黃河堤防安全評價方法研究

1黃河垃圾填埋場和安全評估方案1.1堤身土土土壤條件黃河垃圾填埋場的土壤主要包括垃圾填埋場的人工填充、填海溝的填充、門的填充和第四系沖積層。堤身人工填土主要分布于黃河堤防堤身、內(nèi)戧、外戧、淤臨、淤背等處,填筑厚度一般在7～12m之間,土質(zhì)以壤土、砂壤土為主,夾有黏土塊,為多元結(jié)構(gòu),總體呈灰黃色和黃褐色,不均勻。堤身土黏粒含量為0～58.0%,塑性指數(shù)為9.6～21.3,堤身土體干密度為1.20～1.93g/cm3。1.2黃河堤的安全評價根據(jù)黃河堤防主要由土組成的事實、本身的土質(zhì)情況以及黃河河流的特點,并參考日本、荷蘭、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家在江河堤防、海堤及水資源等工程方面的安全評價體系,探索性提出了黃河堤防的安全評價方法:土力學(xué)安全評價、事故樹安全評價和洪水危險水位評價。2土堤安全評價堤防大多是土堤,在動水沖擊、靜水浸泡下很容易發(fā)生滑坡潰決事故,因此,很有必要對土堤的土力學(xué)安全進(jìn)行評價。土力學(xué)安全評價法包括:①土料性質(zhì)分析;②滑弧理論分析;③安全評價分析。2.1土的礦物組成及權(quán)利性質(zhì)本評價指標(biāo)旨在分析組成堤體土料的物性,從而對堤防的安全作出判斷,進(jìn)而確定可能的滑動方式。土的固體相部分是由各種礦物顆粒或礦物集合體組成的,不同礦物成分的性質(zhì)是有差別的,因此由不同礦物組成的土的性質(zhì)也是不同的。土中礦物成分見圖1。原生礦物巖石經(jīng)物理風(fēng)化破碎但成分沒有發(fā)生變化的礦物碎屑。原生礦物主要有石英、長石等,主要存在于卵、礫、砂、粉各粒組中。次生礦物是原生礦物在一定氣候條件下經(jīng)化學(xué)風(fēng)化作用,使其進(jìn)一步分解而形成一些顆粒更細(xì)小的新礦物。黏性土的稠度狀態(tài)的變化是因含水量的變化而引起的,黏性土由一種稠度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N稠度狀態(tài),相應(yīng)于轉(zhuǎn)變點(臨界點)的含水量稱為稠度界限(界限含水量)。工程上常用的有液性界限和塑性界限,見圖2。2.2坡頂抗剪強度土體的滑動一般系指土坡在一定范圍內(nèi)沿某一滑動面向下和向外整體移動而喪失其穩(wěn)定性。產(chǎn)生土體滑動的原因一般有以下幾種:①土坡所受的坡頂堆載作用;②土體中含水量或超靜水壓力的增加使得抗剪強度降低;③靜水壓力的側(cè)向作用。一般而言,均質(zhì)黏性堤坡因剪切而破壞的滑動面大多數(shù)為一曲面(常假設(shè)滑動面為圓弧面),一般在破壞前坡頂先有張裂縫發(fā)生,繼而沿某一曲面產(chǎn)生整體滑動。而多層堤坡一般發(fā)生折線滑動,且往往沿某一軟弱面發(fā)生失穩(wěn)。2.2.1瑞典條分法滑坡穩(wěn)定性分析大多需要采用條分法進(jìn)行計算,很多實用性滑坡或邊坡的勘察及設(shè)計報告都要使用該方法。最早的條分法是瑞典條分法,其不僅假定剪切面為圓弧,而且沒有考慮條塊間的作用力。瑞典條分法也稱費南鈕斯法(Fellenius),就是將滑動土體豎直分為若干個土條,把土條看成是剛體,分別求出作用于各個土條上的力對圓心的滑動力矩和抗滑力矩,然后按公式求土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。2.2.2土坡穩(wěn)定性分析方法畢肖普(A.N.Bishop)于1955年提出一個考慮條塊間側(cè)面力的土坡穩(wěn)定性分析方法,稱為畢肖普條分法。其特點是:考慮條塊間的水平作用力而忽略條塊間的剪力,改進(jìn)條分法考慮了條塊間的剪力,并假定了剪力的分布方式或者假定了剪力與水平壓力的比值。2.2.3水平作用力的位置普遍條分法又稱為簡布法(N.Janbu),其特點是假定條塊間水平作用力的位置。在這一假定前提下,在失穩(wěn)時各分條之間發(fā)生錯動,從而在分界面上達(dá)到了極限剪切狀態(tài),每個土條塊都滿足全部的靜力平衡條件和極限平衡條件,滑動土體的整體力矩平衡條件也自然得到滿足。2.2.4最危險滑動面的確定穩(wěn)定安全系數(shù)并不代表邊坡的真正穩(wěn)定性,因為滑動面是任意假定的。真正代表邊坡穩(wěn)定程度的應(yīng)該是穩(wěn)定安全系數(shù)中的最小值,相應(yīng)于最小穩(wěn)定系數(shù)的滑動面稱為最危險滑動面。對于最危險滑裂面的確定,可采用試算法進(jìn)行隨即投點模擬,計算大量的安全系數(shù)后,得出最危險滑裂圓心的位置,從而確定最危險的滑動面。3關(guān)于事故樹安全的評估方法3.1故障樹分析的運用事故樹分析(AccidentTreeAnalysis,簡稱ATA)方法起源于故障樹分析(簡稱FIA),是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一,它能對各種系統(tǒng)的危險性進(jìn)行辨識和評價,不僅能分析出事故的直接原因,而且能深入地揭示出事故的潛在原因。用它描述事故的因果關(guān)系直觀、明了,思路清晰,邏輯性強,既可定性分析,又可定量分析。3.2運行樹評估和分析程序(1)熟悉系統(tǒng)要確實了解系統(tǒng)情況,包括程序、各種重要參數(shù)、施工作業(yè)情況。必要時畫出工藝流程圖和布置圖。(2)請確認(rèn)事故發(fā)生了要求在過去事故實例、有關(guān)事故統(tǒng)計基礎(chǔ)上,盡量廣泛地調(diào)查所能預(yù)想到的事故,包括已發(fā)生的事故和可能發(fā)生的事故。(3)確定上面的事件分析系統(tǒng)發(fā)生事故的損失頻率,從中找出后果嚴(yán)重且較容易發(fā)生的事故,作為分析的頂上事件(所要分析的對象事件)。(4)分析事故發(fā)生概率根據(jù)以往的事故記錄和同類系統(tǒng)的事故資料,進(jìn)行統(tǒng)計分析,求出事故發(fā)生的概率(或頻率),然后根據(jù)這一事故的嚴(yán)重程度,確定要控制的事故發(fā)生概率的目標(biāo)值。(5)主要障礙的原因和影響因素調(diào)查與事故有關(guān)的所有原因事件和各種因素,包括設(shè)備障礙、機械故障、操作者的失誤、管理和指揮錯誤、環(huán)境因素等,盡量詳細(xì)查清原因和影響。(6)畫出事故的樹根據(jù)上述資料,從頂上事件起進(jìn)行演繹分析,逐級查出所有直接原因事件,直到所有分析的深度,按照其邏輯關(guān)系,畫出事故樹。(7)定性分析根據(jù)事故樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,求出最小割集和最小徑集,確定各基本事件的重要度排序。(8)計算事件發(fā)生的概率根據(jù)所調(diào)查的情況和資料,確定所有原因事件的發(fā)生概率,并標(biāo)在事故樹上。根據(jù)這些基本數(shù)據(jù),求出頂上事件(事故)發(fā)生概率。(9)統(tǒng)計概率與基本原因事件的概率要根據(jù)可維修系統(tǒng)和不可維修系統(tǒng)分別考慮。對可維修系統(tǒng),把求出的概率與統(tǒng)計得出的概率進(jìn)行比較,如果兩者不符,則必須重新研究,看原因事件是否齊全,事故樹邏輯關(guān)系是否清楚,基本原因事件的數(shù)值是否設(shè)定的過高或過低等。對不可維修系統(tǒng),求出頂上事件發(fā)生的概率即可。(10)選取最佳方案當(dāng)事故發(fā)生的概率超過預(yù)定的目標(biāo)值時,要研究降低事故發(fā)生概率的所有可能途徑,可從最小割集著手,從中選出最佳方案。利用最小徑集,找出根除事故的可能性,從中選出最佳方案。在事故樹具體分析時,可以根據(jù)分析的目的、投入人力物力的多少、人的分析能力的高低以及對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的掌握程度等,分別進(jìn)行到不同步驟。3.3運行樹分析示例3.3.1黃河下游防洪堤段北金堤滯洪區(qū)是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分,是適應(yīng)黃河下游河道上寬下窄的特點,為處理黃河超標(biāo)準(zhǔn)洪水而開辟的。經(jīng)統(tǒng)計分析,北金堤滯洪區(qū)的主要隱患和不足包括:(1)海岸警衛(wèi)隊的強度是不夠的(2)大壩坍塌面積超過50%(3)大壩坍塌嚴(yán)重(4)阿爾伯茨洞穴(5)危險工人是一塊罕見的石頭，沒有根石(6)門的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為低(7)水位上升，風(fēng)險增加3.3.2確定最小割集與最小集根據(jù)北金堤的具體情況,對基本事件進(jìn)行總結(jié)(見表1)。根據(jù)基本事件,建立相應(yīng)的事故樹,然后利用“行列法”求出事故樹的最小割集與最小徑集,用“布爾代數(shù)簡化法”確定其最小割集。最后確定事故樹頂上事件發(fā)生的概率。查閱潰決資料,進(jìn)行簡單的統(tǒng)計,定義各種基本事件的發(fā)生概率,見表1。4內(nèi)插法計算水位洪水危險水位評價法主要是先測量控制斷面的水位,然后利用內(nèi)插法對堤段水位高程進(jìn)行逐段內(nèi)插,從而判斷相應(yīng)堤段是否有洪水漫頂?shù)奈ｋU。內(nèi)插法計算水位的流程圖見圖3。本項評價指標(biāo)的計算是建立在黃河水位沿程連續(xù)分布基礎(chǔ)上的,從而才可以使用內(nèi)插法進(jìn)行計算。5北金堤存在的問題在分析黃河堤防(河南段)具體情況的基礎(chǔ)上,探索性地提出了黃河堤防安全性評價的3種方法:土力學(xué)安全、事故樹和洪水危險水位評價方法。3種方法各有側(cè)重,根據(jù)此3種方法,設(shè)計了3種模塊,并將此種模塊集成于一個軟件環(huán)境中,實現(xiàn)了同一界面上的快速分析評價。該軟件是一個面向?qū)嶋H應(yīng)用的決策支持系統(tǒng),界面操作簡單,為堤防安全評價由理論走向?qū)嶋H提供了一定的技術(shù)支持。目前北金堤堤防有16處滲水段,長10.2km,有1/6的堤防出現(xiàn)過滲水。金斗營(79+000)以下長44km的堤防斷面嚴(yán)重不足,按設(shè)防水位浸潤線出逸點高出背河地面3～7m。北金堤104+000以下堤防長時間受內(nèi)澇水沖刷,多處堤防出現(xiàn)風(fēng)浪淘刷險情,造成堤腳最大殘缺長達(dá)19.3km,最大殘缺高5.7m、寬3.7m。滯洪區(qū)北金堤有13處險工,83段壩岸,工程長度為22.6km,占北金堤總長度的27%。險工壩短襠長,挑流能力差,坦石不足,無根石,抗洪強度嚴(yán)重不足。有誘發(fā)決堤的可能。北金堤上有8座涵閘,設(shè)計過水流量129.5m3