关于堤防结构风险分析理论和使用探讨
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【摘 要】我国较大河流众多，沿河流域多为人口密集区，河流堤防的防护关乎国计民生，国内目前常用的堤防多为历史原有堤坝修复加固形成，堤防材料及结构等均存在着较大问题，本文结合堤防的管理及安全运行的实际要求，在可靠性理论及有效的风险评价模型下对边坡稳定及渗透稳定的求解办法进行探讨。同时对系统的图形显示及数据查询等功能进行介绍，预防分类堤段堤防工程可能存在的险情。
国内目前堤防材料多为原有的土体材料，由于材料的复杂性及均匀性，汛期时期堤防往往出现滑坡、渗透破坏及侵蚀等问题。汛期国内堤防安全多由人工巡防进行探查排险，然而工作效率低且在险情发展初期不易被察觉，最终无法预防重大事故的出现，不利于抢险，而我省作为海边城市城市，堤防安全更加重要。对堤防工程的安全管理、设计及评价进行研究，同时转变常用的堤防管理办法与堤防安全评价，建立新型的预测性风险管理体系，采用合理的计算及分析方法对潜在的危险点及事故可能生成途径进行分析观察，有助于降低风险发生，提高堤防的防御功能。
一、堤防结构风险分析理论及其发展
传统的堤防结构的研究多停留下在险情发生后现象的观察及整理分析监测数据的阶段，属经验型管理评价办法。地方地基主要为天然地基，堤身不能像土坝的施工一样规范，而且土层分布及土工参数存在着较大的变异性，且在设计中，设计变量的变异性为被计算，导致安全系数不能完全准确的对地表征工程的安全程度进行评价，而本文所研究的可靠性理论的风险评价方法则将堤防的各种参数作为随机变量，同时相应的设计办法则是依据不同堤防结构的重要程度进行，具有科学性与先进性。以概率理论为基础的安全评价方法及可靠性设计在国内外堤防设计中获得较快的发展，从而为岩土堤防的评估及设计提供了新的依据，有助于其开辟新的领域。澳大利亚及荷兰的护岸及堤坝工程设计中，将风险分析及概率设计方法作为指导原则，国内的部分学者在对堤防的洪水风险进行研究时对均质防洪堤值坡的稳定及渗透稳定的结构风险计算模式进行详细的验算及记录。笔者在二元堤基上的斜墙式堤防中提出了综合考虑多种失效机制的概率设计方法，同时通过变动设计参数对堤防几何形状及土工统计参数与渗透稳定、漫顶、失稳风险及岸坡稳定可靠度指标的关系进行研究，针对防汛工作的各类信息处理方式、应用特点及数据种类，在现行的安全管理规范及堤防设计规范下，提出堤防风险评价体系完善的必要性。
二、结构风险分析理论
2.1风险计算模型
结构风险包括水流风险及水文风险，主要是指造设计、施工及管理防洪堤坝时由于几何组成、材料因素等各种对结构安全造成威胁的不稳定因素而引起的风险。在一般情况下，地方结构破坏分析只需要对比荷载作用S及抵抗力R值，可靠性函数即可表达为：
Z=R-S （1），
则有
（2）
公式中，fR.S（r，s）是强度R及荷载S的联合概率密度函数。用公式（2）计算失稳概率难度较大，这是由于地方结构的风险因素较多，如河床演变、施工质量、植物根系、历史险情及动物活动等，而在堤防的运行期则主要考虑水荷载（浪压力、静水压力及渗透力等），假定荷载S由上游水位的不确定性因素所导致，则堤基地质、堤身填土性质条件等则对堤防的安全构成较大影响，假定堤防土体的物理学特性影响强度R，则可将两者认为是互相独立的随机变量，公式（2）可写作
（3）
fR（r）与fs（s）分别作为S与R的概率密度函数。fR（r）fs（s）drda中S在s+ds之间，同时R又在r+dr与r之间的概率。由分分部积分又可将公式（3）中的双重积分简化为单重积分
（4）
公式中，FR（s）是抗力R的累积分布函数。
依照概率组合的计算办法则可间接对 进行估算，假设上游水位H与荷载S之间的联合概率密度函数为：
（5）
则公式中，f（s|h）设为给定某一水位h下荷载s的条件概率密度函数，则f0（h）为堤防上游水位概率密度函数。
根据全概率的计算公式则可对荷载的概率密度函数进行计算：
（6）
从公式中可看出，在理论上，H是在负无穷与正无穷之间变化，而实际运用中，堤防的上游水位H应该均未正值，而且变化是在一定的幅度内进行，由此将公式（6）代入（2）中可得出：
（7）
假设我们让
，则可得出： （8）
公式中，h1则是计算堤防不稳定时所规定的最低水位值；h2则是计算堤防不稳定时所规定的最高水位值，公式（8）则可作为堤防不稳定时的风险模型。为了减少计算该式时直接积分求解的难度，求解方式一般采用离散化数值积分，即将荷载概率密度曲线上的S h2部分分为SN段，则可得出：
（9）
其中洪水位频率曲线第i段区间频率、频率曲线计算段数分别为 、SN。而相应于某一水位h的荷载大于强度的概率为 ，第i段区间内荷载大于强度的概率均值为 。洪水位达到一定程度后，渗透变形失稳及边坡滑动失稳成为堤防失稳的主要形式，则可计算出堤防失稳的风险度 ，即 （10）
2.2 计算失稳概率方法
公式中（9）中 （hi）积分式的解析解很难得出，此时可以根据可靠性理论，并对已得到的计算失稳概率的方法，采用MonteCarlo方法求解，可得出
（11）
公式中：M、C、x0、均为选定的常数，将公式（11）中所得xi除以M即得（0，1）上均匀分布的随机数ri。将随机数序列 转变为能够满足某一指定概率分布随机数。将随机数序列 可转变为（a，b）区间上的均匀分布随机数序列
（12）
假设X为Fx（x），且反函数F-1x（x）ze 存在着连续的随机变量，r是随机变量R的值，若给定累计概率Fx（x）=r，则可得出 （13），若 已知，则可得出Fx（x）的随机数序列为 （i=1，2，3，.....，n） （14）
设定Z=g（x1，x2，x3，....xn）为可靠性分析时所建立的极限状态方程，则可计算出失稳概率：
（15）
由此得出：
（16）
根据伯努利大数定理及正态分布随机变量的特性可得出失稳概率Pf公式：
（17）
公式中，M是次模拟计算中 的总次数。根据MonteCarlo方法可得出近似计算可靠度指标 （18）
由此可知，失稳概率的主要计算步骤有
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