施工導流聯合泄流計算模型及導流方案風險分析

1、甄紅鋒1 柴換成2（1. 2. 山東水利職業(yè)學院山東日照276826）摘要：通過分別研究明渠導流、隧洞導流以及壩體缺口導流的水力計算，提出切實可行的聯合泄流水力計算模型。在施工導流系統聯合泄流能力的計算基礎上，采用Monte-Carlo方法，模擬施工期洪水入庫過程和導流建筑物的泄流工況，用系統仿真方法進行施工洪水調洪演算得到堰前水位的隨機樣本數據，通過聚類分析確定導流系統動態(tài)風險。實例驗證說明，施工導流聯合泄流水力計算以及風險分析計算模型是可靠的、適用的。關鍵詞：施工導流；聯合泄流；風險分析；Monte-Carlo方法；聚類分析分類號: TV6Computational Model for J

2、oint Discharge and Risk Analysis of Construction Diversion SchemesHongfeng Zhen 1，HuanchengChai（1. 2. Shandong Water Polytechnic, Rizhao, 276826）Abstract: Through the separate analysis of channel diversion、tunnel diversion and dam gap discharge, this paper establishes the computational model for joi

3、nt discharge during construction by applying the hydraulic computation theory. On the joint discharge basis of construction diversion system, using the Monte-carlo method to simulate the flood and discharge process, the risk model analyses the distribution of the flood level in front of the cofferda

4、m and dynamic risk under different diversion standard by flood routing model and the cluster analysis model. The case study institutes that the computational model for joint discharge and risk analysis model of construction diversion schemes are reasonable and effective.Key words: construction diver

5、sion; joint discharge; risk analysis; Monte-Carlo method; cluster analysis1. 引言施工導流工程是風險工程，在進行導流方案確定、導流方式選擇、設計優(yōu)化時，工程的風險應作為一個指標參與決策，所以如何確定施工導流工程的綜合風險就顯得十分重要。目前，施工導流工程中所存在的風險問題己經引起廣泛的重視，并將風險與導流標淮1的選擇聯系起來進行研究。而進行施工導流工程風險分析計算的前提是首先針對導流工程不同導流時段其不同導流方式和導流建筑物的組合進行聯合泄流水力計算2。本文闡述了一種廣泛適用的聯合泄流計算原理，提出了切實可行的聯合泄流

6、水力計算算法，提高水力計算的速度和精度。在聯合泄流水力計算的基礎上，采用Monte-Carlo方法對土石圍堰擋水導流風險進行分析，利用Monte-Carlo方法模擬施工洪水過程和導流建筑物泄流工況，通過系統仿真進行施工洪水調洪演算，對得到的上游堰前水位分布進行聚類分析，從而確定在不同的導流標準條件下圍堰運行的動態(tài)風險。2. 施工導流聯合泄流水力計算模型作者簡介：甄紅鋒（1973），男，碩士在讀，山東巨野人，從事水利工程施工與水力學的教學研究工作。柴換成（1980），男，學士，甘肅天水人，從事水利工程施工與水利工程管理的教學研究工作。國內外水利水電導流工程實踐表明，無論是土石壩樞紐，還是混凝土壩

7、樞紐，施工導流過程中，一般都是幾個導流建筑物聯合泄流?；炷翂问┕ず笃诘膶Я鞫裳?，往往采用壩體預留缺口和底孔泄流方式；在峽谷地區(qū)進行水電工程施工導流時，常需要采用隧洞群的導流方式。導流洞還會遇到多層、多條群洞聯合泄流，同一洞不同時期或不同洞同一時期可能同時存在有壓、半有壓、無壓的復雜局面。2.1 明渠導流水力計算模型明渠泄流時，水流可能呈均勻流或非均勻流3 4。明渠均勻流的水流保持勻速直線運動，可采用謝才公式計算。人工渠道的水工流絕大部分是明渠恒定非均勻流。對于漸變流水面線的計算采用分段求和法。 2.2 隧洞導流水力計算模型隧洞泄水能力曲線時是按已知流量Q推求上游水位H。（1）隧洞無壓流時上游

8、水位： （1）式中，為淹沒系數，當時取1.0，當時，由確定，為隧洞進口內的收縮水深；B為臨界水深以下斷面平均寬度，；流量系數m由進口體形確定。（2）隧洞半有壓流時上游水位計算半有壓短洞上游水位： （2）半有壓長洞上游水位： （3）（3）隧洞有壓流時上游水位計算有壓淹沒流： （4）有壓自由出流： （5）2.3 缺口泄流水力計算模型缺口泄流，當堰頂長度與水頭的關系在區(qū)間()時，按如下寬頂堰公式計算： （6）式中，為過水寬度；為缺口底檻以上上游水頭；為側收縮系數；為流量系數；為淹沒系數，當自由出流時，取1.0，當淹沒出流時，可查寬頂堰淹沒系數表得到。2.4 聯合泄流水力計算模型5無論是隧洞群聯合導流

9、還是缺口與底孔聯合導流，在已知總泄流量和下游水位的情況下，任何泄水建筑物聯合泄流必須同時滿足以下兩個條件： （7）式中，為同一上游水位下，一個泄流建筑物的泄流量；為上游水位。個泄水建筑物聯合導流泄流能力計算步驟：(1) 根據原河床壩址處天然水位流量關系，先擬定個下游水位，用插值法找到相對應的個流量。(2) 求出各建筑物對應每一級流量的上游水位的最小值，并找出當時對應各建筑物的上游水位的最小值，然后在區(qū)間()上取初值，用單條隧洞水力計算公式分別計算對應的泄流量。(3) 將、相加得到，如果(誤差允許值)，則，假設的即為下泄流量的上游水位，否則，根據逐步逼近方法，用()繼續(xù)試算，直到.(4) 將計算

10、所得的組(，)值繪成曲線，進行光滑處理，即為聯合泄流的上游水位泄流能力的關系曲線。(5) 如果圍堰是過水圍堰，則當>(圍堰擋水設計流量)，n個泄水建筑物泄流且圍堰參與過水。同理給定下游水位，按臺形堰溢流計算公式計算過水圍堰泄流曲線，最后，把計算所得曲線和n個導流建筑物的聯合泄水曲線依照上述(1)(4)方法迭加生成上游水位和泄流能力的關系曲線。3. 施工導流風險分析模型施工導流風險度定義為：在導流施工過程中發(fā)生超過上游圍堰高程的洪水的頻率。水電站在施工截流成功并實現戧堤閉氣后，為了保證圍堰填筑進度滿足第一年洪水的渡汛要求，必須確定分月圍堰的填筑高度及相應的風險率6 7。因此，圍堰填筑過程中

11、分月堰前水位超過堰頂高程的可能性為： （8）其中：Z上(t)為第t月上游圍堰堰前水位；H上堰高為第t月上游圍堰堰頂高程。由施工導流風險率表達式可見，導流風險主要由河道來流洪峰流量的不確定性、洪水過程的不確定性及導流設施的泄流能力不確定性8所引起的，只有綜合反映這三方面因素，才能全面合理地確定導流風險率，因此，對導流中的水文隨機性及水力不確定性進行分析。3.1 洪峰流量的不確定性分析洪峰流量的不確定性對導流風險的影響最大，我國最大洪峰流量系列采用P-型分布，其概率密度9為(<x<) （9）式中：x為洪峰流量；為年最大洪峰流量系列的均值；Cv為變差系數；Cs為偏態(tài)系數。Cv、Cs均有水

12、文統計資料來確定。3.2 洪水過程的不確定性分析洪水過程的不確定性主要表現在洪量的不確定和洪水歷時的不確定性。經過大量實測資料統計分析，認為洪量的分布符合P-型分布，其概率密度如式上式。洪水過程歷時可以認為服從正態(tài)分布，其密度函數為： （10）式中為歷時的數學期望，為歷時的方差。3.3 泄流能力的不確定分析計算實例表明，導流洞的泄流能力較為接近三角形分布，其密度函數10 11為： （11）式中a為泄流能力下限；b為平均泄流能力；c為泄流能力上限；a、b、c參數通過模擬泄流能力的統計資料來確定。3.4 調洪演算模型根據水量平衡方程式： （13）其中，分別為計算時段始、末入庫流量；分別為計算時段始

13、、末出庫流量；分別為計算時段始、末的水庫蓄水量。當已知入庫洪水過程線時，為已知，V1、q1為計算的初始條件，V2、q2未知。又由于，根據導流建筑物的泄流能力曲線Hq和水庫的水位庫容曲線HV，可確定q與V的函數關系，即q=f（V）。采用常用的二分法求解方程，推求水庫下泄過程線，從而可求得最大下泄流量、防洪所需庫容以及相應的最高洪水位。3.5 導流動態(tài)風險計算確定導流圍堰上游水位風險，要系統考慮河道來流、導流建筑物泄流以及樞紐的其他特征，通過系統模擬的方法來實現。由水文隨機參數和分布得到一個隨機的上游洪水Fin；同時由水力隨機參數和分布得到對應的泄流建筑物的泄流能力Qout。通過反復的抽樣、計算可

14、以得到一個任意長的圍堰上游水位模擬歷史系列，上游水位的概率分布只要對這個歷時系列進行聚類分析就可以得到了，而設計水位的風險率，實際上就是這個模擬歷史系列的密度函數的一些分位點的值。圖1 導流風險分析計算流程4. 實例分析及其計算結果4.1 聯合泄流能力計算現以金沙江中游河段上某大型水電工程折壩線混合壩初期導流設計方案為例，說明本文所提出的聯合泄流水力計算模型及施工導流風險分析模型的應用?；旌蠅斡野稄S房全年導流方案共布置了4條導流隧洞，隧洞凈空斷面為修正馬蹄形，凈空最大寬度為15m，底寬11m，凈空高度15m，凈空斷面積19 m2mm?；旌蠅魏又袕S房方案全年導流共布置了7條導流底孔，導流底孔斷面

15、為矩形，單孔寬度8m，高度14m（底孔出口段孔口高度壓低為12.5m）。底孔前段8m×14m凈空斷面積1 m2，后段8m×1 m2，底孔進口高程定在1020m，出口高程1020m，底孔縱坡i=0?？卓谛沽骺刂茢嗝嬖诔隹冢?m×12.5m（寬×高）。應用本文所介紹聯合泄流水力計算模型計算，聯合泄流曲線如圖2：圖2 水電站折壩線混合壩樞紐泄流能力曲線4.2 施工導流方案風險率計算成果根據水利水電工程施工組織設計規(guī)范SDJ338-89，選定的導流建筑物為級。對于級導流建筑物，土石類圍堰相應設計洪水標準為重現期2050年。根據實測資料分析,電站壩址下游的水文站實

16、測最大流量為29000m3/s。綜合分析水文系列資料、導流建筑物的工程量、施工工期以及水文、水力等不確定性因素，初步擬定3個備選的初期施工導流標準為20年一遇、30年一遇和50年一遇。導流標準為20年一遇洪水流量Qp=5%為11400 m3/s，30年一遇洪水流量Qp=3.3%為12100 m3/s，50年一遇洪水流量Qp=2%為13000 m3/s?；旌蠅斡野稄S房全年導流方案，其泄流（中值）（上限）（中值）（上限）。根據施工導流風險分析模型，分別擬合洪水過程線、泄流過程線，進行圍堰上游水位的仿真計算，統計圍堰上游堰前水位分布和在不同導流設計洪水標準條件下的風險率R（或保證率P），考慮水文和水

17、力隨機因素隨機模擬結果以及設計水位對應考慮隨機模擬綜合風險計算成果如表1、表2所示。表1 考慮水文和水力隨機因素隨機模擬成果表表2 設計水位對應考慮隨機模擬綜合風險表4.3 成果分析 （1）對于折壩線混合壩右岸廠房導流方案，初期導流設計標準為30年一遇，在不考慮導流系統的隨機因素條件下，圍堰上游水位1064.65m，相應水頭54.65m（上游相應水頭從河床底高程1010.00m起計，下同）?？紤]導流系統的隨機因素時，30年重現期對應的上游圍堰水位為1063.59m，對應水頭為52.59m；而觀音巖水電站30年一遇導流設計水位為1065.61m，對應的導流風險率為2.74%。（2）對于折壩線混合

18、壩河中廠房導流方案，初期導流設計標準為30年一遇，在不考慮導流系統的隨機因素條件下，圍堰上游水位1060.98m，相應水頭50.98m?？紤]導流系統的隨機因素時，30年重現期對應的上游圍堰水位為1061.26m，對應水頭為51.26m；而觀音巖水電站30年一遇導流設計水位為1061.98m，對應的導流風險率為3.03%。5. 結語針對國內外大型水電工程建設項目，在施工導流過程中，一般都是幾個導流建筑物聯合泄流，而且不同的導流時段其導流方式和導流建筑物的組合也不同，對于山區(qū)河流極其普遍的隧洞導流型式給出了各種型式隧洞的泄流能力計算方法，本文重點介紹了聯合泄流水力計算模型的建立，工程實例表明其聯合泄流水力計算算法是切實可行的。施工導流系統風險是影響水電樞紐導流建筑物設計的規(guī)模、型式及其可靠性的主要因素，是由導流系統具有的實際泄流能力與實際洪水流量的相對大小決定的。在計算施工導流系統聯合泄流能力的基礎上，采用Monte-Carlo方法，模擬施工期洪水入庫過程和導流建筑物的泄流工況，用系統仿真方法解決施工洪水調洪演算，對得到的圍堰上游水位隨即數據樣本進行聚類分析確定導流系統動態(tài)風險。通過實例分析說明風險分析模擬模型與聚類分