(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

1 研究背景

管涌是一種主要的堤防滲透破壞形式[1]。考慮管涌破壞模式，建立堤防工程安全評估方法，對于堤防科學(xué)預(yù)警、制定科學(xué)有效的管涌防范措施等，均具有重要的理論和實際意義。在建立堤防安全評估方法的過程中，確定評估指標的權(quán)重至關(guān)重要，目前常見的指標賦權(quán)方法有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法基于評估者主觀判斷進行賦權(quán)，對評估者經(jīng)驗要求較高，不同評估者給出的權(quán)重可能千差萬別；而客觀賦權(quán)法基于客觀數(shù)據(jù)進行賦權(quán)，可以避免上述問題，因此，得到廣泛應(yīng)用。常用的客觀賦權(quán)法有熵值法[2-3]和投影尋蹤法[4-5]等。何曉潔等[3]在對黃河下游堤防進行安全評價時，在專家打分的基礎(chǔ)上，通過熵值法獲得了評估指標的客觀權(quán)重。蘇懷智等[4]將投影尋蹤法應(yīng)用到海堤安全評估指標賦權(quán)中，通過遺傳算法加快了尋找最優(yōu)投影向量的過程，實現(xiàn)了評估指標的客觀賦權(quán)。本文擬通過對誘發(fā)堤防管涌的幾個主要影響因素的敏感性分析，確定各因素的權(quán)重，為堤防安全評估提供客觀賦權(quán)的科學(xué)依據(jù)。

2 管涌破壞模式的主要評估指標

關(guān)于管涌的主要影響因素，眾多學(xué)者已進行了深入研究,如:張家發(fā)等[6]探討了堤內(nèi)外水位差、堤身滲透性、弱透水覆蓋層厚度等因素對堤防滲透規(guī)律的影響。易朝路等[7]指出警戒水位持續(xù)天數(shù)即高水位持續(xù)天數(shù)，與管涌的發(fā)生密切相關(guān)。劉杰等[8]指出土層滲透系數(shù)之比>100的雙層堤基最容易發(fā)生管涌險情。丁留謙等[9]統(tǒng)計分析了1998年長江流域管涌險情特點，資料顯示，長江流域發(fā)生的管涌險情中，有很大一部分是由于堤基上覆弱透水層較薄或被人為破壞所引起的。劉杰等[10]的研究成果也表明，上覆弱透水覆蓋層厚度越大，堤基相對就越安全。

由于引發(fā)管涌因素眾多，有些因素還難以定量刻畫，為此，本文選定警戒水位持續(xù)天數(shù)、堤內(nèi)外水位差、強弱透水層滲透系數(shù)比值和弱透水覆蓋層厚度4個主要影響因素，作為評價管涌破壞模式下堤防安全評估的主要指標。 強弱透水層滲透系數(shù)比值與土層滲透系數(shù)之比的共同點為：兩者均為雙層堤基下層土滲透系數(shù)與雙層堤基上層土滲透系數(shù)的比值。其不同點為土層滲透系數(shù)之比主要是針對砂土與2種礫石互層和黏土與砂及砂礫石互層的4種雙層堤基，研究堤基的滲透機理；強弱透水層滲透性比值指的是雙層堤基中下層砂土層滲透系數(shù)與上層黏土層滲透系數(shù)的比值。

圖1 雙層地基堤防概化模型

3 敏感性分析

3.1 概化模型

圖1給出了雙層地基堤防概化模型。根據(jù)長江中下游和黃河下游堤防地質(zhì)統(tǒng)計資料[11]：雙層堤基是一種普遍存在且具有典型代表性的堤基結(jié)構(gòu)。另外，根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)[12]，擬定堤身堤內(nèi)外坡坡比為1∶3，堤頂寬度10 m，堤身高度10.5 m，堤基總厚度50 m。

3.2 敏感性分析工況

對于不同的堤防而言，各影響因素的取值范圍均是不同的，各因素取值的代表性和典型性，對于敏感性研究成果至關(guān)重要，然而，這方面的相關(guān)資料甚少。這里根據(jù)有限資料，初步擬定敏感性分析工況如表1所示。

表1 敏感性分析工況

圖2 1998年大洪水典型水位增減值變化過程

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)[12]，長江中下游堤防汛期堤內(nèi)外水位差最大為8 m，一般為3～5 m。針對本文建立的概化模型，并結(jié)合了警戒水位持續(xù)天數(shù)這一影響因素，這里假定堤內(nèi)外水位差的敏感性分析的變化范圍為4～8 m,針對本文建立的概化模型，堤內(nèi)外水位差取4～8 m，在探討警戒水位持續(xù)天數(shù)時，假定的初始堤內(nèi)外水位差為6 m，達到警戒水位時的堤內(nèi)外水位差為8 m。同時本文主要是針對管涌破壞模式的影響因素的敏感性分析，堤內(nèi)外水位差應(yīng)選取對管涌破壞發(fā)生影響可能性較大的區(qū)間，故這里變化范圍選取4～8 m。圖2給出了1998年大洪水期間，長江中下游監(jiān)利和黃石港2個水文站洪水位變化情況。從圖2中可以看出，一般汛期河道水位上漲5 d后，開始達到警戒水位，之后水位增速放緩，堤防超警戒水位運行。10 d左右，水位變化較小；之后較長時間里，水位增值都在正負值之間波動。為了探討超警戒水位持續(xù)天數(shù)這一指標的敏感性，參考圖2實測資料，這里假定初始堤內(nèi)外水位差為6 m，之后堤外水位以0.4 m/d的速度上漲，5 d后，達到警戒水位，即堤內(nèi)外水位差達到8 m，之后，堤內(nèi)外水位差保持不變。李廣誠等[13]統(tǒng)計了堤防上覆弱透水覆蓋層厚度對管涌險情的影響情況：當弱透水覆蓋層厚度>10 m時，無管涌險情發(fā)生；當弱透水覆蓋層厚度在5～10 m之間時，發(fā)生管涌險情較少；當弱透水覆蓋層厚度在2～5 m之間時，發(fā)生管涌險情較多；當弱透水覆蓋層厚度<2 m時，地質(zhì)條件差，管涌險情多，且較為嚴重。這里擬定強弱透水層滲透系數(shù)比值介于10～150之間變化。

3.3 邊界條件及滲流計算參數(shù)

在分析堤內(nèi)外水位差、弱透水覆蓋層厚度、強弱透水層滲透系數(shù)比值3個指標時，均采用穩(wěn)定滲流計算。此種情況下，堤內(nèi)外水位以下邊界均為已知水位邊界，而堤內(nèi)水位以上堤內(nèi)坡為可能溢出邊界。在分析警戒水位持續(xù)天數(shù)時，滲流計算分為3步：①堤內(nèi)外水位差6 m的穩(wěn)定滲流計算；②堤外水位以0.4 m/d速度上漲至警戒水位的非穩(wěn)定滲流計算，此時，堤外水位隨時間變化；③警戒水位持續(xù)30 d的非穩(wěn)定滲流計算。

滲流計算中，假定堤身與弱透水層為同一種黏土，其飽和滲透系數(shù)均為5×10-6m/s，則土水特征曲線和非飽和滲透系數(shù)曲線如圖3所示。本文滲流計算采用GeoStudio。

圖3 堤身及弱透水層土水特征曲線和非飽和滲透系數(shù)曲線

4 結(jié)果及分析

對于雙層地基而言，要發(fā)生管涌，堤內(nèi)弱透水層必須首先發(fā)生流土破壞。對于雙層堤基，在發(fā)生滲透破壞前，上覆弱透水覆蓋層(黏土層)承受較大的水壓力，當水壓力增大到一定程度時，黏土層薄弱地段被水流穿破發(fā)生流土破壞，形成管涌口。隨著堤外水位不斷增高，堤基不斷發(fā)生管涌，滲流通道向上游發(fā)展。因此，本文通過統(tǒng)計堤內(nèi)弱透水覆蓋層的最大坡降的變化情況，反映各評估指標對于管涌發(fā)生的影響。

圖4給出了堤內(nèi)外水位差與堤內(nèi)弱透水覆蓋層最大坡降的變化關(guān)系。從圖4中可以看出，隨著堤內(nèi)外水位差的增大，弱透水覆蓋層最大坡降呈線性增大趨勢。堤內(nèi)外水位差分別為4 m和8 m時，弱透水覆蓋層最大坡降分別為0.63和1.14。

圖4 堤內(nèi)外水位差與堤內(nèi)弱透水覆蓋層最大坡降關(guān)系

圖5給出了警戒水位持續(xù)天數(shù)與堤內(nèi)弱透水覆蓋層最大坡降的變化關(guān)系。從圖5中可知，當警戒水位持續(xù)天數(shù)介于0～10 d之間時，警戒水位持續(xù)天數(shù)對堤內(nèi)弱透水覆蓋層最大坡降的影響顯著，兩者呈線性關(guān)系；警戒水位持續(xù)天數(shù)分別為0 d和10 d時，堤內(nèi)弱透水覆蓋層最大坡降分別為0.86和1.1；而當警戒水位持續(xù)天數(shù)介于10～30 d之間時，兩者仍呈線性關(guān)系，但警戒水位持續(xù)天數(shù)對堤內(nèi)弱透水覆蓋層最大坡降影響微弱；當警戒水位持續(xù)天數(shù)為30 d時，堤內(nèi)弱透水覆蓋層最大坡降僅增大為1.12。由此可見，在不同區(qū)間內(nèi)，警戒水位持續(xù)天數(shù)對管涌發(fā)生的影響權(quán)重是不一樣的，警戒水位持續(xù)天數(shù)的臨界值為10 d。

圖5 警戒水位持續(xù)天數(shù)與弱透水層最大坡降關(guān)系

圖6給出了弱透水覆蓋層厚度與其堤內(nèi)最大坡降的變化關(guān)系。從圖6中可知，當弱透水覆蓋層厚度介于0.5～2 m之間時，弱透水覆蓋層厚度對其堤內(nèi)最大坡降影響顯著；弱透水覆蓋層厚度分別為0.5 m和2 m時，最大坡降分別為3.91和0.86；而當弱透水覆蓋層厚度介于2～8 m之間時，弱透水覆蓋層厚度對其堤內(nèi)最大坡降影響不大；弱透水覆蓋層厚度為8 m時，最大坡降為0.79，略低于2 m時的0.86。弱透水覆蓋層厚度存在臨界值，即為2 m，這一結(jié)論也與李廣誠等[13]統(tǒng)計的弱透水覆蓋層厚度與堤防管涌發(fā)生關(guān)系的結(jié)論是一致的。

圖6 弱透水覆蓋層厚度與其堤內(nèi)最大坡降關(guān)系

圖7給出了強弱透水層滲透系數(shù)比值與堤內(nèi)弱透水覆蓋層最大坡降的變化關(guān)系。從圖7中可以看出，當強弱透水層滲透系數(shù)比值<50時，其對堤內(nèi)弱透水覆蓋層最大坡降的影響相對明顯;強弱透水層滲透系數(shù)比值分別為10和50時，堤內(nèi)弱透水覆蓋層最大坡降分別為0.96和1.11;而當強弱透水層滲透系數(shù)比值介于50～150之間時，影響很小。類似地，強弱透水層滲透系數(shù)比值也存在臨界值，即為50。

圖7 強弱透水層滲透系數(shù)比值與弱透水層最大坡降關(guān)系

為了確定各評估指標的相對權(quán)重，這里定義敏感度，所謂敏感度,是指指標取值每變化一個單位值所引起的弱透水層最大坡降的變化值。堤防安全評估指標敏感度分析結(jié)果對比如表2所示。

表2 堤防安全評估指標敏感度分析結(jié)果對比

由表2可知，基于指標敏感性分析，確定對堤防工程安全評估指標的重要性時，要分區(qū)間確定各指標的敏感度。之后通過歸一化處理，即可確定指標在安全評估中的客觀權(quán)重。所謂歸一化處理，是指各指標的敏感度分別占4個指標敏感度之和的比例值。

如對于某一堤防，堤內(nèi)外水位差為5 m，強弱透水層滲透系數(shù)比值為100，弱透水層厚3 m，警戒水位持續(xù)4 d。對各指標對應(yīng)的指標敏感度進行歸一化處理之后，得到各指標的客觀權(quán)重分別為：堤內(nèi)外水位差(0.769)，警戒水位持續(xù)天數(shù)(0.145)，強弱透水覆蓋層滲透系數(shù)比值(0.002)，弱透水覆蓋層厚度(0.084)。從結(jié)果中可以看出，給定的工況下，堤內(nèi)外水位差的影響權(quán)重最大。若給定工況中，弱透水覆蓋層厚度在區(qū)間0.5～2 m內(nèi)，此時指標敏感度最大，為2.033，歸一化處理之后的影響權(quán)重也最大。

5 結(jié) 論

針對管涌破壞模式，本文選取4個主要評估指標，建立了雙層地基堤防概化模型，基于大量敏感性分析，確定了4個評估指標的客觀權(quán)重，為后續(xù)建立堤防安全評估方法提供了依據(jù)。具體結(jié)論如下：

(1) 本文選取的4個評估指標中，堤內(nèi)外水位差和弱透水覆蓋層厚度(厚度<2 m)2個評估指標，對管涌發(fā)生影響權(quán)重相對比較大。

(2) 在確定各評估指標的客觀權(quán)重時，需要分區(qū)間，如對于弱透水覆蓋層厚度而言，當弱透水覆蓋層厚度介于0.5～2 m時，其對管涌發(fā)生影響巨大，相應(yīng)客觀權(quán)重也大；而當弱透水覆蓋層厚度>2 m時，其對管涌發(fā)生影響很小，相應(yīng)客觀權(quán)重也很小。

(3) 管涌險情的影響因素眾多，本文僅針對4種主要的影響因素開展了敏感性分析研究，后續(xù)還需要開展更多影響因素的敏感性分析，以便建立更加科學(xué)合理有效的堤防安全評估方法。