堤防渗流风险的定量评估方法

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1、水利学报2005年8月SHUILIXUEBAO第36卷第8期文章编号:0559-9350(2005)08-0994-06堤防渗流风险的定量评估方法姜树海，范子武(南京水利科学研究院水工水力学研究所，江苏南京210029)摘要:从渗流风险的不确定性分析出发，分别考察了影响渗流风险的主要随机因素出逸比降和临界比降，着重分析了在一定水位差条件下的边界、地质等土力因子随机特性。在此基础上，建立了定量预测堤防渗流风险率的实用模型，给出了水位高程与渗流风险之间的关系。提出了通过实际的渗流险情原观资料对模型进行反馈率定的方法，讨论了非稳定渗流

2、条件对模型精度的影响及改进方法。本文提出的模型可预测未曾发生过的高洪水位工况下的堤防渗流风险率。关键词:堤防渗流；风险分析；定量评估；反馈率定中图分类号:TV223.6文献标识码:A[1]堤坝等防洪工程的渗流风险一直为水利工程界所关注。据统计，我国失事土坝中约有30%是渗透破坏导致的。对堤防工程而言，由于设计参数选择和施工质量控制更为困难，其渗透破坏造成失事的比例则更高一些。影响堤防渗流风险的不确定性因素很多，除高洪水位的水力随机性作用外，还有堤身、堤基的土质条件、施工质量和渗控措施等多种土力学随机因素。这些土力学参数的变异性较

3、大，难以在堤防工程的规划和设计阶段予以把握，从而带来对其风险率定量评估的困难。长期以来，堤防渗流安全的评价主要[2，3]停留在现象观测和数据分析阶段。一些定量计算模式又过于复杂，难以在实际工程中运用。因此，探讨一种简捷实用的堤防渗流风险定量评估方法，具有十分重要的意义。它将堤防工程的安全评估从传统的经验型转变为风险预测型，有利于堤防除险加固方案的优化决策。1堤防渗流风险的实用模型堤防的渗流破坏是一种不同于漫溢失事(外部冲蚀破坏)的土工结构内部冲蚀破坏，有流土、管涌、接触冲刷和接触流土等多种破坏形式。只要堤防的临水侧和背水侧存在水

4、头差，就有渗流产生。随着汛期水位的升高，堤身内的浸润线不断抬高，堤基和堤身内的渗透比降也逐渐增大。当渗流产生的出逸比降J大于临界比降Jc时，土体就会发生渗透破坏。由此，可给出渗流破坏风险率Pf的数学表达式Pf=P(J>Jc)(1)式中：J为出逸比降，Jc为临界比降，J和Jc均为随机变量。收稿日期:2004-12-13基金项目:水利部科技创新项目(SCX2002-06)作者简介:姜树海(1946-)，江苏南京人，硕士，教授级高级工程师，主要从事水工水力学和风险分析的研究。E-mail:shjiang@nhri.cn1水利学报200

5、5年8月SHUILIXUEBAO第36卷第8期随渗流破坏形式的不同，J和Jc的选取、计算亦不相同。当假定各种破坏形式为独立事件时，则有Pf=PSL+PSD+…+PSZ(2)式中：PSL、PSD、PSZ等分别为一定水位条件下的管涌、流土和接触冲刷等失效模式的风险率。1.1渗流风险的不确定性分析影响堤防渗透变形的不确定因素很多，如作用水头、土的物理力学特性指标、堤基与堤身的土层分布和结构尺寸、施工质量等。如若对这些随机变量逐一进行考察，无疑将使问题复杂化。因此，本文仅对式(1)中的基本变量J和Jc进行不确定性分析，为渗流风险率的定量

6、计算创造条件。(1)临界比降Jc。Jc表征着土体的抗渗强度，反映了土体抵抗渗透破坏的能力。与土体的性质及其分布，即土颗粒大小、级配、孔隙率和容重等有关，还与出渗条件，即渗流破坏的类型有关。Jc值一般可通过原状土室内试验求得，亦可通过有关经验公式确定。以自下而上出逸的双层地基上堤后的流土破坏为例，讨论Jc的不确定性。[4]根据渗透力克服重力作用从而发生流土破坏的原理，Jc为γs1cJc=−1(1−n)1+ξtanφ+(3)γ2γ1式中：γs为土的容重；γ为水的容重；n为土体的孔隙率；c为土体的粘聚力；ξ

7、tanφ为土粒间的2摩擦力。文献[5]根据大量的原型实际调研，认为流土破坏的临界比降均值µ=1，亦即太沙基公式Jc=(γs/Jc[6]γ-1)(1-n)≈1。如若考虑土体的粘聚力等作用，实际Jc将可较µ大15%～25%。但在实际工程中，由Jc于复杂土层的不均匀性和透水性，Jc又有所减小。土层愈不均匀且上部透水性较下部透水性小时，其Jc愈[5]小。根据实际资料的分析，Jc可小至0.7～0.8。如若考虑Jc为正态分布，则可粗略给出其均方差σ=0.1。Jc应该指出，Jc反映的是土体的抗渗能力，是土体自身性质所决定的，其值与作用水头ΔH

8、无关。根据实际工程的土质情况，对µ和σ的取值可以做适当的调整，但总体上Jc的不确定性是可以把握的。JcJc(2)出逸比降J。J表征一定水位条件下水流出逸渗透强度，是校核渗流稳定的重要参数。出逸比降J除与作用水头ΔH密切相关，还与堤防的结构型式、出逸位置等参数有关