水利工程論文-大壩防洪安全的評估和校核.doc

水利工程論文-大壩防洪安全的評估和校核摘要：洪水漫壩風險失事，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)隨機性和模糊性，又能合理描述大壩防洪能力的風險模型，以實現(xiàn)對大壩防洪能力的定量化，進而為已建大壩和待建大壩的防洪安全評估和校核創(chuàng)造條件.關(guān)鍵詞：大壩防洪安全洪水漫壩失事隨機微分方程風險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，正確地對大壩防洪安全進行評估和校核，具有十分重要的意義.洪水漫壩風險是和大壩洪水設(shè)計標準緊密聯(lián)系的.按我國現(xiàn)行的洪水設(shè)計標準對大壩的防洪安全進行分析，從水文角度估算的理論漫壩風險率遠大于實際漫壩失事率.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方面：由于水文、水力等隨機不確定性的影響，導(dǎo)致了設(shè)計者在調(diào)洪演算過程和泄洪建筑物設(shè)計規(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)致了洪水漫壩風險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)外對大壩防洪安全的分析主要從洪水設(shè)計標準的選擇出發(fā)，僅能考察大壩防洪的水文風險，帶有一定的片面性和局限性.諸多隨機不確定性和模糊不確定性因素均未能定量引入對大壩防洪安全的分析中，致使這一問題迄今未能解決?，F(xiàn)有大壩防洪安全分析1.1已建大壩防洪安全水準評估通過分析國內(nèi)外大壩洪水漫壩風險失事的統(tǒng)計資料，可以了解已建大壩的總體防洪安全水準及趨勢。據(jù)九十年代初統(tǒng)計我國共建有大壩83000余座，其中土壩占90%以上，運行多達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)Rp(N=50年)大型3582中型2480110.46%0.66%小型8001011341.42%2.02%總計8284811471.38%1.97%在這些大壩的運行期中，發(fā)生漫壩風險失事的共有1147座，約占失事總數(shù)的46.6%.各類大壩的漫頂失事座數(shù)及風險率見表1.這一統(tǒng)計表明，我國大中型壩的實際漫頂風險率Rp約在0.46%；小型壩的Rp偏高些，達1.42%；總的Rp可達1.38%.八十年代是我國大壩失事最少的年代.據(jù)文獻1的資料，這一時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年運行期推算，其Rp約為0.46%.這一風險率遠小于前述3040年累計均值Rp=1.38%。文獻24統(tǒng)計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標準的大壩和12500座土壩的統(tǒng)計資料表明，在50年左右的運行期中，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為：漫壩風險主要來自超標洪水.大壩在整個運行期間抗御洪水的安全度SN，取決于設(shè)計洪水重現(xiàn)期Tr和運行年限N，有：(1)N年內(nèi)的漫壩風險率PFN則為：(2)這一分析粗略認定，大壩遭遇超標洪水必然漫壩失事，而未遇超標洪水則一定安全.根據(jù)我國現(xiàn)行的大壩洪水設(shè)計標準5，由式(1)求得的各類各等級大壩在N=35年和50年內(nèi)的SN，見表2.表2我國的洪水設(shè)計標準和相應(yīng)的水文安全度壩型等級大()大()中小()小()土石壩洪水標準Tr(年)1000020001000500200運行年限N(年)35503550355035503550安全度SN(%99.6599.5098.2697.5396.5695.1293.2390.4783.9177.83混凝洪水標50001000500200100土壩準Tr(年)運行年限N(年)35503550355035503550安全度SN(%)99.3099.0096.5695.1293.2390.4783.9177.8370.3460.50從表1和表2的分析對比中可見，盡管過去我國大壩的洪水設(shè)計標準較現(xiàn)行規(guī)定為低、設(shè)計洪水計算成果也可能偏小，但實際的Rp遠小于式(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。.漫壩失事的隨機風險分析2.1隨機不確定性的作用大壩的洪水漫頂風險率是與水庫的整個調(diào)洪過程聯(lián)系著的.在整個調(diào)洪過程中，存在著許多人們難以預(yù)料和控制的隨機不確定性因素，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性.所有這些導(dǎo)致了不同時刻水庫蓄洪量W(t)的隨機變化，這一變化又制約著庫水位H(t)的隨機消長.無疑地，H(t)與大壩的漫頂風險率Pf密切相關(guān)。傳統(tǒng)的調(diào)洪演算方法不能考察H(t)過程的隨機性.所以，設(shè)計者不得不采取偏保守的設(shè)計，在調(diào)洪演算過程和泄洪建筑物設(shè)計規(guī)模、壩頂高程的決策中，留有一定的安全系數(shù).由此可見，從隨機水文、水力設(shè)計角度分析，在遭遇超標洪水條件下，大壩仍可具一定的防洪安全度.當然，亦不排除未遇超標洪水時的漫壩風險。2.2隨機微分方程的建立對隨機變量H(t)的定量分析，是確定Pf的關(guān)鍵。調(diào)洪過程隨機微分方程的建立，為模擬和分析H(t)的隨機變化創(chuàng)造了條件。文獻6根據(jù)調(diào)洪過程中W(t)具有Wiener過程特性的分析，建立了帶有隨機作用項、隨機系數(shù)和隨機初始條件的隨機微分方程：,(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時刻的初始隨機庫水位.dB(t)/dt為一正態(tài)白噪聲，該項的增加表示