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堤防工程安全评价综述摘要：本文通过阐述我国堤防工程特点，强调堤防工程安全评价的必要性；通过综述国内外堤防工程安全评价的现状及方法，说明了堤防工程安全评价的可能，为堤防安全预测提供了保障信息；同时，也提出了未来监测发展的趋势。关键词：堤防工程；安全评价；监测；1引言我国堤防工程历史悠久，堤身内存在许多古河道、老口门、遗留的构筑物、虚土层、透水层等隐患，在洪水期间极易形成渗水、管涌、漏洞、散浸、跌窝等险情，严重威胁堤防工程的安全。有些堤防工程施工质量比较差，压实质量达不到设计要求，主要江河的防洪标准仍然偏低。堤防工程还存在生物破坏问题，南方的白蚁，北方的灌、狐、鼠类，对堤防的破坏作用很大。加之大多堤防工程已运行数十年，甚至上百年，存在不同程度的老化问题，堤身长期浸润，易于产生液化、沉陷和变形，而长期脱水则可能产生裂缝。因此，当遇到超过防御标准的洪水，我国大多堤防工程就显示出控制性工程偏少或堤防高度不足等问题;若遇到特大洪水，人力则无法抗御，洪水灾害难于幸免[1]。由此可见，这些堤防工程的安全不仅直接影响到经济效益的充分发挥，而且威胁到河道两岸人民的生命财产安全，是关系到国计民生的大事。加强堤防工程的安全鉴定和除险加固工作己经迫在眉睫。2安全评价的概念及其在大坝安全分析中的应用安全评价是指对一个具有特定功能的工作系统中固有的或潜在的危险及其严重程度所进行的分析和评价，并以既定指数、等级或概率值做出定量的表示，最后根据定量值的大小决定采取的预防或防护对策。根据评价目的、要求和范围的不同，出现了许多评价方法，其中应用比较广泛的就有五种方法:(1)评分法;(2)检查表评价法;(3)危险指数评价法;(4)概率法;(5)综合法。但通常可以归纳为两类方法，即确定论方法和概率论方法。这两类方法论是从不同的角度回答“安全应达到什么水平才算安全”以及“系统现在的安全性如何”这两个基本问题。鉴于安全评价的对象非常复杂，目前还没有形成一种能够通用的评价方法。一般认为，对一个工程系统进行安全评价时，首先应通过系统安全分析，识别系统固有的或潜在的危险，然后根据安全标准进行危险分级，进而采取相应的措施预防或消除危险。因此，安全评价方法通常按下列程序进行:(l)危险的确定，即识别出系统中可能出现危险的种类、性质、范围以及发生条件:(2)危险的检测和分析，即通过一定的手段测定、分析和判明危险，包括固有的和潜在的危险，及在一定条件下转化生成的危险;(3)危险的定量化，即把危险的评价项目通过定量化处理，确定其发生的概率和危险程度;(4)危险的处理，即为消除危险所采取的技术措施和管理措施;(5)综合评价，采取系统分析评价方法，进行概率危险度评价和危险度等级评定，然后同现定的安全指标比较，以求判明所达的水平。由此可见，选择合适的评价方法，并按照一定的程序对某一工程系统进行安全评价，是保证获得准确结果的基本条件。3国内外研究现状3.1国内现状由于堤防工程的特点，现阶段我国对堤防工程的补强加固工作主要还是依赖定期检查结果进行的。同时受监测技术、经费以及管理条件的限制，在堤防上使用的监测仪器往往很难达到预期的效果，造成堤防工程安全鉴定所需的基础资料不全，尚未形成系统的堤防工程安全鉴定方法。因此，在堤防工程的除险加固中，常常出现由于对危及堤防安全的因素分析不明，而影响加固效果的问题。随着堤防工程管理技术的发展，信息化水平己经逐步成为河流治理开发和管理现代化进程的标志，国内外不少学者正尝试结合信息技术研究堤防安全评价系统和方法，以为堤防除险加固服务[2，4]。我国对数学监控模型的研究工作起步相对较晚，二十世纪七十年代以前主要采用定性分析，并通过绘制过程线和最大、最小等简单特征值的统计来分析例如，七十年代以后，在河海大学陈久宇教授等创导下，应用统计回归分析原型观测资料，并将分析成果加以物理成因解释[5]。二十世纪八十年代中期，以河海大学吴中如[6，8]院士为首的广大学者提出了裂缝开合度统计模型的建立和分析方法、坝顶水平位移的时间序列分析法以及大坝位移确定性模型的原理和方法。3.2国外现状近年来，国内外已在传统的大坝设计理论基础上，参考和借鉴相关领域内的研究成果和方法，开始考虑水库大坝安全评价和保障问题。西方发达国家，如英国、美国、意大利和澳大利亚等国家在大坝安全风险分析方面处于领先水平。随着数学学科的迅速发展，基于资料序列的分析方法也得到了相应的丰富和拓展。国内外众多学者开始尝试通过监测资料序列建立数学监控模型以揭示堤坝的长期运行规律和结构性态，高效、快捷地对堤坝安全状况做出恰如其分的评价。国外在上个世纪五十年代以前主要对观测值作定性分析。1956年，D.Tonini首次从大坝位移资料中分离出水压、温度和时效三个部分，并以三次多项式来表示水压分量、温度分量和时效分量[9]。1958年，xerez采用气温作为温度因子，并取观测前不同天数的平均气温来分析Castelo拱坝的观测资料[11]。Rocha等人于1958年采用大坝横断面各层平均温度和温度梯度作为温度因子，并以函数式来表示水位因子。Silvera于1964年引入了幂函数来表示时效变化。中村庆一等于1963年采用回归分析法分析大坝实测资料，并筛选出显著因子，建立回归方程[10]。Guedes于1985年应用多元线性回归拟合原因量与效应量的关系，这种方法能分离各个分量，并且能确定原因量和效应量的最佳经验公式。Kalkani等于1989年采用多项式回归模型分析Kremasta拱坝渗压计测得的数据。近几年来，国内外对数学监控模型的研究工作逐渐向纵深方向发展，各种新理论、新方法被引入到大坝实测性态分析中。例如，信息完全明确的系统为白色系统，完全不明确的系统为黑色系统，部分明确的系统为灰色系统。灰色系统用灰数描述不明确定量，灰色预测不仅仅把观测数据看成随机过程，而且看成随时间变化的灰色量或灰色过程，然后建立相应的预测模型。灰色理论将无(弱)规律的原始数据生成后，使其变为较(强)有规律的数据，然后建立分析模型。灰色理论在数学监控模型领域得到了一些应用[11，12]，吴中如等将水压、温度等因素白化，建立了坝体应力GM预测模型。灰色理论也被应用到大坝变形预测中，马能武提出了大坝观测资料的动平均灰色模型[13]。1965年LA.Zadeh创立了模糊集合论，为描述与处理事物的模糊性和系统中的不确定性，模拟人的模糊逻辑功能，提供了强有力的工具。同时，人工神经网络也为堤防安全评价提高保障。它是一种基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的新型信息处理系统，是由大量的简单处理单元连接而成的自适应非线性动力学系统，具有大规模的并行处理，分布式的信息存贮，自适应、自组织及学习等功能。4堤防工程安全评价方法概括与大坝安全评价相比，国内外对于堤防工程的安全评价研究尚处于起步阶段，目前还没有形成一套适用的理论和方法。在国外，有关国家己经开始利用先进的计算机信息技术，对堤防信息进行管理和集成，为防汛调度提供决策依据。有关资料表明，堤防工程的技术分析、安全评价已成为今后堤防工程科学管理的发展方向。例如，日本、荷兰等发达国家的江河(海)堤防的管理决策系统就比较先进。但是，从现有的资料看，不同国家针对自己的国情和堤防工程的特点，研究的侧重点也不同。下面对国内外有关堤防工程安全评价方面的研究现状进行简要综述。4.1堤防工程安全性评价调查的指标体系和调查方法在国外，以日本为代表，堤防工程安全性评价是采用调查指标体系和调查方法进行的。在日本，现有河川堤防所防御的大部分地区内，人口和资产有明显的集中趋势，要求提高河川堤防工程安全性的社会呼声也日益高涨。在此背景下，日本建设省河川局针对日本全国各地的河川堤防工程的安全性问题，组织专家在深入研究的基础上，编审了系列化的技术指南《河川堤防总检点手册》。它们被用于指导全日本堤防工程安全性调查和评价工作。日本堤防渗流安全性调查的基本步骤是先普查后细查。在普查中，根据堤防及基础土层的土质特点、外力条件和受灾历史，根据最不利状态优先和综合考虑的原则，将各段堤防的渗透安全性概略地划分为:A(安全性高);B(安全性较高);C(安全性较低);D(安全性低)四种不同的等级。依据已概略划分出的堤防渗透安全性等级，考虑堤防后防洪区的重要性程度，可选出需要详细调查的堤段区间。堤防实际的渗透安全性最终由详细的土质调查和分析评价的结果来确定。细查是在选定区间内实施的。包括实施详细的土质调查和在此基础上进行详细的堤防渗透安全性评价两部分。普查和细查的结果不仅为堤防加固处理方案和方法的选择服务，也为堤防的管理工作提供了科学依据[14,15]。这方面的经验可供我们参考和借鉴。4.2堤防工程安全性评价的方法安全评价对于堤防工程长期维持安全运行是必不可少的。但是，在这方面，目前只有荷兰进行过相关的研究。荷兰的防洪体系由一个主干堤的综合系统构成。为了评价堤防构成的安全性，将整个堤防系统划分为一系列相对独立的子系统，每个子系统均有一个可接受的风险水平(即安全标准)，这些标准由防洪法确定。堤防工程安全评价是按照高于破坏界限(failurehmit)的程度进行排列判断的。所谓的破坏界限取决于三个因素:①社会能够接受的安全性指标;②测试和评价结构物强度的方法;③确定和评价水力边界(荷载)的方法。从这三点出发，遵循挡水结构物的评分标准，并在指南中采用一种称为“ROG”(rulesofgame)的方法，将荷兰的堤防工程安全性等级共分为四级:优(good)、良(Sufficieni)、中(doubt)和差(bad)。这些破坏界限己经在荷兰水工建筑技术顾问委员会提出的设计、评价准则中加以规定。荷兰的研究经验表明，堤防工程安全性评价不是一个静态事件，而是一个连续的动态过程。荷兰的国家法律要求每五年进行一次详细的堤防检查和安全性评价，政府每五年颁布与堤防工程安全标准有关的水力边界条件，另外，每五年发布运用最新知识进行安全评价的技术指导。4.3基于堤防监测资料的实时性态评价方法现阶段，国内外针对堤防工程结构性态评价方面的研究还很少。由于堤防工程的条件复杂，监测仪器的安装还不完善，导致了各监测项目资料比较缺乏，在大坝中应用较广的统计模型等资料分析方法很难在堤防工程中得到应用。由于灰色系统理论和方法对短序列资料的处理比较灵活，具有较强的自适应性等特点，已有学者尝试通过建立灰色系统预测模型对堤防工程隐患探测的结果进行评估少[16,17]。随着信息技术的发展，水利学者开始探讨建立堤防工程自动化监测和安全预警系统技术[18]，初步建立了以监测数据为基础的渗流安全评价模型和滑坡预测模型。前者将土层实际承受的渗透水力坡降与土的临界水力坡降进行比较，分为安全、轻度危险、严重危险和即将破坏等四级标准;后者采用灰色和突变理论对堤坡位移和滑坡与否进行预测。此外，为考虑各种土层厚度不均匀和土的抗渗强度不均匀性，建立了渗流安全评价的概率模型;为对下一时刻的渗流安全进行预测，建立了渗流安全灰色预测模型。虽然，这些只是针对堤防工程安全某方面的研究，但是为堤防工程安全综合评价提供了一定的思路和方法。4.4基于堤防工程破坏机理的评价方法长江水利科学研究院对堤防工程破坏机理和安全评价的方法进行了初步研究，收集整理了典型堤段的地质、水文、材料特性及汛期险情等基本资料，研究了堤防分段分类的影响因素，并进行了断面概化，建立了堤防渗流计算及概率模型，进行了堤防渗透破坏机理实验研究[19,20]。但是，由于目前还缺乏科学完善的堤防工程安全性调查评价的指标体系、调查方法和技术标准，因而在目前的堤防加固设计之前，几乎没有进行过专门的安全评价工作，只是在加固设计的过程中参照土坝的方法核算堤防断面是否满足设计要求，必要时对堤身抗滑稳定性和堤基渗透稳定性进行复核，计算相应的安全系数，对于重要程度不同的堤段采用不同的安全系数。5.总结与展望由于影响堤防工程安全的因素众多，虽然有不少学者对堤防渗流、稳定评价方法进行过研究，但尚未建立堤防工程的安全评价体系，也未对堤防工程安全性态的整体评价进行过相关的探讨。近年来，随着堤防建设力度的加大，部分堤