堤防工程安全评价单元堤段选取方法研究

第３４卷第１期　２０１２年１月　人民黄河　

ＹＥＬＬＯＷ　ＲＩＶＥＲ　Ｖ０１．３４．Ｎｏ．１　

Ｊａｎ．，２０１２　

【ｌｒ２ｒ－：￣・治河】　

堤防工程安全评价单元堤段选取方法研究　张清明　，徐　帅　，周　杨　（１．黄河水利科学研究院，河南郑州４５０００３；２．黄河流域水资源保护局，河南郑州４５０００３）　

摘要：堤防工程安全评价单元堤段选取是堤防工程安全评价的基础。根据堤防断面基本特征和自然边界条件差异划　分得到单元堤段，确定单元堤段的影响因素及其分类，定量指标分类采用基于离差平方和的系统聚类分析法，定性指标　分类采用专家打分法，最后通过多指标的分类组合优化，选取代表性的单元堤段。　关键词：堤防工程；安全评价；单元堤段；定性指标；定量指标　中图分类号：ＴＶ８７１．４　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—１３７９．２０１２．０１．００６　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｕｎｉｔｓ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓａｆｅｔｙ　Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ＺＨＡＮＧ　Ｑｉｎｇ．ｍｉｎｇ　，ＸＵ　Ｓｈｕａｉ　，ＺＨＯＵ　Ｙａｎｇ　（１．Ｙｅｌｌｏｗ　Ｒｉｖｅｒ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ＹＲＣＣ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｙｅｌｌｏｗ　Ｒｉｖｅｒ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｂｕｒｅａｕ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｉｔ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｓｔｅｐ　ｏｆ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　ｓａｆｅｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｕｎｉｔ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　ｄｉｖｉ．　ｓｉｏｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｎａｔｕｒａｌ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｕｎｉｔ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｎｉｔ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　ｗｅｒｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｉｎｄｉｃａｔｏｍ　ｗｅｒｅ　ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｅｘｐｅ￣ｓｃｏｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　ｕｎｉｔ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｓａｆｅｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ；ｕｎｉｔ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ；ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ；ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ　

单元堤段选取是堤防工程安全评价的基础，单元堤段选取　应综合考虑洪水和河道特性、堤身和堤基结构特征、护坡条件、　地质条件和出险历史等因素的影响。单元堤段选取的目的是　获得具有代表性的单元堤段，为后续堤防工程安全评价提供依　据。单元堤段如何选取和选取多少是堤防工程安全评价的　关键。　现有的单元堤段选取方法主要有随机抽样法和结合工程　地质勘察资料与出险历史进行选取两种。随机抽样是将随机　等分或随机选取等原则作为单元堤段选取方法。张庆彬…提　出选择堤防断面基本特征相同的堤段，每１　ｋｍ为一个评价单　元，按堤防总长度的２０％进行评价，相似堤段可以直接引用评　价结果，堤防薄弱堤段可考虑适当缩短评价单元的长度。徐如　海　评价南宁某堤防工程岸坡的稳定性时，采用随机方式抽取　６个断面进行分析计算。随机抽样法选取单元堤段的优点是，　当所抽取的单元堤段数量足够多时，能较真实反映堤防工程的　总体特征，具有代表性，比较适宜于短距离堤防工程的安全评　价。结合工程地质勘察资料和出险历史，选取用于堤防工程安　全评价的单元堤段，也是一种比较常用的方法。邢万波　在对　南京市板桥河左岸堤防工程进行安全和风险分析时，结合工程　地质勘察报告和出险历史，选择加固前后１９９５年破圩断面，认　为其代表了板桥河堤防的总体工程地质特征。上述单元堤段　选取方法各有千秋，但如何使堤防工程安全评价单元堤段的选　・１　６・　取更加科学合理，笔者在现有堤防工程安全评价单元堤段选取　方法的基础上进行了深入分析。　

１单元堤段选取原则　堤防工程安全评价单元堤段的总体为力，单元堤段为　Ｙ（Ｙ　），则Ｙ选取的基本原则：①险工段堤防划分为险工堤　段　（ｉ＝１，２，…，ｎ）；②平工段堤防，堤防断面基本特征（堤防　结构和土质，护坡条件）相同的堤段划分为一种单元堤段　（　≠　ｉ√＝１，２，…，ｎ）；③若堤防断面基本特征相同的堤段，自然边界　条件（滩区宽度、洪水流量等）发生显著变化，则进一步划分为　单元堤段　（ｋ＝１，２，…，ｎ）。　

２单元堤段影响指标及分类　单元堤段的影响因素可分为内部因素和外部因素，其中堤　防结构和土质特性、断面形式及大小、堤身隐患等为内部因素，　

收稿日期：２０１０—１卜１７　基金项目：黄河水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项　（ＨＫＹ—ＪＢＹＷ一２０ｏ９—７）。　作者简介：张清明（１９８３一），女，湖南浏阳人，硕士，主要从事堤防安全保障技　术研究工作。　Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｑｉｎｇｍｉｎｇ３１２＠１２６．ｃｏｎ　人民黄河２０１２年第１期　洪水特性及河势变化为较重要的外部因素。结合堤防工程的　实际情况，可以构建单元堤段影响因素的多指标体系。假设多　指标体系中定量指标ｍ个、定性指标　个，则可构成单元堤段　为ｙ的数据矩阵。　定量指标是相互独立的，单元堤段Ｙ定量指标值的分类采　用基于离差平方和的系统聚类分析法　，根据定量指标值间的　离散程度差异，将单元堤段ｙ分成Ｇ。、Ｇ２、…、Ｇ　类，设Ｇ。和　合并为新类Ｇ　Ｇ　、Ｇ２和Ｇ。　的重心分别为　、＿２、　。　，则Ｇ　、　Ｇ：和Ｇ。　各项与平均项之差平方的总和，即离差平方和分别为　

＝∑（　一Ｘ—１）　（１）　ｆ　Ｅｂ１　

＝∑（　一　）　（２）　‘∈ｂ２　

。：＝∑（　一　：）　（３）　ｌＥＧＩ２　

、　、　分别反映了Ｇ　、Ｇ２、Ｇ。：类内单元堤段ｙ定量指　

标值的离散程度。如果　。、　这两类相距较近，则合并后所　增加的离差平方和应较小。　由于定性指标具有模糊性和非定量化的特点，很难用精确　的数值来表示，因此采用专家打分法确定定性指标的分类及区　间范围　Ｊ。　

３单元堤段影响指标的分类组合优化　假设单元堤段ｙ定量指标ｍ个，定性指标ｎ个，每个定量　指标将单元堤段Ｙ分成ｋ　个分类，每个定性指标将单元堤段ｙ　分成　：个分类，则单元堤段ｌ，的影响指标分类组合达到（ｍ＋　ｎ）（ｋ。＋ｋ：）个。如何优化影响指标的分类组合十分关键，其基　本思想见图１。　

匮匿　匮翌　Ｉ影响指标的摄优分类组合（ｍ＋ｎ）（ｋｌ＋ｋ　）Ｉ　………一　符合最优分类组合　Ｉ输出单元堤段ＹｌＩ　一……………一　

图１　单元堤段影响指标的分类组合优化　上述单元堤段影响指标的分类组合优化通过编制Ｃ语言　程序来实现，其中定性指标取频数最大的分类和危害性最大的　分类主要是考虑堤防工程的实际情况。如影响堤防安全的历　史险情，根据专家打分法可划分为４个类别，即重大险情、较大　险情、一般险情和无险情。一般情况下，堤防发生一般险情或　无险情的概率相对较高，即这两种类别的频数相对较大，而堤　防发生重大险情的危害性最大，故发生重大险情的堤段也应视　为重点评价对象。　符合影响指标最优分类组合的单元堤段　，其定量指标的　值不具有代表性，通过取其分类区间平均值，最终得到具有代　表性的单元堤段　。　

４应用实例　４．１工程概况　菏泽黄河河段位于山东省最上游，流经东明县、牡丹区、鄄　城县、郓城县，河道全长１８５　ｋｍ。其中东明县高村以下１１９　ｋｍ　为游荡型向窄河段转变的过渡性河段，两岸堤距４～９　ｋｍ，纵比　降１／８　０００，主河槽宽０．６～１．３　ｋｍ。河道总的特点是上宽下　窄，纵比降上陡下缓，排洪能力上大下小。河床一般高出两岸　地面４～６　ｎｌ，设计防洪水位高于两岸地面８～１１　ｍ。该河段泥　沙淤积严重，形成“槽高、滩低、堤根洼、堤外更洼”的危险局面。　笔者选取右岸郓城堤段进行分析，该堤段桩号为２８５＋　０ｏ０—３１３＋０７５，总长约２８．０７５　ｋｍ，堤顶高程５５．３５～５８．４５　ｉｎ，　临河地面高程４７．５０—４９．５０　ｎｌ，临、背河高差一般为２．０～４．０　ｍ。堤身材料主要为沙壤土、壤土、黏土，堤基为沙壤土、黏土、　壤土。堤身土平均干密度为１．４９　ｃｍ　。２００２－－２００８年调水　调沙期间，郓城县杨集上延工程共有１７道坝出险１２８次，其中　重大险情８次，一般险情多为坦石坍塌，重大险情多为墩蛰险　情　。　４．２影响指标及分类　郓城堤段包括苏阁、杨集、伟庄３个险工段，根据《山东黄　河二期标准化堤防工程（菏泽市局）工程地质勘察报告》，结合　堤防结构、土质及护坡条件等，将郓城堤段划分为３０个堤段，　并确定堤身黏粒含量、堤身干密度、堤基结构、堤防隐患情况、　滩区宽度（馏）、主流顶冲可能性６个影响指标。　堤身黏粒含量和干密度属定量指标，采用基于离差平方和　的系统聚类分析法，运用统计软件ＳＰＳＳ可以得到堤身黏粒含　量和干密度的分类情况。同时，采用专家打分法分析得到定性　指标（堤基结构、堤防隐患情况、滩区宽度和主流顶冲可能性）　分类情况。其中，黏粒含量分为４类，１类黏粒含量为９％～　１１％，２类黏粒含量为１１％一１６％，３类黏粒含量为１７％～　２０％，４类黏粒含量为２７％～３１％；干密度分为３类，１类干密　度为１２～３５　ｇ／ｃｍ　，２类干密度为４５～８０　ｇ／ｃｍ　，３类干密度为　９０～９５　ｇ／ｃｍ　。定性指标中的主流顶冲可能性分为顶冲（１　类）、不顶冲（２类）两类，其他３项分为４类，见表１。　表１郓城堤段定性指标影响因素分类　

４．３影响指标的分类组合优化　根据上述影响指标的分类结果，进行郓城单元堤段ｌ，的多　指标分类统计（见表２），绘制各影响因素指标分类的频数直方　

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