水利工程論文-大壩防洪安全的評(píng)估和校核.doc

水利工程論文-大壩防洪安全的評(píng)估和校核摘要：洪水漫壩風(fēng)險(xiǎn)失事，是影響大壩安全的主要原因之一。本文尋求一種既能反映大壩防洪系統(tǒng)隨機(jī)性和模糊性，又能合理描述大壩防洪能力的風(fēng)險(xiǎn)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩防洪能力的定量化，進(jìn)而為已建大壩和待建大壩的防洪安全評(píng)估和校核創(chuàng)造條件.關(guān)鍵詞：大壩防洪安全洪水漫壩失事隨機(jī)微分方程風(fēng)險(xiǎn)分析目前我國和世界上約三分之一的大壩失事，是洪水漫壩所造成的.因此，正確地對(duì)大壩防洪安全進(jìn)行評(píng)估和校核，具有十分重要的意義.洪水漫壩風(fēng)險(xiǎn)是和大壩洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)緊密聯(lián)系的.按我國現(xiàn)行的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大壩的防洪安全進(jìn)行分析，從水文角度估算的理論漫壩風(fēng)險(xiǎn)率遠(yuǎn)大于實(shí)際漫壩失事率.這說明現(xiàn)有大壩通常具有一定的抗洪潛力.這一抗洪潛力主要來源于兩個(gè)方面：由于水文、水力等隨機(jī)不確定性的影響，導(dǎo)致了設(shè)計(jì)者在調(diào)洪演算過程和泄洪建筑物設(shè)計(jì)規(guī)模、壩頂高程的決策中，留有一定的安全系數(shù)；由于工程、管理等模糊不確定性的影響，導(dǎo)致了洪水漫壩風(fēng)險(xiǎn)失事臨界限值的模糊化，常使洪水位略超壩頂高程而不發(fā)生失事事故。目前，國內(nèi)外對(duì)大壩防洪安全的分析主要從洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇出發(fā)，僅能考察大壩防洪的水文風(fēng)險(xiǎn)，帶有一定的片面性和局限性.諸多隨機(jī)不確定性和模糊不確定性因素均未能定量引入對(duì)大壩防洪安全的分析中，致使這一問題迄今未能解決。現(xiàn)有大壩防洪安全分析1.1已建大壩防洪安全水準(zhǔn)評(píng)估通過分析國內(nèi)外大壩洪水漫壩風(fēng)險(xiǎn)失事的統(tǒng)計(jì)資料，可以了解已建大壩的總體防洪安全水準(zhǔn)及趨勢(shì)。據(jù)九十年代初統(tǒng)計(jì)我國共建有大壩83000余座，其中土壩占90%以上，運(yùn)行多達(dá)3040年.表1我國各類大壩的漫頂失事率類型座數(shù)n漫壩失事座數(shù)np漫壩失事率Rp(N=3040年)漫壩失事率(預(yù)測(cè))Rp(N=50年)大型3582中型2480110.46%0.66%小型8001011341.42%2.02%總計(jì)8284811471.38%1.97%在這些大壩的運(yùn)行期中，發(fā)生漫壩風(fēng)險(xiǎn)失事的共有1147座，約占失事總數(shù)的46.6%.各類大壩的漫頂失事座數(shù)及風(fēng)險(xiǎn)率見表1.這一統(tǒng)計(jì)表明，我國大中型壩的實(shí)際漫頂風(fēng)險(xiǎn)率Rp約在0.46%；小型壩的Rp偏高些，達(dá)1.42%；總的Rp可達(dá)1.38%.八十年代是我國大壩失事最少的年代.據(jù)文獻(xiàn)1的資料，這一時(shí)期我國年均失事大壩27座，其中漫壩失事的約占40.2%.據(jù)此，以35年運(yùn)行期推算，其Rp約為0.46%.這一風(fēng)險(xiǎn)率遠(yuǎn)小于前述3040年累計(jì)均值Rp=1.38%。文獻(xiàn)24統(tǒng)計(jì)了世界各國失事大壩的資料，約三分之一是洪水漫壩而導(dǎo)致失事的.20000座符合ICOLD標(biāo)準(zhǔn)的大壩和12500座土壩的統(tǒng)計(jì)資料表明，在50年左右的運(yùn)行期中，其Rp分別為0.2%和0.36%。.大壩防洪安全的水文分析傳統(tǒng)的大壩防洪安全分析認(rèn)為：漫壩風(fēng)險(xiǎn)主要來自超標(biāo)洪水.大壩在整個(gè)運(yùn)行期間抗御洪水的安全度SN，取決于設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期Tr和運(yùn)行年限N，有：(1)N年內(nèi)的漫壩風(fēng)險(xiǎn)率PFN則為：(2)這一分析粗略認(rèn)定，大壩遭遇超標(biāo)洪水必然漫壩失事，而未遇超標(biāo)洪水則一定安全.根據(jù)我國現(xiàn)行的大壩洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)5，由式(1)求得的各類各等級(jí)大壩在N=35年和50年內(nèi)的SN，見表2.表2我國的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的水文安全度壩型等級(jí)大()大()中小()小()土石壩洪水標(biāo)準(zhǔn)Tr(年)1000020001000500200運(yùn)行年限N(年)35503550355035503550安全度SN(%99.6599.5098.2697.5396.5695.1293.2390.4783.9177.83混凝洪水標(biāo)50001000500200100土壩準(zhǔn)Tr(年)運(yùn)行年限N(年)35503550355035503550安全度SN(%)99.3099.0096.5695.1293.2390.4783.9177.8370.3460.50從表1和表2的分析對(duì)比中可見，盡管過去我國大壩的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較現(xiàn)行規(guī)定為低、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果也可能偏小，但實(shí)際的Rp遠(yuǎn)小于式(2)估算的水文PFN.這說明現(xiàn)有大壩通常都具有一定的抗洪潛力，僅從水文角度考察大壩的防洪安全是不夠的.大壩的防洪安全受諸多不確定性因素的影響，主要可歸納為：水文、水力等隨機(jī)不確定性和工程、管理等模糊不確定性.只有綜合考察這些不確定性因素的作用，才能正確理解大壩的抗洪潛力，定量確定漫壩失事率PFN。.漫壩失事的隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分析2.1隨機(jī)不確定性的作用大壩的洪水漫頂風(fēng)險(xiǎn)率是與水庫的整個(gè)調(diào)洪過程聯(lián)系著的.在整個(gè)調(diào)洪過程中，存在著許多人們難以預(yù)料和控制的隨機(jī)不確定性因素，如：入庫洪水過程Q(t)的水文條件，出庫泄洪過程q(h,m)的水力條件、庫容和水位關(guān)系w(h)的邊界條件、防洪起調(diào)水位H(t0)的初始條件等的隨機(jī)性.所有這些導(dǎo)致了不同時(shí)刻水庫蓄洪量W(t)的隨機(jī)變化，這一變化又制約著庫水位H(t)的隨機(jī)消長.無疑地，H(t)與大壩的漫頂風(fēng)險(xiǎn)率Pf密切相關(guān)。傳統(tǒng)的調(diào)洪演算方法不能考察H(t)過程的隨機(jī)性.所以，設(shè)計(jì)者不得不采取偏保守的設(shè)計(jì)，在調(diào)洪演算過程和泄洪建筑物設(shè)計(jì)規(guī)模、壩頂高程的決策中，留有一定的安全系數(shù).由此可見，從隨機(jī)水文、水力設(shè)計(jì)角度分析，在遭遇超標(biāo)洪水條件下，大壩仍可具一定的防洪安全度.當(dāng)然，亦不排除未遇超標(biāo)洪水時(shí)的漫壩風(fēng)險(xiǎn)。2.2隨機(jī)微分方程的建立對(duì)隨機(jī)變量H(t)的定量分析，是確定Pf的關(guān)鍵。調(diào)洪過程隨機(jī)微分方程的建立，為模擬和分析H(t)的隨機(jī)變化創(chuàng)造了條件。文獻(xiàn)6根據(jù)調(diào)洪過程中W(t)具有Wiener過程特性的分析，建立了帶有隨機(jī)作用項(xiàng)、隨機(jī)系數(shù)和隨機(jī)初始條件的隨機(jī)微分方程：,(3)式中，Q(t)為均值洪水過程線，q(H,m)為均值泄洪過程線G(H)=dW(H/dH,W（H)為均值水位庫容曲線，H為均值庫水位，H0為t0時(shí)刻的初始隨機(jī)庫水位.dB(t)/dt為一正態(tài)白噪聲，該項(xiàng)的增加表示