基于统计分析的土石坝震害预测

2010-03-13何丹刘超

大坝与安全 2010年6期

何丹，刘超

（四川大学水利水电学院，四川成都610065）

0 前言

土石坝是一种最常见的坝型，已建水库中绝大多数是土石坝[1]。汶川地震中，四川省6678座水库中有1997座水库出现险情，其中震损土石坝1897座。震害险情以大坝裂缝（1425座）、渗漏（428座）和滑坡（354座）为主，分别占71.4%、21.4%、17.7%[2]。

建立土石坝震害预测模型可以有效减少因地震造成的土石坝损失。采用绵阳市100座震损土石坝的基本资料，以统计学软件SPSS13.0为基础，采用逐步线性回归分析的方法，建立土石坝裂缝、渗漏、滑坡等震害等级预测模型，供确定性震害评估使用。

1 分析目的及分析方法

分析的目的是建立土石坝裂缝、渗漏、滑坡的震害等级预测模型，在险情未发生或新建土石坝之前提供预警功能，避免不必要的损失。

采用SPSS中的强迫剔除线性回归法（step⁃wise），通过对变量及参数的控制做逐步回归，自动剔除与因变量关系较弱的自变量，建立一个最优的回归模型。在每次引入变量时，F值最小的变量将被引入回归方程，F值大于设定值的变量将被踢出回归方程，当无变量被剔除时，终止回归过程。通过方差分析，判断模型的效果；通过对参数的选择以及方程的显著性进行检验分析，可判断回归模型是否达到要求。

2 影响因素

根据绵阳市100座水库土坝的震害资料，影响裂缝、渗漏、滑坡的因素有地震动峰值加速度、水深比、坝基土类别、排水效果、上下游平均坝坡比、库容、坝高、坝顶宽、坝长[4，5]。

2.1 地震动峰值加速度（X1）

对本次统计分析的震损水库，地震动峰值加速度采用汶川地震时的实际值。根据地震局绘制的汶川8.0级地震烈度分布图中的地震烈度，得到各水库的地震动峰值加速度。

2.2 水深比（X2）

水库水位与震害之间有明显的关系，水深比是地震时坝前水深与坝高之比。水深比大，表明土坝坝体所占的饱水部分也较大，即强度降低部分的比例也越大。地震发生之后，地震惯性力、静孔隙水压力所造成的超孔隙水压力也会增加[3]。由于震损时的水深比未准确统计，采用正常蓄水位与坝高之比代替[4]。

2.3 坝基土类别（X3）

实际工程中，在其它影响因素不变的情况下，地基越软，渗漏震害越严重。根据震损水库资料，可以把地基条件分为3级：Ⅰ级为岩石或是硬粘土；Ⅱ级为除Ⅰ、Ⅲ级土以外的地基土；Ⅲ级为透水性强、地震时可能液化或震陷的中细砂或软粘土[4]。

2.4 排水效果（X4）

排水效果的好坏可以直接影响浸润线的高度，从而影响震害的严重性。根据震损水库资料，可以把排水效果分为3级：Ⅰ级为排水状态好；Ⅱ级为有一定的排水能力；Ⅲ级为完全丧失了排水能力。

2.5 上下游平均坝坡比（X5）

坝坡的坡比对坝体抗滑稳定安全性的影响较大，与滑坡震害之间有着较大的联系。

2.6 其它因素

土石坝的库容（X6）、坝高（X7）、坝顶宽（X8）、坝长（X9）与震害之间也有着一定的关系。

3 震害险情指标

3.1 裂缝（Y1）

裂缝是土石坝最明显的震害形态之一。根据裂缝性质、分布、规模、数量和危害程度，将裂缝震害情况分为3级。

表1 裂缝评级表Table 1:Grading of cracks

3.2 渗漏（Y2）

渗漏险情也是土石坝的震害形态之一。根据坝体、坝基、坝肩渗漏的性质、范围和程度，将其分为3级。

3.3 滑坡（Y3）

滑坡将会对坝体的整体稳定产生较大的影响。根据坝体滑坡的性质、位置、规模和危害程度等，将其分为3级。

4 结果分析

以绵阳市的100座水库为例进行分析（水库资料见表4），采用SPSS13.0统计分析软件，分别以裂缝级别、滑坡级别、渗漏级别为因变量，以地震动峰值加速度、水深比、坝基条件、排水情况、上下游平均坡比、坝高、总库容、坝顶宽、坝顶长等为自变量进行线性回归分析。采用逐步线性回归方法对主要影响因素进行筛选，得到确定性的关系表达式。

表2 渗漏评级表[5]Table 2:Grading of leakage

表3 滑坡评级表[5]Table 3:Grading of landslide

表4 100座震损水库资料统计表及震害预测值Table 4:Statistics of 100 earthquake damaged reservoirs and predicted values

续表4

表5 裂缝震害（Y1）评估经验表达式Table 5:Empirical expressions for crack evaluation in seismic damage

表6 渗漏震害（Y2）评估经验表达式Table 6:Empirical expressions for leakage evaluation in seismic damage

表7 滑坡震害(Y3)评估经验表达式Table 7:Empirical expressions for landslide evaluation in seismic damage

（1）由震害评估分析表5～7可以看出，筛选后的因素均满足5%概率的F检验，表明自变量与因变量之间存在着较为明显的线性关系。筛选出的数学统计模型的相关系数均大于0.349[6（]除滑坡震害的第一个表达式外），满足相关系数检验（显著性水平α=0.05）。同时F的概率值为0.00，表明在α=0.05的显著性水平下，各震害等级与筛选出的变量之间有显著的线性关系。采用相关系数最大的表达式作为推荐公式来对3种震害进行速评。

（2）由表5可以看出，影响裂缝震害的主要因素有坝顶长度、地震动峰值加速度及库容；由表6可以看出，影响渗漏震害的主要因素有排水条件、地基条件、上下游平均坝坡比、坝顶长度、坝高及坝顶宽；由表7可以看出，影响滑坡震害的主要因素有地震动峰值加速度、坝顶长、坝高、上下游平均坝坡比、水深比、排水条件。

（3）采用推荐表达式计算的结果与期望值进行对比，两者相对误差小于20%的土石坝分别为81座、82座和86座，表明采用SPSS线性回归模型的合格率大于80%，可以作为一种速评方法对水库的震害险情进行预测。