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堤防管涌险情主要影响因素的敏感性分析

2019-10-23

长江科学院院报 2019年10期
关键词:警戒水位覆盖层水层

(河海大学 水利水电学院,南京 210098)

1 研究背景

管涌是一种主要的堤防渗透破坏形式[1]。考虑管涌破坏模式,建立堤防工程安全评估方法,对于堤防科学预警、制定科学有效的管涌防范措施等,均具有重要的理论和实际意义。在建立堤防安全评估方法的过程中,确定评估指标的权重至关重要,目前常见的指标赋权方法有主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法基于评估者主观判断进行赋权,对评估者经验要求较高,不同评估者给出的权重可能千差万别;而客观赋权法基于客观数据进行赋权,可以避免上述问题,因此,得到广泛应用。常用的客观赋权法有熵值法[2-3]和投影寻踪法[4-5]等。何晓洁等[3]在对黄河下游堤防进行安全评价时,在专家打分的基础上,通过熵值法获得了评估指标的客观权重。苏怀智等[4]将投影寻踪法应用到海堤安全评估指标赋权中,通过遗传算法加快了寻找最优投影向量的过程,实现了评估指标的客观赋权。本文拟通过对诱发堤防管涌的几个主要影响因素的敏感性分析,确定各因素的权重,为堤防安全评估提供客观赋权的科学依据。

2 管涌破坏模式的主要评估指标

关于管涌的主要影响因素,众多学者已进行了深入研究,如:张家发等[6]探讨了堤内外水位差、堤身渗透性、弱透水覆盖层厚度等因素对堤防渗透规律的影响。易朝路等[7]指出警戒水位持续天数即高水位持续天数,与管涌的发生密切相关。刘杰等[8]指出土层渗透系数之比>100的双层堤基最容易发生管涌险情。丁留谦等[9]统计分析了1998年长江流域管涌险情特点,资料显示,长江流域发生的管涌险情中,有很大一部分是由于堤基上覆弱透水层较薄或被人为破坏所引起的。刘杰等[10]的研究成果也表明,上覆弱透水覆盖层厚度越大,堤基相对就越安全。

由于引发管涌因素众多,有些因素还难以定量刻画,为此,本文选定警戒水位持续天数、堤内外水位差、强弱透水层渗透系数比值和弱透水覆盖层厚度4个主要影响因素,作为评价管涌破坏模式下堤防安全评估的主要指标。 强弱透水层渗透系数比值与土层渗透系数之比的共同点为:两者均为双层堤基下层土渗透系数与双层堤基上层土渗透系数的比值。其不同点为土层渗透系数之比主要是针对砂土与2种砾石互层和黏土与砂及砂砾石互层的4种双层堤基,研究堤基的渗透机理;强弱透水层渗透性比值指的是双层堤基中下层砂土层渗透系数与上层黏土层渗透系数的比值。

图1 双层地基堤防概化模型

3 敏感性分析

3.1 概化模型

图1给出了双层地基堤防概化模型。根据长江中下游和黄河下游堤防地质统计资料[11]:双层堤基是一种普遍存在且具有典型代表性的堤基结构。另外,根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[12],拟定堤身堤内外坡坡比为1∶3,堤顶宽度10 m,堤身高度10.5 m,堤基总厚度50 m。

3.2 敏感性分析工况

对于不同的堤防而言,各影响因素的取值范围均是不同的,各因素取值的代表性和典型性,对于敏感性研究成果至关重要,然而,这方面的相关资料甚少。这里根据有限资料,初步拟定敏感性分析工况如表1所示。

表1 敏感性分析工况

图2 1998年大洪水典型水位增减值变化过程

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[12],长江中下游堤防汛期堤内外水位差最大为8 m,一般为3~5 m。针对本文建立的概化模型,并结合了警戒水位持续天数这一影响因素,这里假定堤内外水位差的敏感性分析的变化范围为4~8 m,针对本文建立的概化模型,堤内外水位差取4~8 m,在探讨警戒水位持续天数时,假定的初始堤内外水位差为6 m,达到警戒水位时的堤内外水位差为8 m。同时本文主要是针对管涌破坏模式的影响因素的敏感性分析,堤内外水位差应选取对管涌破坏发生影响可能性较大的区间,故这里变化范围选取4~8 m。图2给出了1998年大洪水期间,长江中下游监利和黄石港2个水文站洪水位变化情况。从图2中可以看出,一般汛期河道水位上涨5 d后,开始达到警戒水位,之后水位增速放缓,堤防超警戒水位运行。10 d左右,水位变化较小;之后较长时间里,水位增值都在正负值之间波动。为了探讨超警戒水位持续天数这一指标的敏感性,参考图2实测资料,这里假定初始堤内外水位差为6 m,之后堤外水位以0.4 m/d的速度上涨,5 d后,达到警戒水位,即堤内外水位差达到8 m,之后,堤内外水位差保持不变。李广诚等[13]统计了堤防上覆弱透水覆盖层厚度对管涌险情的影响情况:当弱透水覆盖层厚度>10 m时,无管涌险情发生;当弱透水覆盖层厚度在5~10 m之间时,发生管涌险情较少;当弱透水覆盖层厚度在2~5 m之间时,发生管涌险情较多;当弱透水覆盖层厚度<2 m时,地质条件差,管涌险情多,且较为严重。这里拟定强弱透水层渗透系数比值介于10~150之间变化。

3.3 边界条件及渗流计算参数

在分析堤内外水位差、弱透水覆盖层厚度、强弱透水层渗透系数比值3个指标时,均采用稳定渗流计算。此种情况下,堤内外水位以下边界均为已知水位边界,而堤内水位以上堤内坡为可能溢出边界。在分析警戒水位持续天数时,渗流计算分为3步:①堤内外水位差6 m的稳定渗流计算;②堤外水位以0.4 m/d速度上涨至警戒水位的非稳定渗流计算,此时,堤外水位随时间变化;③警戒水位持续30 d的非稳定渗流计算。

渗流计算中,假定堤身与弱透水层为同一种黏土,其饱和渗透系数均为5×10-6m/s,则土水特征曲线和非饱和渗透系数曲线如图3所示。本文渗流计算采用GeoStudio。

图3 堤身及弱透水层土水特征曲线和非饱和渗透系数曲线

4 结果及分析

对于双层地基而言,要发生管涌,堤内弱透水层必须首先发生流土破坏。对于双层堤基,在发生渗透破坏前,上覆弱透水覆盖层(黏土层)承受较大的水压力,当水压力增大到一定程度时,黏土层薄弱地段被水流穿破发生流土破坏,形成管涌口。随着堤外水位不断增高,堤基不断发生管涌,渗流通道向上游发展。因此,本文通过统计堤内弱透水覆盖层的最大坡降的变化情况,反映各评估指标对于管涌发生的影响。

图4给出了堤内外水位差与堤内弱透水覆盖层最大坡降的变化关系。从图4中可以看出,随着堤内外水位差的增大,弱透水覆盖层最大坡降呈线性增大趋势。堤内外水位差分别为4 m和8 m时,弱透水覆盖层最大坡降分别为0.63和1.14。

图4 堤内外水位差与堤内弱透水覆盖层最大坡降关系

图5给出了警戒水位持续天数与堤内弱透水覆盖层最大坡降的变化关系。从图5中可知,当警戒水位持续天数介于0~10 d之间时,警戒水位持续天数对堤内弱透水覆盖层最大坡降的影响显著,两者呈线性关系;警戒水位持续天数分别为0 d和10 d时,堤内弱透水覆盖层最大坡降分别为0.86和1.1;而当警戒水位持续天数介于10~30 d之间时,两者仍呈线性关系,但警戒水位持续天数对堤内弱透水覆盖层最大坡降影响微弱;当警戒水位持续天数为30 d时,堤内弱透水覆盖层最大坡降仅增大为1.12。由此可见,在不同区间内,警戒水位持续天数对管涌发生的影响权重是不一样的,警戒水位持续天数的临界值为10 d。

图5 警戒水位持续天数与弱透水层最大坡降关系

图6给出了弱透水覆盖层厚度与其堤内最大坡降的变化关系。从图6中可知,当弱透水覆盖层厚度介于0.5~2 m之间时,弱透水覆盖层厚度对其堤内最大坡降影响显著;弱透水覆盖层厚度分别为0.5 m和2 m时,最大坡降分别为3.91和0.86;而当弱透水覆盖层厚度介于2~8 m之间时,弱透水覆盖层厚度对其堤内最大坡降影响不大;弱透水覆盖层厚度为8 m时,最大坡降为0.79,略低于2 m时的0.86。弱透水覆盖层厚度存在临界值,即为2 m,这一结论也与李广诚等[13]统计的弱透水覆盖层厚度与堤防管涌发生关系的结论是一致的。

图6 弱透水覆盖层厚度与其堤内最大坡降关系

图7给出了强弱透水层渗透系数比值与堤内弱透水覆盖层最大坡降的变化关系。从图7中可以看出,当强弱透水层渗透系数比值<50时,其对堤内弱透水覆盖层最大坡降的影响相对明显;强弱透水层渗透系数比值分别为10和50时,堤内弱透水覆盖层最大坡降分别为0.96和1.11;而当强弱透水层渗透系数比值介于50~150之间时,影响很小。类似地,强弱透水层渗透系数比值也存在临界值,即为50。

图7 强弱透水层渗透系数比值与弱透水层最大坡降关系

为了确定各评估指标的相对权重,这里定义敏感度,所谓敏感度,是指指标取值每变化一个单位值所引起的弱透水层最大坡降的变化值。堤防安全评估指标敏感度分析结果对比如表2所示。

表2 堤防安全评估指标敏感度分析结果对比

由表2可知,基于指标敏感性分析,确定对堤防工程安全评估指标的重要性时,要分区间确定各指标的敏感度。之后通过归一化处理,即可确定指标在安全评估中的客观权重。所谓归一化处理,是指各指标的敏感度分别占4个指标敏感度之和的比例值。

如对于某一堤防,堤内外水位差为5 m,强弱透水层渗透系数比值为100,弱透水层厚3 m,警戒水位持续4 d。对各指标对应的指标敏感度进行归一化处理之后,得到各指标的客观权重分别为:堤内外水位差(0.769),警戒水位持续天数(0.145),强弱透水覆盖层渗透系数比值(0.002),弱透水覆盖层厚度(0.084)。从结果中可以看出,给定的工况下,堤内外水位差的影响权重最大。若给定工况中,弱透水覆盖层厚度在区间0.5~2 m内,此时指标敏感度最大,为2.033,归一化处理之后的影响权重也最大。

5 结 论

针对管涌破坏模式,本文选取4个主要评估指标,建立了双层地基堤防概化模型,基于大量敏感性分析,确定了4个评估指标的客观权重,为后续建立堤防安全评估方法提供了依据。具体结论如下:

(1) 本文选取的4个评估指标中,堤内外水位差和弱透水覆盖层厚度(厚度<2 m)2个评估指标,对管涌发生影响权重相对比较大。

(2) 在确定各评估指标的客观权重时,需要分区间,如对于弱透水覆盖层厚度而言,当弱透水覆盖层厚度介于0.5~2 m时,其对管涌发生影响巨大,相应客观权重也大;而当弱透水覆盖层厚度>2 m时,其对管涌发生影响很小,相应客观权重也很小。

(3) 管涌险情的影响因素众多,本文仅针对4种主要的影响因素开展了敏感性分析研究,后续还需要开展更多影响因素的敏感性分析,以便建立更加科学合理有效的堤防安全评估方法。

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