5.12地震后战旗水库土石坝安全度评价

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1、 “5.12”地震后战旗水库土石坝安全度评价 摘要：根据 2003 年战旗水库专家组安全评价报告数据以及“5.12”地震后战旗水库的实地情况，以结构安全评价 A1、渗流安全评价 A2、抗震安全等级评价A3 为具体的评价因素，采用模糊综合评价的方法对影响土石坝安全的主要因素进行分类分层，并逐层对每个因素安全性等级进行模糊判定，再通过模糊综合评判方法得出最终的评价结果，结果表明战旗水库大坝安全综合评价为三类坝。 关键词：土石坝；模糊综合评价；安全评价 Abstract：According to a 2003 safety evaluation report senki reservoir data

2、 and expert group “5.12” battle flag after the earthquake the ground in the reservoir in order to evaluate the structural safety of A1, seepage safety assessment A2, seismic safety rating of A3 for the specific evaluation factors, the use of fuzzy comprehensive evaluation method of the main factors

3、affecting earth-rock dam safety classification of sub- layer, and layer by layer on the security level of each factor to determine the fuzzy, fuzzy comprehensive evaluation method through the end of the evaluation results obtained showed that a comprehensive evaluation of Zhan Qi dam safety three da

4、ms. Keyword： Ground dam,Fuzzy comprehensive evaluation,saftey evaluation 1、研究背景 水库安全综合评价方面我国主要采用水利部大坝安全评价导则（SL2582000）标准进行单项指标与坝体安全的综合评价。由于土石坝筑坝材料的非线性、效应的滞后性及岩基工作条件的复杂性，受力荷载、边界条件、计算参数和计算方法等还难以精确确定， 且在设计中也不可能将所有对大坝结构造成影响的因素(如实际的地质基础情况、地震强度、超设计洪水、恶劣的运行环境等)都考虑进去，或做出精确计算，这就使得土石坝实际性态与预期设计的通常不可能一致。目前，中、小型

5、水库缺乏监测与自动采集设施。中、小型水库大坝安全度评价主要由水库大坝主管部门委托专家组来认定的办法。水库大坝安全分类的正确性， 与承担技术工作的专家组的专业水平以及大坝主管部门组织工作的好坏都有直接关系。要真正对大坝结构的性态做出合理、真实的评价，就必须将位于大坝不同部位的多个测点、多个项目的效应量有机地联系起来，进行综合比较、分析和评价。“5.12”地震致使大量的水库、水电站、堤防、涵闸等水利工程出现严重震损1。四川省共有水库 6678 座，共有 1996 座水库发生震损，占水库总数的 30%，其中：大型 4 座、中型 60 座、小（1）型 331 座、小（2）型1601 座。震损水库主要分

6、布在德阳、绵阳两市。汶川地震带距离江油市较近，地震造成全市水利工程设施出现多处险情和受损情况，全市 187 座水库出现裂缝、滑坡、沉陷、变形、渗漏等险情，占全市水库总数的 100%。本文基于模糊 理论，通过实际工程检测，提出了土石坝安全度评价的模糊评判方法。 2、土石坝安全度评价方法 目前为止，尚无完整的通用性大坝安全评价准则。对于土石坝安全度评价问题分析的思路主要是根据影响土石坝安全问题内在影响因素间的物理与逻辑关系进行安全评价因素分析， 结合一定的选定原则以及实际工程经验、 相关理论与规范确定各诊断层安全评价项目集， 从而建立起土石坝安全性综合评价结构体系，逐层进行判断综合，使待解决问题层

7、次化，逐步加以解决，最后得出评价结果。 李宗坤等2提出了一种评价土石坝综合安全度的初步方法，包括土石坝工程安全性及大坝社会经济影响两个方面的研究， 在工程安全性方面应用了可靠度分析的方法计算土石坝挡水各项功能的失效概率， 在社会经济影响方面引入了社会经济影响因子，提出了利用模糊数学综合评价方法，从土石坝工程结构安全性及大坝社会经济影响两个方面对土石坝安全度进行了综合评判， 得出的结果可以用来水库除险加固优先性。吴中如、尉维斌等利用模糊数学方法自下而上的确定大坝实测性态评价体系各层元素的权重，实现对大坝安全实测性态的评判3。在分析评价中，模糊综合评价方法是理论上比较成熟并且应用十分广泛的方法，但

8、是对于各个具体大坝而言， 其指标体系是各不相同的。 当运用模糊评价对大坝进行分析时， 指标体系中的专家打分确定， 难免要依赖有本大坝观测经验的专家。每个大坝又各有各的确定准则。 由于中小型水库土石坝安全度影响因素具有复杂性， 评价准则也具模糊性， 固针对水库的实地情况提出基于模糊数学中的模糊综合评价的方法对影响土石坝安全的众多因素进行分类分层， 然后逐层对每个因素安全性等级进行模糊判定，再按照模糊综合评判方法得出最终的评价结果。 2.1 土石坝安全度评价因素集的选择 因素集是影响评判对象的各种因素所构成的集合，设有 n 种因素所构成的因素集，通常用 U 表示 U=u1，u2，un (2-1)

9、各元素 ui(i=1， 2，n)代表对评判事物有影响的因素，这些因素通常具有不同程度的模糊性，由于土石坝安全度模糊综合评判属于多级模糊综合评判，因而在进行这一步工作时， 就要建立因素体系， 即确定各级的目标和影响因素，上一级的目标同时又是下一级的影响因素。 土石坝结构及其工作条件的复杂性， 其安全评价中涉及到的因素非常多，但在评价当中并不是因素越多越好， 因素越多其相对重要性就更加难以比较， 在对中小型水库土石坝安全度评价中， 分别选取主要因素作为判断因素进行判断然后逐级综合，得出评价结果。根据战旗水库2003 年专家组安全评价报告数据以及“5.12”地震后战旗水库的实地情况拟定以下具体的评价

10、因素：1）结构安全评价 A1；2）渗流安全评价 A2；3）抗震安全等级评价 A3。 2.2 土石坝安全度评价权重集的选择 一般地各因素对所评判的对象的影响是不一致的，为了反映各因素的重要程度，对各元素 ui(i=1，2，n)应赋予相应的权数 ki(i=1，2，n)。故因素权重的分配可视为 U 上的模糊集，记为 K=k1，k2，knF(U) (2-2) 其中 ki 表示各因素 ui 的权重，它们满足归一化条件： 2.3 土石坝安全度评价集的选择 要对大坝安全性态做出评价，需要将评价因素特性划分为若干可度量的评价等级，并对每个等级加以说明，即构造一个评价因素等级的集合，并对集合中的每个元素加以定义

11、。 对评价因素特性和最终评价目标的评价等级数量划分目前尚未形成公认准则。评价因素特性和最终评价目标评价等级数量划分的多少，是一个涉及到已有方法、 相应规范、 实践经验、 人类心理活动等方面因素的问题。若等级数量划分得过少， 将不利于大坝安全形态状况真实合理的反映； 若等级数量划分得过多，又会加大确定等级间界限的难度。 评价集是由评判者对评判对象可能的各种结果所组成的集合， 设有 m 种决断所构成的评判集，通常用 V 表示 V=v1，v2，vm（2-3） 各元素 vi(i=1，2，m)代表各个可能的评判结果，模糊综合评判的目的，就是在综合考虑所有影响因素后，从评价集中得出最佳评价结果。 考虑到大

12、坝安全性态分析评价是大坝安全定期检查的一个可以量化评定的部分， 这一部分的评价等级适当分细有利于总体评价时更准确地对大坝安全状态做出判断。因此，对大坝进行安全评价时，宜采用五级法进行分析评价，即取评价级为五级，其等级用符号表述为 V=V1,V2,V3,V4 ,V5，依次代表正常，基本正常，轻度异常，重度异常，恶性异常。 3、工程概况 战旗水库位于江油市战旗镇，坝址以上集雨面积 21km2，总库容 1255万 m3，兴利库容 799 万 m3，死库容 217 万 m3；水库正常蓄水位 593.533m；设计灌溉面积 3.1 万亩。水库大坝为均质土坝， 坝轴线为直线形，最大坝高 40.37m ，坝

13、顶高程 597.80m ， 坝顶长 218m， 坝项宽 4.5m。 工程于 1970 年 12 月动工， 1976年 4 月竣工。1986 年进行过水库病险整治，但未能根除病因，大坝病害倩况不断出现。 2003 年经专家组鉴定为“三类坝”， 2007 年 4 月再次进行除险加固， 2008 年05月， 水库坝坡、 渗流稳定除险加固与溢洪道除险加固基本完成。 2008年“5.12”汶川大地震造成战旗水库枢纽工程出现不同程度的损害，主要存在以下一些问题： 1）大坝迎水面高程585.07m至 597.433m新砌砼护坡出现凹凸不平产生沉陷； 2）大坝顶部已形成砼路面折断、裂缝为 35cm； 3）大坝

14、背水面反滤层上第一马道出现横向裂缝长 15m，缝宽为 20mm。 4）大坝左右坝肩未在除险加固灌浆前渗漏量较小，而通过地震后，反而渗漏量加大，整治灌浆前为 475m3/天，地震后为 800 m3/天。 4、安全评价 4.1 结构安全评价 A1 安全评价的目的就是按照国家现行规范复核计算大坝（含近坝库岸）在静力条件下的变形、 强度及稳定是否满足要求， 遭遇地震时结构进行抗震安全复核。 4.1.1 土石坝坝体抗滑稳定等级 A11 土石坝坝体抗滑稳定是否满足规范要求，计算的目的是保证土石坝在自重、各种情况的空隙压力和外荷载作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝体和地基的整体剪切破坏，计算的工

15、况分为：1）正常运用条件：水库水位处于正常蓄水位和设计洪水位与死水位之间的各种水位的稳定渗流期；2）非常运用条件： 水库库水位位于校核洪水位的稳定渗流期和水库水位的非常降落（如自校核洪水位非常降落至死水位以下） ；3）非常运用条件：正常运用条件下遇地震。坝体抗滑稳定的安全等级取进行评价。 1）安全系数：大坝为三级建筑物，根据碾压式土石坝设计规范(SL274-2001) ，相应的坝坡抗滑稳定最小允许安全系数见表 4.1。 表 4.1坝坡抗滑稳定最小安全系数 (瑞典园弧法 ) Table 4.1 Minimum slope stability factor of safety against sl

16、iding (Sweden Park arc method) 工况 建筑物级别 正常运用情况 非正常运用情况 大坝 3 级 1.20 1.10 2）土体的抗剪强度指标：土休抗剪强度指标选用是否合理，直接影响到坝坡抗滑稳定分析成果的可靠程度。计算力学指标采用情况见表 4.2。 表 4.2 计算力学指标 Table 4.2Indicators of Computational Mechanics 部 位 非饱和固结快剪 饱和固结快剪 C(Kpa) (度) C(Kpa) (度) 上游坝体土 19.8 20.2 17.5 18.4 下游坝体土 18.6 19.8 16.8 18.0 堆石体 36 34

17、 3）坝体各种材料的容重：坝体材料的容重见表4.3。 表 4.3 坝体土料的容重 Table 4.3 The of bulk soil dam 名称 上游坝体土 下游坝体土 堆石体 湿容重(KN/m3) 饱和容重(KN/m3) 浮容重(KN/m3) 19.2 20 10 19.4 19.8 9.8 18.4 20.2 10.2 4）计算工况 上游坝坡： 工况一：由正常高水位 593.533m 降至 1/3 坝高； 工况二：由正常水位 593.933m 降至死水位 578.433m； 工况三： 由设计洪水位 595.720m 骤降至溢流堰堰顶高程 593.533m 再降至死水位 578.433m

18、。 工况四： 由校核洪水位 596.310m 骤降至溢流堰堰顶高程 593.533m 再降至死水位 578.433m。 下游坝坡: 工况一：正常高水位 593.533m 稳定渗流期坝坡稳定分析计算； 工况二：设计洪水位 595.720m 渗流期坝坡稳定计算分析； 工况三：校核洪水 位 596.310m 渗流期坝坡稳定计算分析； 5）坝体各部位容重的采用：坝体各部位容重的采用见表 4.4。 表 4.4 坝体容重采用表 Table 4.4 Table dam using bulk density 项目 迎水坡 背水坡 抗滑力 滑动力 抗滑力 滑动力 部位 浸润线以上 湿容重 湿容重 湿容重 湿容重

19、 浸润线以下 浮容重 饱和容重 浸润线以下 浮容重 浮容重 净水位以下 浮容重 浮容重 骤降影响区域 浮容重 饱和容重 6）计算方法：根据SL274-2001规范的计算方法(瑞典园弧法)采用在微机上用水利水电科学研究院编制的土石坝边坡稳定分析程序 STAB2000 进行复核计算。 该程序可用以计算各种土石坝的上游坝坡在库水位正常降落及骤降时的坝坡稳定情况和下游坝坡在正常和非常渗流情况下的稳定安全系数，并给出以上条件下的坝坡抗滑稳定最小安全系数、最危险滑动圆心的坐标及滑弧半径。 7）计算成果 上游坝坡： 工况一：其抗滑稳定最小安全系数， Kmin=1.249，大于K=1.20； 工况二：其抗滑稳

20、定最小安全系数，Kmin=1.211，大于K=1.20； 工况三：其抗滑稳定最小安全系数，Kmin=1.133，小于K=1.20； 工况四：其抗滑稳定最小安全系数，Kmin=1.048，小于K=1.10； 下游坝坡： 工况一：其抗滑稳定最小安全系数，Kmin=1.218，大于K=1.20； 工况二：其抗滑稳定最小安全系数，Kmin=1.202，大于K=1.20； 工况三：其抗滑稳定最小安全系数，Kmin=1.135，大于K=1.10； 成果分析：上游坝坡在工况三、四下，抗滑稳定最小安全系数不满足规范要求；下游坝坡的抗滑稳定最小安全系数满足规范的要求。 结合战旗水库大坝目前的病害特征及计算结果，

21、 得出坝坡抗滑稳定的安全性等级 A11 A11=（v1,v2,v3,v4,v5）=（0，0.5，0.5，0，0） 4.1.2 大坝变形的安全等级 A12 对于土石坝的变形分析，采用经验方法相对沉降率法，相对沉降率及竖向位移与坝高的比率。相对沉降率小，坝不会产生裂缝；相对沉降率大，则坝可能会产生裂缝。国内外许多人在这方面做过调查统计。顾淦臣教授在调查整理了国内 45 座，国外 10 座土石坝之后指出：竣工后相对沉降率 3%的都产生裂缝：竣工后相对沉降率在 1%3%范围内的坝，有的有裂缝，有的不裂缝。竣工后相对沉降率是指竣工后至沉陷稳定， 这个时期的沉陷量与坝高的比率。 从理论上讲，这个时间是无穷

22、大，但实际上，竣工 35 年大多数坝沉陷已经稳定。 根据资料可以得出战旗水库坝体相对沉降率为 1.9%， 则坝体变形的安全 等级 A12 A12=（v1,v2,v3,v4,v5）=（0，0，0.1，0.9，0） 4.2 渗流安全评价 A2 渗流产生的空隙水压力和坝基渗透水压力，在设计不当和施工质量欠佳时会造成渗流破坏和降低抗剪强度等有损坝体稳定的现象， 是影响土石坝安全的一个主要原因。 渗流安全性评价目的是复核原设计施工的渗流控制措施和当前的实际渗流状态能否保证大坝按设计条件运行。 1）计算公式及计算参数的选定 计算公式如下： 达西定律： （41） 渗流运动连续性方程： （42） 渗流微分方程

23、： （二维） （43） 自由面变动渗流微分方程：(二维) （44） 由于在坝体取样所做实验结果相差不大，都在同一数量级，所以取平均值作为土料的渗透系数，堆石排水体由经验取值。具体数值见表4.5。 表 4.5 渗透系数表 Table 4.5Permeate coefficient form 项目 单位 取值 备注 坝体土 cm/s 2.310-5 地勘报告(注水试验) 堆石体 cm/s 1.010-2 地勘报告 干砌块石 cm/s 1.010-2 地勘报告 2）计算工况 根据战旗水库的特征值和运行时库水位的平均降落速度，以及试验报告提供的渗透系数 K 值，按水利计算手册推荐的判别式 K/(uv)

24、的计算，经过计算，可判定库水位在降落时为缓降。 计算工况如下： 工况 1：上游正常高水位+下游相应的最低水位； 工况 2：上游设计洪水位+下游相应的最低水位； 工况 3：上游校核洪水位+下游相应的最低水位； 工况 4：上游校核水位骤降至死水位+下游相应的最低水位。 3）计算方法 取大坝的最大典型剖面， 采用二维渗流有限元法进行渗流计算分析，本程序可用于稳定渗流和非稳定渗流分析。 4）计算成果 根据战旗水库大坝现状的最大剖面图和战旗水库工程地质报告及土工试验报告中的渗透系数建议数值。 采用二维渗流有限元程序， 对各种计算工况进行了稳定渗流有限元计算，计算成果见表4.6。 表 4.6 渗流量计算成

25、果表(m3/d.m) Table 4.6 Calculation of the results of seepage(m3/d.m) 工况 单宽渗流量(m3/d/m) 逸出点高程（m） 坝坡出逸坡降 工况一 0.264 558.456 0.911 工况二 0.296 558.459 0.951 工况三 0.316 558.462 0.990 工况四 / （上游）581.190 （下游）558.457 0.899 根据算术平均的原则，最终得出出逸坡降对渗流影响的安全等级为： A21=（v1,v2,v3,v4,v5）=（0，0，0，0.45，0.55） 现对高程对渗流影响的安全等级为： A22=（

26、v1,v2,v3,v4,v5）=（0，0，0，0.42，0.58） 从而得出坝体渗透稳定安全等级为： A2=（v1,v2,v3,v4,v5）=（0，0，0.21，0.51，0.28） 4.3 抗震安全等级评价 A3 1）地震基本烈度 根据现行地震动参数区划 ， 战旗水库坝址区地震动峰值加速度 0.10g，对应地震基本烈度为度，由于水库缺乏地震观测设施，所以在震后无法测出当时的烈度，只能根据设计情况进行抗震计算。 2）地震荷载 根据规范及工程的实际情况，计算考虑水平向地震作用、竖向地震作用，并按最不利坝坡稳定的情况计算。 3）计算工况 上游坝坡 正常高水位计入地震时的坝坡稳定分析计算； 正常高水

27、位降至死水位计入地震时的坝坡稳定分析计算； 设计洪水位降至死水位计入地震时的坝坡稳定分析计算。 下游坝坡正常高水位形成的稳定渗流期计入地震时的坝坡稳定分析计算； 设计洪水位形成的稳定渗流期计入地震时的坝坡稳定分析计算； 4）计算方法及计算参数的选取 按水工建筑物抗震设计规范的要求，计入地震的作用，根据碾压式土石坝设计规范 ，采用拟静力法计算公式计算。 计算土力学参数同结构稳定分析，地震参数按规定取用。 5）计算成果 上游坝坡： 工况一：抗滑稳定最小安全系数 Kmin=1.102，大于K=1.058； 工况二：抗滑稳定最小安全系数 Kmin=1.038，小于K=1.058； 工况三：抗滑稳定最小

28、安全系数 Kmin=0.943，小于K=1.058； 下游坝坡： 工况一：抗滑稳定最小安全系数 Kmin=1.134，大于K=1.058； 工况二：抗滑稳定最小安全系数 Kmin=1.093，大于K=1.058； 综上所述，在基本地震烈度作用下，大坝上游坡在工况二、三下最小安全系数小于规范允许值；下游坝坡满足规范要求。由公式 （46） 求得=0.5 因此战旗水库大坝抗震安全等级 A3 为： A3=（v1,v2,v3,v4,v5）=（0，0.5，0.5，0，0） 5、评价结果 综上所述，可以得出土石坝安全评价因素及子因素见表 5.1。 表 5.1 土石坝安全度评价因素及子因素 Table 5.1

29、 Evaluation of earth-rock dam safety factors and sub-factors 总目标 第一层影响因素 第二层影响因素 土石 坝安 全度 A 结构安全评价 A1 抗滑稳定分析 A11 坝体变形分析 A12 渗流安全评价 A2 出逸坡降对渗流影响的安全等级分析 A21 出逸点相对高程对渗流影响的安全等级分析 A22 抗震安全等级评价 A3 根据战旗水库评价因素及隶属函数，可以得出判断矩阵的排序权值，结果见表 5.2。 表 5.2 根据 AGA-CAHP 计算上述判断矩阵的排序权值的结果 Table 3.19 Calculated in accordanc

30、e with AGA-CAHP the above-mentioned matrix to determine the value of the results of the right sort 判断矩阵 排序权值 一致性指标系数值 1 2 3 4 5 6 1 0.875 0.125 0 2 0.750 0.25 0 3 0.875 0.125 0 对于 判断矩阵，应用特征值向量求得的结果为 （1，2，3，4，5，6）=（0.097，0.050，0.190，0.275，0.336，0.052） ， max=6.40 一致性指标系数值 CR=0.063 由此可得， 战旗水库的的整体权重 A=( v1,v2,v3,v4,v5)=(0.06， 0.14， 0.31，0.21，0.28)，震后战旗水库受损严重程度较高，根据水利部水库大坝安全评价导则第 9.3 条的规定，水库大坝安全综合评价为三类坝。 注：文章内的图表及公式请以 PDF 格式查看