溉农田1.17×104hm2。宜惠渠工程由引水坝、干渠、渡槽、水闸、涵闸等组成,引水坝为干砌石坝、最大坝高1.1m。干渠长19.2km、宽10m,灌溉面积4 266hm2,控制流域面积为2 217km2,装机容量4 000kW,年平均发电量1 480×104kW·h。

抚州水利工程具有防洪涝灾害、蓄水供水、调节水土保持、改善环境等功能,对抚州经济社会发展至关重要,是抚州粮食生产、水利水电开发、社会经济发展的支柱。抚州水利工程系统建设,有效地改善了抚州整体水环境,解决了抚州粮食生产、水利水电开发、社会经济发展的短板,为抚州经济社会发展提供了有力支持[9]。抚州水利工程的建设,为抚州市造就了一个较为安全、利用率高、资源高效利用的水利系统,改善了抚州地区的水环境,解决了抚州地区的水资源问题,为抚州经济发展提供了有力支持。由于地震、洪水、土体不稳定等外因因素的影响,水利枢纽工程坝体的安全性也受到较大的威胁。因此,基于水利枢纽工程坝体安全评价模型,对抚州水利工程中的复合地基坝体的质量安全进行分析评估,以确保工程安全可持续运行。

2 复合地基坝体质量安全评估模型构建

水利枢纽工程坝体安全评价模型是以坝体的荷载、反应、稳定性为基础,结合工程地质、建筑物、排水、施工质量等因素,利用统计学、计算机技术、数理统计、概率统计等方法,综合考虑复合地基坝体的安全性,评估其安全程度及其对外界变化的响应能力等[10]。而层次分析法与其他方法相比具有许多优点,它更容易理解,可以更快捷地分析复杂的系统和问题,并且可以使用各种数据,从而更好地评估坝体安全性。它可以将复杂的问题分解为简单的子问题,使研究者能够更好地理解和评估问题[11]。

层次分析法是根据两个反差系数的相关性来构造B类判断矩阵,并确定两者间的相关性。利用B的属性对矩阵进行计算,判定其相容性。该方法的具体实现方法为利用和积法,对各个列的因素进行规范化处理,得出各因子的一般项,公式如下:

b1=b2/∑bn

(1)

式中:bn为第n个因素;b1、b2为第一个因素和第二个因素;∑bn为第一个因素和第n个因素之间的总和。

利用B类判断矩阵,根据计算结果,评价各因素的相关性,判定矩阵必须符合统一的条件,对于一阶和二阶判断矩阵,其整体上符合;若次序超过2时,则先求出相容指数的下一步,具体公式如下:

(2)

式中:CI为一致性指标;n为评估标准的数量;λmax为特征值的主向量。

然后,计算出平均随机一致性指数RI,用500个抽样矩阵随机生成RI。判定矩阵的一致性指数CI和RI的比例称为随机一致性比率,用CR表示[12]。当CR<0.1时,认为判断矩阵满足一致性。研究将复合地基坝体质量评估指标分为5个一级指标,18个二级指标,具体见表1。

表1 复合地基坝体质量安全评估体系架构

由表1可知,复合地基坝体质量评估模型下包括一级指标(B):坝体结构概况、坝体结构安全、工程抗震性、维护管理、水利设施;二级指标(C)中,坝体结构概况包括体积、尺寸、材料类型、地质条件[13-14]。坝体结构安全包括坝体的稳定性、抗滑移能力、抗冲刷能力、抗沉降能力、抗倾覆能力;工程抗震性包括坝体的地震动响应、建筑物抗震性能、结构设计抗震性能;维护管理包括定期维护、定期检测、定期修复;水利设施包括水闸的设计、建造、运行等。

判断矩阵的数值是对每个评估因素相对重要性的最直观反映,其值的大小尺度、重要性以及判断矩阵元素aij的标度方法见表2。表2中的矩阵判定标度,表示不同评估因素之间的相对重要性[15]。

表2 矩阵判定标度及其含义

3 基于层次分析法的水利复合地基坝体质量安全评估应用效果分析

研究针对抚州水利复合地基坝体质量安全评估应用层次分析法进行分析,并对其应用效果进行评估。通过层次分析法,可以有效分析复合地基坝体质量安全问题,准确确定每个影响因素的重要性,有效确定复合地基坝体的质量安全状况,为枢纽工程坝体的安全性能评价提供可靠的理论依据。见表3。

表3 指标层权重结构表

由表3可知,层次分析法用于抚州水利复合地基坝体质量安全评估,将复合地基坝体质量安全评估分为总指标层、一级指标层、二级指标层,并为不同级别的指标设定权重,以求出不同级别的评估结果。研究发现,基于层次分析法的江西抚州水利复合地基坝体质量安全评估应用效果较好,准确确定了不同级别的评估因子重要性,提供了一种可靠的安全评价方法,可以有效提高抚州水利复合地基坝体质量安全。

为了更好地获得经加固后边坡在坝体开挖之后拱顶沉降量以及附近收敛的形变情况,还计算分析了粉质黏土坝体支护构造的稳定性。研究选取抚州水利坝体某断面进行测量和监控试验,共选取3个监测点,研究定义平面形变监测站的横向位移量(分解为X方向、Y方向)和竖直方向(H方向),即X方向为南北,南为正;Y方向为东西,东为正;H方向下沉为正,上升为负值。将横向X向、Y向的位移转换成沿河流、纵向河流的运动,以更好理解地面形变对坝体的作用,并给出相应的观测数据。图1为监测点8月份平面形变量的结果。

图1 2021年8月地表位移监测点平面位移日变化曲线

根据观测数据,截至2020年8月末,在横向上的测点位移基本稳定,在实地巡查中没有发现任何异常。于2021年8月7日22时,监测站接到水库坝体测量点提示信息,对其进行了分析。从横向位移的跨程线、沿江和纵沟等方面观察,监测点2和监测点3处的移动速度有很大差异,之后趋于平稳状态。参考周边其余观测点,并未有明显横向位移变化,可认为该位置的位移不是整个滑坡的整体变形征兆,但也应注意观察其变动。图2为监测点8月份垂直形变量的结果。

图2 2021年8月地表位移监测点垂直位移日变化曲线

由图2可知,监测点2和监测点3于2021年8月7日22时发生垂直变形位移,其峰值最高达到-541.9mm,之后几天快速恢复平稳状态。直至月末,3个监测点都处于零形变状态,其垂直形变状态与水平形变状态一致,3个测点处的横向变形及沉陷均有显著的差异。参照周围其它测点,在各个方位上均无显著的位移改变,可认为该位置的位移不是整个坝体的变形征兆,系统继续对变化较大的观测点展开相关性分析并展开进一步的研究,见图3。

图3 监测点相关关系图

由图3可知,各测量点间的相关关系均大于0.99,且具有很好的相关性,且随时间的推移而改变。针对坝体地段的地面变形,将监测频率从12h一次变为1h一次,并根据其发展动态,及时进行监测,尽早发现崩塌的不稳定。并在此基础上,实现了坝体灾害的早期预警,及时进行灾害防治,使危害降至最小。

坝体的主要影响因子是边坡的构造和岩石性质,而水流则是引起滑坡发展的主要原因,滑坡的发生和发展与降水有一定的相关性。通过对降水、水位等外界因素的综合研究,初步得出该测点台地基是由于连日暴雨的冲击而产生的倾角。从进程线上观察,降水时地表变形没有显著的改变,表明观测点处的改变具有滞后特征,早期有较大幅度,但后期则趋于稳定。

4 结 语

本文建立了复合地基大坝质量安全评价分析模型,并以江西抚州水利枢纽复合地基大坝为实际案例,对模型的应用进行了论证和探讨。结果表明,应用复合地基大坝质量安全评价分析模型,可以有效分析复合地基大坝的质量安全。层次分析法可以准确确定各影响因素的重要性,可以有效评价枢纽工程大坝的安全性能,为复合地基大坝的安全提供了可靠的理论依据。通过对复合地基大坝位移监测的观测数据进行分析发现,被测点在侧向的位移基本稳定,在现场检查中没有发现异常情况。通过结合降水和水位等外部因素,分析了大雨对坝体凹陷的影响。