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） 2 as of of on of In is At in of a 1. is in on is is of on of it is is of we is in to of as I on to of is to of of 学本科毕业设计（论文） 3 目录 中文摘要 . 1 . 2 一 . 5 究目的与意义 . 5 内外坝体风险研究情况 . 5 外研究状况 . 5 内研究状况 . 6 二 . 6 程概况 . 6 域概况及枢纽任务 . 6 文、水利调洪概况 . 6 象 . 7 质勘测 . 7 构设计 . 8 程分等与建筑物分级 . 8 型、坝址选择 . 8 溢流坝设计 . 9 流坝设计 . 29 水孔设计 . 34 部构造 . 35 三 . 37 险的概念 . 37 险的含义 . 37 风险有关的概念 . 37 力坝所受风险特点 . 40 力坝所受风险因素 . 41 四 . 41 大学本科毕业设计（论文） 4 次分析法概述 . 41 糊综合评价法 . 46 叶斯网络分析法 . 47 五 . 47 析过程 . 47 出结论 . 55 六 . 55 文总结 . 55 望 . 55 参考文献 . 56 致谢 . 57 大学本科毕业设计（论文） 5 第 1章 绪论 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。 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， 出了利用优化设计降低大坝风险的理念 4。 1979 年， 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） 6 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。 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 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。 利调洪 概况 死水位 电正常水位 应下游水位 计洪水位 应下游水位 通过河床式溢洪道下泄流量 s；校核洪水位 应下游水位 过河床式溢洪道下泄流量 m3/s；泥沙淤 积高程 学本科毕业设计（论文） 7 淤沙干容重 孔隙率 和内摩擦角分别为 n= =15o；电站进水口底板高程为 式进水口）。 (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 s， 风向西南。 (5) 风力： 设计洪水位时吹程 应校核洪水位时吹程 他 坝顶宽度 设置为 8m。 大学本科毕业设计（论文） 8 根据水利水电工程等级划分及洪水标准（ 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。 址选择 型选择 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。 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。 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） 9 面尺寸拟定 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； 波浪高度， m； 波浪中心线 距离 静水 平 面的高度， m； 计算风速， m/s。 h= h 坝顶 距离静水位的高度 ； 坝顶 的 安全超高 值 。 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 2顶高程计算成果表 大学本科毕业设计（论文） 10 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 核情况 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 那么 带防浪墙的坝顶高 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所以本坝顶宽度取 12m. 面坡度 实体重力坝上游坝坡 一般介于 0 1 间 ， 本坝体取 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： 相应的 下游起坡点高程为 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） 11 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 步拟定非溢流坝剖面尺寸如 下图 ： 大学本科毕业设计（论文） 12 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： 为特殊组合。 大学本科毕业设计（论文） 13 作为特殊组合。 压力、浪压力按正常蓄水位计算。 ”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 2 d H2 4 1 图 3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。 5 5 50=312512=25 12 79=2370013=25 46 1=12+ 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 垂直水压力 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= 1=1， s=1； 溢流坝宽度 B=12m； 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 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 m） 下游水深 m） 上下游水位差H(m) 正常蓄水位 计洪水位 核洪水位 算各种情况下静水压力： 水平水压力 算公式为 7： （ 3 式中： 计算点处的作用水头，； w 水的重度，常取 3； 垂直水压力 水重计算。 上游水平水压力： u=） 下游水平水压力： d=） 上游垂直水压力： 2 =2” =游垂直水压力： 3= 上游水平水压力： u=） 下游水平水压力： d=） 大学本科毕业设计（论文） 16 上游垂直水压力： 2 =2” =游垂直水压力： 3= 上游水平水压力： u=） 下游水平水压 力： d=） 上游垂直水压力： 2 =2” =游垂直水压力： 3=3) 扬压力 U 根据规范，排水处扬压力折减系数： = 将扬压力 分成 四部分， 12（ 2=10=3=1/2 74=4=79=2+4= 10（ 2=12=学本科毕业设计（论文） 17 74=4=81=2+4= 10（ 2=10=3=1/2 74=4=85=2+4=震情况按正常蓄水位计算。 （ 4）泥沙压力 算例 计算年限取 60 年，水平泥沙压力 7：式中： 泥沙的浮容重， kN/ 坝前淤沙厚度，； s 淤沙的内摩 擦角， ; 本次设计取泥沙浮容重为 s 取 30。 水库坝址处多年平均输沙量为 t，按 50 年 计算，总淤积量为 151 万得泥沙水位 沙厚度 60m。故泥沙压力为 大学本科毕业设计（论文） 18 40 - 5） = 5）浪压力 表 3 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/位高程 (m) 基高程 (m) 120 120 120 安全超高 hc(m) 水面深度 H(m) 根据规范 浪要素按官厅水库公式计算（适用于 2，属于深水波。 174500/172)1/202/2m H2，属于深水波。 大学本科毕业设计（论文） 20 13/40002)1/13/ H2，属于深水 波。 各种情况均按深水波计算浪压力，如图 3示。 图 3水波浪压力分布 浪压力计算公式为 7 Lm(4=kN 大学本科毕业设计（论文） 21 Lm(4= Lm(4=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 式（ 3算 7 当设计烈度为 7 度时， h 取 一般取 i 为质点 i 的动态分布系数，按式（ 3算 7 在水平地震作用下，单位宽度上的总地震动水压力 7 坝前水深， m。 作用点 位置：水面下 。 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， = 0 1682=学本科毕业设计（论文） 22 （ 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。 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： 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 3 5 坝体抗滑稳定计算简图 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：大学本科毕业设计（论文） 23 式中： K 抗滑稳定安全系数； c 抗剪断凝聚力， c =120 A 接触面截面积， f 抗剪断摩擦系数， f = P 坝体上全部荷载对滑动平面的切向分 量 ， W 坝体上全部荷载对滑动平面的法向分 量 ， 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 坝基面抗滑稳定安全系数 K 荷载组合 K 基本组合 殊组合 （ 1） 2） 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大学本科毕业设计（论文） 24 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 单一安全系数法 7： =1300 88/3 满足规范要求。 承载能 力极限状态设计法： （ 1）计算作用效应函数 7 S()= P= 2）抗滑稳定抗力函数 7 f 的分项系数 取 C 的分项系数 取 坝基面抗剪断系数设计值 f =基面抗剪断黏聚力设计值 C =1420/滑稳定抗力函数 7 R() = f W +c A =14246学本科毕业设计（论文） 25 （ 3）验算抗滑稳定性 偶然状况 时， 设计状况系数 = 结构重要性参数 0= 抗滑稳定结构系数 d=据式 7 0 S() =64357=*R（ .） =1/125646=135264 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。 单一安全系数法： =300 79/59084=足规范要求。 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、弹性理论的解析法； 4、弹性理论的有限元法 。本算例采 用材料力学法 。 在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边缘应力是否满足强度要求 7。 本次设计只考虑运用期 。 同理， 对 以上 四种情况 的 水平截面上的正应力分析 ，亦 采用单一安全系数法和分项系数极限状态设计 法 。 大学本科毕业设计（论文） 26 因为假定 y 按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力 7。 W 作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和， M 作用于计算截面以上全部荷载对 坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，m； B 计算截面的长度， m。 坝体最大主应力按下游边缘最大主应力计算 7： （ 1）坝趾抗压强度承载能力极限状态： 坝趾抗压强度计入扬压力情况下的极限状态作用效应函数为 7 坝趾抗压强度极限状态抗力函数为 7 式中： 混凝土抗压强度。 （ 2）坝踵应力约束条件的正常使用极限状态 以坝踵铅直应力不出现拉应力作为正常使用极限状态。 大学本科毕业设计（论文） 27 利用承载能力极限状态设计式和正常使用极限状态设计判别大坝是否满足 强度要求。 荷载及力矩设计值及相应计算结果见附表，由附录一附表查得各分项系数。 （ 1）计算作用效应函数 7 = 2）验算抗压强度 持久状况（基本组合）设计状况系数 =构重要性参数 0=压基本组合结构系数 d=凝土性能分项系数 据式 7 0 S() = =1/9364=5364大学本科毕业设计（论文） 28 计算结果表明，重力坝在正常蓄水位情况下应力满足规范要求。 采用单一安全系数法 7 =14340 坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。 =趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。 =(1+ 623 小于混凝土的容许压应力。 偶然状况，只需采用承载能力极限状态法判别大坝是否满 足强度要求。 荷载及力矩设计值及相应计算结果见附表，由附录一附表查得各分项系数。 （ 1）计算作用效应函数 7 =2831 2）验算抗压强度 大学本科毕业设计（论文） 29 偶然状况（特殊组合）设计状况系数 =构重要性参数 0=压基本组合结构系数 d=据式 7 0 S() =2623=2623=1/9643=5733说明挑流消能不会影响大坝安全。 挑流消能冲坑计算简图如 上 图 所 示。 压泄水孔设计 工作闸门布置在出口，出口 高程较低，可以部分开启。并在进口处设置事故检修阀门。 径 D 的拟定 最大发电流量 s， 设定 4 台发电机组，由 公式 D=(4Q/ 多个发电孔引取的流量， m3/s； 孔内允许流速， m/s， 对于发电孔 s； 得 P=取 D= 进水口体形设计 进水口顶部采用椭圆曲线 ， 进水 口底缘采用平底，进水口草图如图所示： 大学本科毕业设计（论文） 35 门与门槽 进水口设置 平面滑动阀门，阀门与启闭机连在一起。 变段 渐变段施工复杂，不宜太长。一般采用筒身直径的 。此处取 9 米。 压泄水孔设计 本设计采用具有有压短管型进口的无压泄水孔。 顶构 造 坝体顶部设立高 ，宽 的防浪墙。 墙体应该有足够的刚性，所以以钢筋混凝土来铸造，整体与坝体相连接。 并且设置 排水管来排水。为了满足交通的要求，坝顶两侧设置人行道，宽 1 米，并布置照明装置，隔 5 米有一个太阳能路灯。另外，为了方便运行，坝顶还应该设置电站的电梯井等装置，方便工作人员的进出。 缝止水 大学本科毕业设计（论文） 36 缝 横缝： 其目的是 减少温度应力，以适应不均匀变形和满足施工要求。横缝 垂直于坝轴线，缝距为 20m，缝宽 2 纵缝：在平行坝轴线方向设置。 水 横缝内需设止水， 水片采用厚 铜片， 设置 两道止水片和一道防渗井。 止水片的下部深入基岩 ， 与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。 平缝 混凝土浇筑块厚度为 4m，纵缝两侧相邻坝块的水平缝错开布置 。 道系统 础廊道 位置：廊道底部距坝基面 5m，上游侧距上游坝面 形状： 高 4m， 底宽 3m,，在最低处设集水井。 体廊道 自基础廊道沿坝高每隔 30m 设置一层廊道，共设 4 层。底部高程分别为 145m， 165m，243m，形状为城门洞形，其上游侧距上游坝面 5m，底宽 3m，高 4m，左右岸各有一个出口。 体防渗与排水 体防渗 在坝的上游面、溢流面及下游面的最高水位以下部分，采用防渗设施。 体排水 大学本科毕业设计（论文） 37 距离坝的上游面 8m 处， 沿坝轴线方向设一排竖向排水管幕。排水管采用无砂混凝土管。 第 3章 重力坝系统风险识别 要对重力坝进行风险评估，首先要了解风险的含义， 并弄清风险与其他相关概念之间的联系和区别 。 从 各种学科、不同 角度 对 风险 给出 不同 的 定义， 所以至今，对于风险，仍然没有统一的定义 。其中， 有以下两种定义较 为普通接受的： 其一，风险就是与出现损失有关 的不确定性 8； 其二，风险就是