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水利工程论文-大坝防洪安全的评估和校核.doc

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水利工程论文-大坝防洪安全的评估和校核.doc

水利工程论文大坝防洪安全的评估和校核摘要洪水漫坝风险失事,是影响大坝安全的主要原因之一。本文寻求一种既能反映大坝防洪系统随机性和模糊性,又能合理描述大坝防洪能力的风险模型,以实现对大坝防洪能力的定量化,进而为已建大坝和待建大坝的防洪安全评估和校核创造条件.关键词大坝防洪安全洪水漫坝失事随机微分方程风险分析目前我国和世界上约三分之一的大坝失事,是洪水漫坝所造成的.因此,正确地对大坝防洪安全进行评估和校核,具有十分重要的意义.洪水漫坝风险是和大坝洪水设计标准紧密联系的.按我国现行的洪水设计标准对大坝的防洪安全进行分析,从水文角度估算的理论漫坝风险率远大于实际漫坝失事率.这说明现有大坝通常具有一定的抗洪潜力.这一抗洪潜力主要来源于两个方面由于水文、水力等随机不确定性的影响,导致了设计者在调洪演算过程和泄洪建筑物设计规模、坝顶高程的决策中,留有一定的安全系数由于工程、管理等模糊不确定性的影响,导致了洪水漫坝风险失事临界限值的模糊化,常使洪水位略超坝顶高程而不发生失事事故。目前,国内外对大坝防洪安全的分析主要从洪水设计标准的选择出发,仅能考察大坝防洪的水文风险,带有一定的片面性和局限性.诸多随机不确定性和模糊不确定性因素均未能定量引入对大坝防洪安全的分析中,致使这一问题迄今未能解决。1现有大坝防洪安全分析1.1已建大坝防洪安全水准评估通过分析国内外大坝洪水漫坝风险失事的统计资料,可以了解已建大坝的总体防洪安全水准及趋势。据九十年代初统计[1]我国共建有大坝83000余座,其中土坝占90以上,运行多达3040年.表1我国各类大坝的漫顶失事率类型座数n漫坝失事座数np漫坝失事率RpN30~40年漫坝失事率预测RpN50年大型3582中型2480110.460.66小型8001011341.422.02总计8284811471.381.97在这些大坝的运行期中,发生漫坝风险失事的共有1147座,约占失事总数的46.6.各类大坝的漫顶失事座数及风险率见表1.这一统计表明,我国大中型坝的实际漫顶风险率Rp约在0.46小型坝的Rp偏高些,达1.42总的Rp可达1.38.八十年代是我国大坝失事最少的年代.据文献[1]的资料,这一时期我国年均失事大坝27座,其中漫坝失事的约占40.2.据此,以35年运行期推算,其Rp约为0.46.这一风险率远小于前述3040年累计均值Rp1.38。文献[2][4]统计了世界各国失事大坝的资料,约三分之一是洪水漫坝而导致失事的.20000座符合ICOLD标准的大坝和12500座土坝的统计资料表明,在50年左右的运行期中,其Rp分别为0.2和0.36。1.2大坝防洪安全的水文分析传统的大坝防洪安全分析认为漫坝风险主要来自超标洪水.大坝在整个运行期间抗御洪水的安全度SN,取决于设计洪水重现期Tr和运行年限N,有1N年内的漫坝风险率PFN则为2这一分析粗略认定,大坝遭遇超标洪水必然漫坝失事,而未遇超标洪水则一定安全.根据我国现行的大坝洪水设计标准[5],由式1求得的各类各等级大坝在N35年和50年内的SN,见表2.表2我国的洪水设计标准和相应的水文安全度坝型等级大Ⅰ大Ⅱ中小Ⅰ小Ⅱ土石坝洪水标准Tr年1000020001000500200运行年限N年35503550355035503550安全度SN99.6599.5098.2697.5396.5695.1293.2390.4783.9177.83混凝洪水标50001000500200100土坝准Tr年运行年限N年35503550355035503550安全度SN99.3099.0096.5695.1293.2390.4783.9177.8370.3460.50从表1和表2的分析对比中可见,尽管过去我国大坝的洪水设计标准较现行规定为低、设计洪水计算成果也可能偏小,但实际的Rp远小于式2估算的水文PFN.这说明现有大坝通常都具有一定的抗洪潜力,仅从水文角度考察大坝的防洪安全是不够的.大坝的防洪安全受诸多不确定性因素的影响,主要可归纳为水文、水力等随机不确定性和工程、管理等模糊不确定性.只有综合考察这些不确定性因素的作用,才能正确理解大坝的抗洪潜力,定量确定漫坝失事率PFN。2.漫坝失事的随机风险分析2.1随机不确定性的作用大坝的洪水漫顶风险率是与水库的整个调洪过程联系着的.在整个调洪过程中,存在着许多人们难以预料和控制的随机不确定性因素,如入库洪水过程Qt的水文条件,出库泄洪过程qh,m的水力条件、库容和水位关系wh的边界条件、防洪起调水位Ht0的初始条件等的随机性.所有这些导致了不同时刻水库蓄洪量Wt的随机变化,这一变化又制约着库水位Ht的随机消长.无疑地,Ht与大坝的漫顶风险率Pf密切相关。传统的调洪演算方法不能考察Ht过程的随机性.所以,设计者不得不采取偏保守的设计,在调洪演算过程和泄洪建筑物设计规模、坝顶高程的决策中,留有一定的安全系数.由此可见,从随机水文、水力设计角度分析,在遭遇超标洪水条件下,大坝仍可具一定的防洪安全度.当然,亦不排除未遇超标洪水时的漫坝风险。2.2随机微分方程的建立对随机变量Ht的定量分析,是确定Pf的关键。调洪过程随机微分方程的建立,为模拟和分析Ht的随机变化创造了条件。文献6根据调洪过程中Wt具有Wiener过程特性的分析,建立了带有随机作用项、随机系数和随机初始条件的随机微分方程,3式中,μQt为均值洪水过程线,μqH,m为均值泄洪过程线GHdμWH/dμH,μW(H为均值水位库容曲线,μH为均值库水位,H0为t0时刻的初始随机库水位.dBt/dt为一正态白噪声,该项的增加表示了随机因素的引入.这一随机输入是在调洪过程中实现的.Qt,qH,m和wH等的综合作用,导致了Wt围绕其均值过程线μWt作随机游走,其概率密度服从正态分布.在扣除了Wt的均值偏移μWt后,存在一无偏的Wiener过程Bt,其均

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