地震作用下堤防风险分析研究.pdfVIP

. . 水 力 发 电 学 报 第 卷 第 期 ., 年 月 地震作用下堤防风险分析研究 蔡 新 ,李 益 ,吴 威 ,叶 松 .河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京; .河海大学力学与材料学院, 南京; .河海大学水利水电学院,南京; .南京市水利局,南京 摘 要:基于地震作用对堤防风险因子不确定性的影响,将地震作用简化为对风险因子的不利扰动并用衰减函数来反 映扰动的影响,以堤防安全的综合失效率和失事溃决洪水淹没范围来反映堤防整体风险,构建地震作用下堤防风险分析 模型。以荆江大堤某典型断面在 度地震作用下为例,从风险角度对该断面漫顶溃堤风险、滑坡失稳风险、渗透破坏风 险和土体液化风险进行了分析研究,并模拟了溃决洪水的淹没范围,所得结论可为堤防防洪减灾预警和决策提供参考。 关键词:防洪;风险分析;数值模拟;堤防工程;地震;洪水演进 中图分类号:文献标识码: , , ,,. ? , , ; . , , ; ., , ; . , : , . , .,, ,, ?, ’ . . : ;; ; ;;引言 江河堤防是我国防洪工程体系的重要组成部分,特别在江河的中下游地区,堤防已经成为抵御洪水、保障人 民生命财产安全的最后屏障。据水利部规划司统计,我国现有堤防的达标率仅有 . %,大量病险堤防工程的 存在已成为我国防洪体系中的薄弱环节。与此同时,我国又是地震高发区,高频、高烈度的地震动对堤防安全产 生不利影响。而随着堤防保护区内经济的快速发展,地震作用下堤防失效、溃决导致洪水下泄对保护区内生命财 产、生态环境的破坏不容忽视。因此,对地震作用下江河堤防的风险进行分析、研究,可为堤防防洪减灾预警和决 策提供支持,既是对现有堤防工程健康诊断、安全评估的补充,又是对堤防工程实施现代化管理的完善。近年来, 我国学者从堤防安全性评价和洪水淹没范围两方面对堤防工程的风险进行了探索、研究,并取得了一些具有指导 意义的成果。堤防安全评价方面:失效概率与可靠度的引进使堤防安全评价由传统的安全系数概念转向了安全 收稿日期: 基金项目:江苏省水利科技重点项目 ;水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心开放基金;水文水资源与水利工程科 学国家重点实验室专项基金 。 作者简介:蔡新 一 ,男,教授,博士,博士生导师. ?: .. 水 力 发 电 学 报 风险概念 ;而模糊数学、专家系统、人工神经网络 “ 等理论的应用则使堤防安全评价日趋智能化。上述方 法都有各自的优势,但并没有合理考虑堤防计算参数的不确定性影响,特别是由于地震作用而引起的参数值的改 变。洪水淹没研究方面:基于水力学、水文学的洪水模型 能较科学地反映洪水在行进过程中的信息 如流速、 水深等 ;基于地理信息系统 和体积法的洪水模型 能快速模拟、显示洪水淹没区域,运用范围较广泛。但 前者其求解条件比较苛刻,且一般应用于二维平面情况,没有考虑地形的影响,实用性较差;后者却不能反映洪水 淹没的时间特性,具有一定局限性。 本文在堤防地震安全的理论分析、现场调研和专家咨询的基础上,考虑地震作用下参数的不确定性的影响, 从堤防失效率和洪水淹没范围两个方面进行探索,研究堤防在地震作用下的安全风险。 堤防风险分析 . 堤防风险与风险因子 通常情况下,堤防风险 定义为堤防失效率 风险率 ,与失效后果 的乘积,即, 。研究表明,堤 防的主要失效模式为洪水漫顶溃堤、渗透、滑动失稳以及砂土液化,则堤防失效率应包含漫顶失效率、渗透失效 率、滑动失效率和土体液化失效率。堤防的失效后果主要包括生命损失、经济损失、社会影响和生态环境影响。 风险因子是风险产生的原因,堤防风险因子则是引起堤防失效的因素,因而与堤防失效相关的主要参数即可 作为堤防风险因子。江河堤防是一个复杂的系统工程,对其风险因子的选取应遵循规范性、科学性、全面性、层次 性、独立性和可行性等基本原则,从堤防的主要失效模式角度挖掘堤防的风险因子则是一种科学、高效的途径。 经过分析可得,与堤防洪水漫顶、渗透、滑动失稳以及砂土液化失效相关的主要因子有堤顶高程、洪水、风浪、土体 性能 黏聚力、内摩擦角、渗透系数、密度、孔隙率、含水率、饱和度 、地震烈度等。 . 堤防风险计算模型 .地震作用对风险因子不确定性的影响 现有堤防失效风险计算的研究,假定在计算过程中,堤防各风险因子的参数值恒定不变,即采用设计值或实 验值。而在实际中,特别是在地震作用下,堤防风险因子的参数值是发生变化的。文献通过实验研究了土体 的黏聚力和内摩擦角随着地震烈度变化而改变的规律。结果表明土体黏聚力、内摩擦角与地震烈度之间存在非 线性关系:两者随着地震烈度的增加呈现降低的趋势,且黏聚力减小的幅度较大,内摩擦角减小的幅度较小。本 文在此基础上,假设