重力坝风险评估方法研究毕业设计

大学本科毕业设计（论文）1中文摘要重力坝作为我国最常见的一种坝型，对其进行风险研究的重要性可想而知。近几年，国内外对于该领域的研究讨论十分激烈。目前，针对坝体工程的风险评估以及可靠性设计已经成为比较有创新点的论题 1。本文就是在这样的背景下，对于重力坝的风险评估方法进行了初步探究。本文分为两大部分，本文大概分为两个部分，前半部分为重力坝的设计部分，重点对重力坝的非溢流坝段进行了计算，另外，对于其细部构造也进行大概的设计。下部分为对该重力坝方案进行了风险评估，最终得出的结论是该方案风险较低。本文介绍了风险评估的各种方法之后，结合案例本身，采用了层次分析法对重力坝的风险进行了评估，其中考虑到了设计、施工、运行、经济、环境等多种因素，又重点对每个子目标下面的几个属性分别作了研究，最后得出各个子属性的权重数值，再根据该方案在各个属性下得到了评估分数，综合测评该重力坝方案的风险性。最后，较全面的对于影响重力坝稳定的因素都做了分析，得出结论。关键词：重力坝 风险评估 层次分析法 重力坝设计 工程风险大学本科毕业设计（论文）2ABSTRACTGravity dam in China as one of the most common type of dam, on the importance of risk research. In recent years, domestic and foreign research about the field discussion is very fierce. At present, in view of the dam engineering risk assessment and reliability has become a more innovative design thesis 1. This article is in this context, for gravity dam risk evaluation method has carried on the preliminary exploration.This article is divided into two parts, the first part is the design of gravity dam sections, focusing on the computation of gravity dam.In addition,it is for the detail structure and general design. Lower part is divided into the risk assessment scheme of the gravity dam.Finally ,we can conclude that the scheme risk is low.After assessment methods has been introduced in this paper, combining with the case itself, using the analytic hierarchy process (AHP) to evaluate the risk of gravity dam, which took the design into account,such as construction and operation, economic, environmental .I focus on the following attributes to each target which were studied respectively, and finally I conclude that the weight of each attribute value.Again, under each attribute which is according to the scheme evaluation scores, comprehensive evaluation of the gravity dam about project risk has been made. Finally, the comprehensive factors affecting the gravity dam stability have been made analysis.We can draw the conclusion.Keywords: analytic hierarchy process (ahp) gravity dam design of gravity dam risk assessment project risk大学本科毕业设计（论文）3目录中文摘要 1Abstract 2一.绪论 .21.1 研究目的与意义 21.2 国内外坝体风险研究情况 21.21 国外研究状况 21.22 国内研究状况 2二.重力坝设计 .22.1 工程概况 22.11 流域概况及枢纽任务 22.12 水文、水利调洪概况 22.13 气象 22.14 地质勘测 22.2 结构设计 22.21 工程分等与建筑物分级 22.22 坝型、坝址选择 22.23 非溢流坝设计 22.24 溢流坝设计 22.25 泄水孔设计 22.26 细部构造 2三.重力坝系统风险识别 .23.1 风险的概念 23.11 风险的含义 23.12 与风险有关的概念 23.2 重力坝所受风险特点 23.3 重力坝所受风险因素 2四.风险评估方法 .2大学本科毕业设计（论文）44.1 层次分析法概述 24.2 模糊综合评价法 24.3 贝叶斯网络分析法 2五.应用层次分析法对重力坝设计案例分析 25.1 分析过程 25.2 得出结论 2六.总结与展望 .26.1 全文总结 26.2 展望 2参考文献 2致谢 2大学本科毕业设计（论文）5第 1 章 绪论1.1 研究目的与意义近几年，我国将大力开发非化石能源，增加其装机容量。在这些清洁能源中，水电将成为发展的重点 2。随着我国水电的发展，水电站以及坝体的稳定性议题也被广泛研究。由于重力坝是中国最常见的坝型，所以对于重力坝的稳定安全研究也成为重点。由于我国的许多重力规库无论是地质还是水文条件都特别复杂，并且其一般都建设与地区发展的重要地区，供应很多重要地区的电力以及防洪等其他各项功能，所以，其失事后果是可以想象的。重力坝是一种大体积的挡水建筑物，一般由钢筋混凝土或者浆砌石等材料修筑而成的，以若干坝段的形式组成在一起。重力坝主要依靠坝体自重来维持稳定，在水压力及其他外荷载作用下，重力坝的断面基本呈三角形。它的工作原理是：重力坝依靠坝体自重产生的抗滑力来抵消水压力，扬压力等荷载，依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力等产生的拉应力，来满足稳定性要求。但在实际工程实践中，在处理重力坝现基的的问题上，会受到很多因素的影响，使强度不满足要求。因此，对重力坝进行风险评估十分重要。1.2 国内外坝体风险研究情况1.21 国外研究状况在 20 世纪 60 年代末至 70 年代初，美国、苏联等国家开始对大坝进行防洪风险研究，以应对当时出现的几起严重大坝失事事件 3。从此，国内外开始重视对于大坝防洪风险的研究。1976 年，风险分析方法首次被用于美国提塘坝的失事分析。1978 年，Mays L.W.提出了利用优化设计降低大坝风险的理念 4。1979 年，Fahlbusch, F.F.指出在进行水力设计时应考虑大坝的风险问题。20 世纪末，国际大坝安全会为了给大坝安全中应用风险分析提供了技术支持，从而制定了大坝安全的风险评估导则 5。大学本科毕业设计（论文）61.22 国内研究状况国内相比较于国外对大坝风险评估的研究，起步较晚。20 世纪初，国际大坝委员会将针对于“在大坝的安全稳定决策与大坝管理中的应用风险分析”这一课题进行研究和讨论，促进了国内对于大坝安全风险分析的研究热潮。近来，国内学者也加入到了大坝安全风险分析的研究工作，在不断学习和探究风险分析新理论、新方法的同时，大多致力于对于坝体进行发电、防洪风险等风险的研究。2002 年，梅亚东在初始起调水位和调洪情况一致的条件下，应用季节性自回归模型对入库洪水进行模拟，应用三角分布和正态分布描述水力不确定性对泄洪能力的综合影响，计算了洪水漫坝风险率 6。此方法综合了水文、水力不确定性的影响，考虑的比较清晰透彻。目前，针对坝体工程的风险评估以及可靠性设计已经成为比较有创新点的论题第 2 章 重力坝设计某流域将要修建重力坝，现有以下方案。2.1 工程概况2.11 流域概况及枢纽任务该流域的另一支大支流，河流全长 300 公里，流域面积 1000 平方公里。流域内山谷狭长，水流较急。本枢纽工程以发电、防洪为主，兼顾灌溉下游农田和航道运输。水库总库容 7.5 亿立方米，电站要求有 15 万千瓦的装机容量，能够保证上下游大约 180 万亩的农田灌溉，预防并且减免附近 30 万平方米农田的洪灾。2.12 水文、水利调洪概况死水位 169.15m；发电正常水位 195.5m，相应下游水位 143.88m；设计洪水位196.22m，相应下游水位 149.02m；通过河床式溢洪道下泄流量 4327.70m3/s；校核洪水位 197.14m，相应下游水位 149.52m，通过河床式溢洪道下泄流量 4120.37 m3/s；泥沙淤大学本科毕业设计（论文）7积高程 154.6m，淤沙干容重 8.3KN/m3，孔隙率和内摩擦角分别为 n=0.4,=15 o；电站进水口底板高程为 86.20m（坝式进水口）。2.13 气象(1) 气温：多年平均气温为 22 度。据历史记录实际统计，最低气温是一月份的零下10 摄氏度，最高气温为七月份的 42 摄氏度。(2) 降雨量：雨量在各个月份内分配不均，夏季雨水充沛，雨量占全年的 70%；秋冬季相对匮乏，占全年雨量的 30%。 (3) 蒸发量：坝址处，多年平均蒸发量以七月份最大，大概 1349 毫米。平均月蒸发量为 300 毫米，秋冬季节相对较少，比如一月份的月蒸发仅量为 58 毫米。(4) 风速：最大风速的多年平均值 14.3m/s，风向西南。(5) 风力：设计洪水位时吹程 2.24km，相应校核洪水位时吹程 2.36km。2.14 地质勘测2.15 其他坝顶宽度设置为 8m。大学本科毕业设计（论文）82.2 结构设计2.21 工程分等与建筑物分级根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）中的规定，按照该工程的综合效益、规模大小等在国民经济中的作用进行分等，然后再对各组建筑物在枢纽中的重要性大小来确定建筑物的级。确定本枢纽为等工程， 主要建筑物和次要建筑物为 3级，临时建筑物为 4 级。2.22 坝型、坝址选择2.1 坝型选择2.1.1 坝址地质条件该河道浅滩深浅交替，河道稳定，断面有很少淤积。河谷断面形状多呈“V”形外，中下游一带均为梯形。坝址区域内岩石较完整、新鲜、微裂隙，岩石综合评价较好，呈块状。2.1.2 建筑材料根据上文所述的工程概况，可以知道坝址周围的石料质量较好，级别较高，并且方便运输。2.2 坝址选择根据坝址地质勘测工作，在距该县约 8 公里处选定了坝址。坝址处河流地形较为开阔。其中，右岸山坡坡度较缓，而左岸较陡。河床在此段是两头浅中间深，右岸河水比左岸深。为了保证上游的电力供应以及保障下游的农田不被淹没，最终，组委会总共拟建出 3 个建坝路线，选择了最终的坝轴线。大学本科毕业设计（论文）92.23 非溢流坝设计3.1 剖面尺寸拟定3.1.1 坝顶高程的确定波浪三要素计算公式如下 7： L波长，m ；D风区长度， m；H坝前水深，m ；hl波浪高度，m；hz波浪中心线距离静水平面的高度，m；Vo计算风速， m/s。 h= hl + hc + hzh坝顶距离静水位的高度；hc坝顶的安全超高值。大学本科毕业设计（论文）10根据设计和校核两种情况，分别得出对应计算值，计算结果见下表 2-1表 2-1 坝顶高程计算成果表计算情况 风速 V 波浪长度波浪高度风壅水高静水超高安全加高坝顶高程设计情况 30 15.07 1.59 0.53 2.62 1.5 208.84校核情况 17.3 8.79 0.81 0.23 1.44 0.4 198.58考虑水库综合利用情况, 对于坝顶或防浪墙顶高程取 209m。防浪墙高值取 1.2m，那么带防浪墙的坝顶高 207.8-120=87.8m3.1.2 坝顶宽度考虑大坝的运用和交通要求，坝顶应有足够的宽度，坝顶宽取 8-10%，所以本坝顶宽度取 12m.3.1.3 坝面坡度实体重力坝上游坝坡一般介于 010.2 之间，本坝体取 10.1。折坡点高程结合下游坝坡、电站进水口、泄水孔等优选确定。下游剖面应根据稳定和应力要求，结合上游坝坡，满足基本三角形顶点与校核洪水位齐平的基本要求，取下游边坡系数为 1：0.7，相应的下游起坡点高程为 182.85。3.1.4 坝底宽度由几何关系，根据上下游坡度、起坡点高程、坝顶宽度、边坡系数等条件可得坝底宽度为 63m。大学本科毕业设计（论文）113.1.5 地基防渗与 排水设施拟定为了防止渗漏，坝基面须设置防渗帷幕和排水孔幕，其中心线在坝基面和距离坝踵分别为 5m 和 8.5m。初步拟定非溢流坝剖面尺寸如下图： 大学本科毕业设计（论文）123.2 荷载计算重力坝的主要荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等，取单位坝长（1m）计算。荷载组合可分为两类，基本组合与特殊组合。前者属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。后者属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。设计时应从这两类情况出发，计算检验，使之符合规范，进而满足要求。本次设计考虑的基本荷载组合与特殊组合两种情况，它们考虑的荷载分别如下表所示。注：1.选择计算中的最不利的组合；大学本科毕业设计（论文）132.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。3.施工期的情况应作必要核算，作为特殊组合。4.根据地质和其他条件，作为特殊组合。5.地震情况的静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。6.表中的“”表示应考虑的荷载。下面就各种情况计算相应荷载，计算示意图如下W12W2H1 W2 W13 W3Pd H2b3U4 H2H1 U2 U3 H 1U1图 3-3 重力坝荷载计算示意图（1） 自重 W大学本科毕业设计（论文）14四种情况下自重相同。W11=250.5550=3125kNW12=251279=23700kNW13=250.54662.85=36138.75kNW1=W11+W12+W13=62963.75kN（2）静水压力 P静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时分解为水平水压力 PH 和垂直水压力PV 。计算各种情况下的上下游水深：根据水力学公式 7根据规范，取值如下：C=1，m=0.49，1=1，s=1 ；溢流坝宽度 B=12m；H0 为堰上水头，堰顶高程与正常蓄水位平齐。所得结果列表如下：表 3-3 不同情况下上下游水深大学本科毕业设计（论文）15特征水位 上游水深 H1 （m）下游水深H2（m）上下游水位差H(m)正常蓄水位 195.5 143.88 51.62设计洪水位 196.22 149.02 47.20校核洪水位 197.14 149.52 47.62计算各种情况下静水压力：水平水压力 PH 计算公式为 7：（3-8）式中： 计算点处的作用水头，；w 水的重度，常取 9.81 kN 3；垂直水压力 PV 按水重计算。a.正常蓄水位：上游水平水压力：P H1=Pu=54728.19kN （）下游水平水压力：PH 2=Pd=4521.24kN （）上游垂直水压力：P V1=W2=1632.14kNPV2=W2”=3437.92kN下游垂直水压力：P V3=W3=3451.23kNb.设计洪水位：上游水平水压力：P H1=Pu=52367.23kN （）下游水平水压力：P H2=Pd=4782.34kN （）大学本科毕业设计（论文）16上游垂直水压力：P V1=W2=1862.12kNPV2=W2”=3435.57kN下游垂直水压力：P V3=W3=3792.45kNc.校核洪水位：上游水平水压力：P H1=Pu=55639.05kN （）下游水平水压力：P H2=Pd=5485.27kN （）上游垂直水压力：P V1=W2=1938.374kNPV2=W2”=3637.23kN下游垂直水压力：P V3=W3=4142.89kN(3) 扬压力 U根据规范，排水处扬压力折减系数：=0.25。将扬压力分成四部分，U1，U2 ，U3，U4 。a.正常蓄水位：U1=1/212（78.42-0.2578.42）9.81=2763.91kNU2=9.810.2578.4210=1829.36kNU3=1/29.810.2578.4274=6683.62kNU4=9.8134.8979=26392.74kNU=U1+U2+U3+U4=37294.27kNb.设计洪水位：大学本科毕业设计（论文）17U1=1/210（79.32-0.2579.32）9.81=2746.79kNU2=9.810.2579.3212=1847.79kNU3=1/29.810.2579.3274=7123.39kNU4=9.8132.6781=25795.44kNU=U1+U2+U3+U4=395747.65kNc.校核洪水位：U1=1/210（75.2-0.2575.2）9.81=2478.43kNU2=9.810.2575.210=1957.53kNU3=1/29.810.2575.274=7156.46kNU4=9.8133.085=28467.76kNU=U1+U2+U3+U4=41783.35kN地震情况按正常蓄水位计算。（4）泥沙压力 Ps本算例计算年限取 60 年，水平泥沙压力 Ps 为 7：式中： sb泥沙的浮容重，kN/m3；hs 坝前淤沙厚度，；大学本科毕业设计（论文）18 s 淤沙的内摩擦角，;本次设计取泥沙浮容重为 9.0kN/m3，s 取 30。水库坝址处多年平均输沙量为 5.02 万 t，按 50 年计算，总淤积量为 2.6Mt，约 151 万m3，查得泥沙水位 3012.5m。淤沙厚度 60m。故泥沙压力为Ps=1/27.434.62tan2（40- 5）=3257.89kN（5）浪压力1.基本数据表 3-4 浪压力计算基本数据表正常蓄水位 设计洪水位 校核洪水位计算风速 V0(m/s) 17 17 13有效吹程 D(m) 4600 4600 4200重力加速度 g(m/s2) 9.8 9.8 9.8水位高程(m) 195.5 196.22 197.14坝基高程(m) 120 120 120安全超高 hc(m) 0.5 0.5 0.4迎水面深度 H(m) 101.75 104.14 107.12.波浪要素计算及波态判别根据规范 SL319-2005，波浪要素按官厅水库公式计算（适用于 V0Lm /2，属于深水波。b.设计洪水位：Lm=0.33117-1/2.15(9.84500/172)1/3.75202/9.8=12mh1%=1.2446mhz=0.3685m因 HLm /2，属于深水波。c.校核洪水位Lm=0.33113/2.15(9.840002)1/3.7513/9.8=8.054mh1%=0.796mhz=0.3146m因 HLm /2，属于深水波。3.波浪压力计算各种情况均按深水波计算浪压力，如图 3-4 所示。大学本科毕业设计（论文）21图 3-4 深水波浪压力分布浪压力计算公式为 7a.正常蓄水位：Pl= Lm(h1%+hz)/4=38.43 kNb.设计洪水位：Pl= Lm(h1%+hz)/4=38.84kNc.校核洪水位：Pl= Lm(h1%+hz)/4=20.64kN地震情况按正常蓄水位计算。（6）地震荷载本算例只考虑水平向地震作用。工程区地震烈度为 7 度。其中，水平向地震惯性力代表值 Fi，按式（3-15）计算 7 大学本科毕业设计（论文）22当设计烈度为 7 度时， h 取 0.1g， 一般取 0.25， i 为质点 i 的动态分布系数，按式（3-16）计算 7在水平地震作用下，单位宽度上的总地震动水压力 F0 为 7H1 为坝前水深，m。作用点位置：水面下 0.46H1 处。计算地震动水压力时，乘以折减系数 /90。其中， 为建筑物迎水面与水平面的夹角。经计算，=76.5，故F0=81.2/900.659.80.10.251.01682=17578.43kN（7） 其它荷载在重力坝荷载中，其他荷载一般来讲应根据具体情况来定，本算例中所占比例很小，忽略不计。3.3 稳定分析重力坝的抗滑稳定分析的目的：核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。分别采用以下两种方法来计算和检验：单一安全系数法和分项系数极限状态法。抗滑稳定计算时计算单元为 1m。以下两种情况：大学本科毕业设计（论文）23设计洪水位情况和校核洪水位：按承载能力极限状态验算；正常蓄水位情况和地震：按单一安全系数法验算。 图 35 坝体抗滑稳定计算简图1.单一安全系数法：本次设计单一安全系数法是采用抗剪断强度计算公式来进行稳定分析的，公式如下 7：式中：K 抗滑稳定安全系数；c 抗剪断凝聚力， KPa，c=120KPa ；A 接触面截面积，m2。f 抗剪断摩擦系数，f=1.2P 坝体上全部荷载对滑动平面的切向分量，kN大学本科毕业设计（论文）24W 坝体上全部荷载对滑动平面的法向分量，kN ；上述公式所得结果坝基面抗滑稳定安全系数 K值应不小于下列规定。表 3-5 坝基面抗滑稳定安全系数 K荷载组合 K基本组合 3.0（1） 2.5特殊组合（2） 2.32.分项系数极限状态设计法：承载能力极限状态设计式 7抗滑稳定极限状态作用效应函数为P,作用设计值水平方向的代数和。抗滑稳定极限状态抗力函数W 为坝基面上法向力设计值代数和。各变量及扬压力系数 均按照设计值计算。下面是在几种不同荷载的组合情况下对于大坝抗滑稳定进行的分析：（1）基本组合大学本科毕业设计（论文）25a.正常蓄水位单一安全系数法 7：=1.2(13532.65-28590)+130088/54847.87=4.43满足规范要求。b.设计洪水位：承载能力极限状态设计法：（1）计算作用效应函数 7S()=P=69334.42kN（2）抗滑稳定抗力函数 7f的分项系数取 1.3；C 的分项系数取 3.0。坝基面抗剪断系数设计值 f=1.5/1.32=1.05坝基面抗剪断黏聚力设计值 C=1420/4.0=384.5kPa抗滑稳定抗力函数 7R() = f W +cA =14246kN（3）验算抗滑稳定性偶然状况时，设计状况系数 =0.85；结构重要性参数 0=1.0；抗滑稳定结构系数 d=1.2。根据式 7大学本科毕业设计（论文）26 0S() =1.00.8364357=55367.67KN1/ d*R（. ）=1/1.2125646=135264KN 经过计算可知，该重力坝在校核洪水位下满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。d.地震情况：单一安全系数法：KS=1.3584248.29+130079/59084=3.62.3满足规范要求。3.4 应力分析重力坝应力分析的目的是为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求。应力分析有以下几种方法：1、模型试验法；2、材料力学法；3、弹