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水利工程论文-从大坝设计和风险分析看大坝安全.doc

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水利工程论文-从大坝设计和风险分析看大坝安全.doc

水利工程论文从大坝设计和风险分析看大坝安全摘要经过一百年大坝实践,据统计世界大坝溃坝率已从20世纪初的410至世纪未的约0.2小于,而从坝的可靠度设计理论可控制其失效概率在0.01下,可见两者的差距很大,说明目前大坝的实际安全度还应设法提高。关键词大坝设计风险分析安全经过一百年大坝实践,据统计世界大坝溃坝率已从20世纪初的4~10降至世纪未的约0.2或小于,而从坝的可靠度设计理论可控制其失效概率在0.01以下,可见两者的差距很大,说明目前大坝的实际安全度还应设法提高。在完善大坝设计中,还要注意对大坝可能出现的风险因素进行深入论证,同时还应做好风险管理以及为预防产生风险做好大坝安全监测工作。我国坝工建设已有约3000年历史,但现代大坝从上世纪末叶或本世纪初才逐渐兴起。本文从近百年来已建成大坝的实际情况和统计资料说明世界及我国大坝安全状况溃坝率从本世纪初的4已降低至世纪末的约0.2以下。通过百年努力,由于设计、施工、运行技术的提高,溃坝率已有长足的降低,但溃坝率0.2仍是相当惊人的。为了提高坝的安全度简单地提高大坝设计的安全系数是无济于事的。近年来各种工业民用建筑已逐渐推行了可靠度设计,要求达到的可靠指标β值应在4.2~3.2之间,这样其失效概率一般应在3~10105。此值比前述溃坝率0.2还有很大差距小数十倍。这说明推行可靠度设计以后可规范工程在设计时应该达到的可靠度指标,使工程设计趋于完善。从目前大坝溃坝或失事率看,大坝的安全还有待进一步提高,还应从各工程的特殊情况或途径考虑。据查考,过去大坝溃决或失事大多由于各工程特殊原因造成,主要有1洪水漫坝,或由于超标准洪水,或由于泄洪设施突然失控2坝体质量及基础问题3其他管理等问题。当今投资兴建工程,往往要求进行风险分析,对大坝中可能出现的风险因素进行分析论证,在技术上和经济上进行风险评估,为工程决策者提供依据,同时对有关风险提出抑制措施或对策。1大坝安全状况我国坝工建设发展较快,迄今已建8万余座,其中包括高、中、低坝,大部分质量较好,但也有一些质量较差的病坝或险坝,一些老坝年久失修,已开始老化。建坝后下游工农业发展,人口增加,供水发电效益显著,但由于种种原因,坝的溃决特别是中小坝时有发生,溃坝后果特别严重,主要反映在两个方面1巨大的防洪、供水、发电效益毁于一旦2对下游人民的生命财产及国民经济造成极大损失。迄至1980年统计,我国总溃坝率高达3左右,但326座大型水库中仅2座失事,其溃坝率亦达0.6,而中小型溃坝较多,约在4左右。这些中小型坝绝大部分都在大跃进年代中修建,工程规模较小,施工质量差,且管理不善。国外大坝情况,1967年N.V.Schnitter统计,美国1900~1959年60年中建坝共1650座,垮坝30座,占1.8。其中1900~1910年占9,以后逐年减少,到1950~1959年已降为0.4。据1982年第14届世界大坝会议报道认为世界大坝溃坝率1900年以前一般大于4,到1900年曾一度大于10,以后逐渐减少,迄至1980年只有约0.2。从以上看溃坝率是很高的。据我国统计总溃坝中因洪水漫坝的约占一半,因坝体及地基等质量问题的约占40,管理及其他方面的占10。从国外资料分析,各家观点不一,总的认为以基础原因或以洪水过大而失事居多。本文不拟在溃坝的数量及原因上多加阐述,只是说明国内外已建成大坝的失事率还很高,应设法改善。大坝溃坝统计材料较少,不易精确统计。从以上初略统计资料看,按不同地区统计出入很大,但总的趋势相近,故可以这样认为,溃坝率从世界宏观看,已从本世纪初的4到10,至世纪末已降到0.2或以下。经过这100年溃坝率已降低很多,但0.2还是较大的。2大坝设计世界坝工历史悠久,但据称第一座按照极粗浅的稳定和应力要求设计的高60m的丹佛重力坝仅开始于百余年前。19世纪末叶波特兰水泥问世以后才正式出现了混凝土坝和以水泥为胶凝材料的浆砌石坝,而近50m高的土石坝亦开始于19世纪末叶。由于坝工及其他工程的长期实践,人们的认识逐渐提高。本世纪开始,材料力学、结构力学、水力学、土壤力学以及坝工学等逐渐兴起,坝的设计及施工才慢慢地趋于完善。可以认为现代大坝的设计及施工主要是在最近一个世纪内进行的。通过精心设计,大坝结构逐渐趋于完善,坝的安全也逐渐得到改善。正如前节中所述,此期间大坝的溃坝率已从世纪初的4降至世纪末的0.2以下。大坝安全虽然已取得了明显的改善,但溃坝率仍相当高。由于溃坝影响太大,故溃坝率还应尽量降低。当然主观愿望希望能建一座绝不会垮的坝,但从统计原理,其可靠指标不能达到100,只能做到99.99或99.999等,相应地失效概率为0.01到0.001。到底多少合理,就要改变过去安全系数设计方法为可靠度设计方法。我国已颁布了工程结构可靠度设计统一标准,工民建等方面已按这个标准实行。水利水电方面亦已颁布了水利水电工程结构可靠度设计统一标准,同时还相应地颁发了钢筋混凝土及重力坝等规范。其设计可靠指标β值对、、级坝规定为4.2、3.7和3.2,亦即可靠指标为99.99至99.997,失效概率相应为3~10105。这说明仅仅从结构设计,从荷载作用和材料强度抗力变异性或不均匀性及其他不定因素经统计分析可能出现的失效概率,至于施工、运行中出现的异常情况尚无法估计在内。目前将推行的可靠度设计还是一种渐近的和近似的以分项系数为实用方法的设计。除前述作用及材料系数可以通过统计分析确定外,其余结构系数、结构重要性系数、结构状况系数凭经验按1.2~1.3及1.1~0.9来选定。这种可靠度设计虽还不够完善,但朝正确地选定工程的可靠度方面向前进了一步。3风险分析当今投资兴建工程,往往除设计外还要求进行风险分析,对可能出现的风险在技术上和经济上甚至包括政治、社会等方面进行评估。本文主要就工程技术方面的风险进行论述。如第1节中所述,我国中小坝溃决较多,有时每年多至数座,而从世界范围看每年约有一起到几起严重的大坝事故。究其原因,或由于洪水漫坝,或由于基础失稳,或由于大坝质量,或由于其他管理因素,故在大坝设计时应抓住其主要风险因素进行分析。由于大坝枢纽工程首先应对水文地质情况,大坝、厂房、输泄水设施以及机电设施等进行风险识别,明确主要风险因素,对主要的风险提出抑制或处理措施。对风险发生的可能性和产生的后果要进行分析论证。通过风险分析发现的主要风险,或设计存在的主要问题,如1当发现某工程水文、洪水复杂,对某工程可能是关键或称风险,就应在设计中补充阐述,必要时进行PMF或其他有效分析并采取必要的工程措施2如地震作用是关键,就应进行地震危险性分析以确定地震加速度等参数。必要时对地震风险进行破坏分析或模型试验,以确定地震时可能出现的破坏情况3如发现风险可能来自闸门未能及时启闭,就应增设或加强电源的可靠性或其他临时非常的启闭办法4如发现地基存在缺陷,可能成为运行中的隐患,应尽量提出加固措施或其他大坝安全监测及预警等措施。以上对各种风险从技术上进行分析,采取抑制、减免等技术措施。此外,必要时还应对风险一旦出现后带来的损失进行估算。如遇超标准洪水漫坝导致大坝溃决,视工程的重要性应对大坝溃决后对下游造成的淹没范围和经济损失进行溃坝计算和分析。从大坝及泄洪工程的型式、结构等进行综合论证。如为了减少大坝漫溢造成的风险,采用混凝土坝较土石坝更为有利。其他如地震等自然灾害,战争等特殊灾害,以及常易出现的火灾等亦应予以考虑。以上风险经考虑论证后,在工程上采取切实有效的措施使风险出现的可能性尽量减小,并对其影响范围予以限制。除在工程上采用技术措施对风险的出现予以有效的抑制外,也可采取近代工程风险的管理办法,使不利风险得以回避、抑制、转移,必要时可采用保险等经济措施,在风险发生后能够得到补偿。4提高大坝安全国内外溃坝率已从本世纪初的高峰降至目前的0.2左右或稍低,百年来大坝的安全已大有改进,但目前大坝安全还有待进一步提高。从大坝可靠度分析,以作用及抗力等的不定性分析,大坝失效概率应在0.003~0.01,较上述0.2小得多,说明大坝的安全尚有潜力。如前所述,大坝设计逐步向可靠度设计过渡,同时应对工程存在的风险隐患

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