（水工结构工程专业论文）大坝安全风险分析及预警指标的研究.pdf

摘要 摘要 全面、科学地把握每座大坝的安全状况及其风险程度，及时预警大坝危险源， 是大坝安全领域亟待解决的课题之一。本文在总结前人研究成果的基础上，对土 石坝失稳破坏和渗透破坏的风险分析模型，以及混凝土坝、土石坝的安全预警指 标进行了深入的研究，主要成果如下。 ( 1 ) 根据土石坝的物理特征以及工程运行实际，研究了土石坝工程的主要失 效模式。建立了失稳破坏和渗透破坏两种主要破坏类型的风险计算模型，并将其 应用于福华山水库大坝坝坡失稳风险度研究。研究表明，虽然福华山水库大坝满 足传统意义上最小安全系数的要求，但是存在滑坡失稳的风险。 ( 2 ) 借鉴相对较成熟的军事、经济和灾害预警系统理论的基础上，初步构建 了大坝安全预警系统，探讨了三维和一维预警原理；阐述了预警指标的概念，并 从大坝安全监控指标入手设计估算预警指标，论述了确定大坝安全预警系统监控 指标的一般方法。 ( 3 ) 深入研究了混凝土坝安全预警的关键问题之一确定混凝土坝安全预 警指标。运用非连续变形分析( d d a ) 和强度储备系数法分析了三峡大坝左岸厂 房3 4 坝段的整体抗滑稳定析。根据失稳判据和坝体位移与强度储备系数之间的关 系曲线确定大坝所处的弹性、弹塑性或大变形失稳破坏阶段，并得出极限承载状 态的强度储备安全系数，以及该坝段位移一级监控指标和二级监控指标，其变形 预警指标对应一级监控指标。 ( 4 ) 深入研究了土石坝安全预警的关键问题之一确定土石坝安全预警指 标。运用渗流有限元方法，结合敏感性分析和定性风险分析估算出福华山水库大 坝坝体、坝基关键部位的允许渗透坡降，并确定为该坝的渗透破坏预警指标。 关键词：风险分析土石坝混凝土坝安全预警指标安全监控指标 非连续变形分析( d d a )渗流有限元允许渗透坡降 a b s t r a c t i t sa nu r g e n ts u b j e c tf o ri n v e s t i g a t i o nc oh o l dd a ms a f e t ys t a t u sa n dd e g r e eo fi t s r i s k c o m p l e i e l ya n ds c i e n t i f i c a l l y ，a n dw 啪r i s ks o u r c e si nt i m e o nt h eb a s eo ft h e p r e v i o u sw o r k ，s l i pa n ds e e p a g e“s ka n a l y s i s m o d e lo fe a n hd 锄i s f o u n d e d ， s i m u l t a l l e o u s l y ， s e c u r i t ye a r l yw a r n i n gi n d e xo fc o n c r e t e d a ma 1 1 de a r t hd a mi s l u c u b r a t e d i nt h i sp a p e r ，t h ef o l l o w i n gc o m e n t sa r ei n c l u d e d f i r s t l y ，a c c o r d i n gt op h y s i c a lc h a r a c t e ra n de n g i n e e r i n go p e r a t i o nc o n d i t i o no f e a r t hd a m ，m a i ni n v a l i d a t i o nm o d e sa b o u te a r t h 出me n g i n e e r i n ga r ei n v e s t i g a t e d a i m e da tm 7 0m a i ni n v a l i d a t i o ns t y l e s ：s l i pa n ds e e p a g e ，t h er i s kc o m p u t a t i o nm o d e l s a r ef b u n d e dc o i t e s p o n d i n g l y ，a n dt h e nt h e ya r ea d o p t e dt or e s e a r c ho ns l i d ei n s t a b i l i t y “s kc o e f f i c i e n tf o rf u h u a s h a j ld 锄t 1 1 er e s e a r c hs h o w sm a t ：a l t l l o u g hf u h u a s h a nd 锄 i ss a t i s f l e d 丽mt l l el e a s ts a f e t yc o e f n c i e n ti nt r a d i t i o n a lm e a n i n s l i pr i s ka l s oe x i s t s b a s e do nt l er e s u l to fr i s ka 1 1 a l y s i s s e c o n d l y ，i nt h ef o u n d a t i o no fe a r l yw a m i n gs y s t e mt h e o r i e sa b o u tm i l i t a r ya f h i r s ， e c o n o m ya 1 1 dd i s a s t e r ，d 锄s e c u r i t ye a r l yw a m i n gs y s t e mi se s t a b l i s h ，t h r e ed i m e n s i o n a n do n ed i m e n s i o ne a r l yw a m i n gp r i n c i p l ei sd i s c u s s e d ，c o n c e p to fe a r l y 、v 删n gi n d e x i se x p a t i a t e d e a r l yw a m i n gi n d e xi se s t i m a t e d 厅o md a ms a f e t ym o n i t o r i n gi n d e x ， c o m m o n l ym e 山o d st oc o 刖j r mm o n i t o r i n gi n d e xi sd i s c u s s e di nd 硼s e c 嘣t ye a r l y w a r n i n gs y s t e m t h i r d l y ，o n eo fs i x t y f o u r d o l l a rq u e s t i o n so ns e c u r i t ye a r l yw 帅i n gf o rc o n c r e t e d 锄i sl u c u b r a t e d t oc o n f i m ls e c u r i t ye a r l yw a m i n gi n d e xf o rc o n c r e t ed a m i m e g r a l s t a b i l i t ya g a i n s ts l i d i n go ft h en o 3p o w e r h o u s ed a ms e c t i o ni nl e rb a n ko ft h et h r e e g o r g e sp r o j e c ti s c a i c u l a t e dw i t hd i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i sa n ds t r e n 舀h s t o r a g es 甜b t yc o e 壤c i e n tm e t h o d t h ep h a s eo fd a mw h i c hi s a te l a s t i c p h a s e ， e l a s t i c p l a s t i cp h a s eo ru n s t a _ b l ef 撕l u r ep h a s e 丽t lg r e a td i s t o n i o ni sc o n n m e db y s l i d i n gc r i t e r i o n s c o m b i n e dw i t h r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i s p i a c e m e mo fe n a c t m e n t m e a s u r e p o i n t s a n ds 仃e n 百hs t o r a g e s a f e t y c o e m c i e n t s t r e n g t hs t o r a g es a f e t y c o e m c i e n ti nl i m i tl o a d i n gs t a t ei sg a i n e d i na d d i t i o n ，p r i m a r ym o n i t o r i n gi n d e xa n d s e c o n d a r ym o n i t o “n gi n d e xo ft h i ss e c t i o nd i s p l a c e m e n ta r ec o n c l u d e d c o n s e q u e n t l y ， i t sd e f o r m a t i o ne a r l yw a m i n gi n d e xc o r r e s p o n d st op r i m a r ym o n i t o r i n gi n d e x f i n a l l y ，o n eo fs i x t y f o u r d o l l a rq u e s t i o i l so ns e c u r i t ye a r l yw a m i n gf o re a r t hd a i t l i sl u c u b r a t e d t oc o n n h ns e c u r i t ye a r l yw a m i n gi n d e xf o re a r t hd a m w i t ht l l er e s u l to f s e 印a g ef l n i t ee l e m e mm e t h o d ，k e yp e r r n i s s i v ep e t l t l e a b i l i t yg r a d i e n to ft h eb o d ya n d t h ef o u n d a t i o ni se s t i m a t e df o rf u h u a s h a ne a r t hd 姗，c o m b i n e dw i t hs e n s i t i v i “a n a l v s i s a n dq u a l i t a t i v er i s ka i l a l y s i s t h ev a l u ei sc o 州i r n l e da ss e 印a g ee a r l yw a r n 证gi n d e xo f e a r t hd a m 1 “yw o r d s ： r i s ka n a l y s i s e a r t hd a r nc o n c r e t ed 锄 s e c u r i t ye a r l y 、v a m i n gi n d e x s a f e t ym o n i t o r i n gi n d e xd i s c o n t i n u o u sd e f o n n a t i o na n a l y s i s s e e p a g ef i n i t ee l e m e mm e m o dp e m l i s s i v ep e m l e a b i l i t yg r a d i e m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 途立霞0 6 年，月f n 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：途煎经o b 年，月7 0 日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 修建大坝是综合利用水资源的重要工程设旌之一，世界各国都很重视。它不 仅能给人类带来巨大的综合经济效益，包括防洪、发电、供水、航运、灌溉、旅 游、养殖等效益；同时，在提高城市化水平、促进区域社会经济发展和生态环境 建设方面也发挥了重要作用。但是大坝建成后一旦出事，对下游将造成毁灭性的 灾难，其危害程度仅次于核爆炸，比海啸还要厉害，大水过后，地表土被一扫而 光，土地连庄稼都不能种。2 0 世纪2 0 年代以来，国际上相继发生了圣佛朗西斯( 美 国，1 9 2 8 年) 、马尔巴塞( 法国，1 9 5 9 年) 、瓦依昂特( 意大利，1 9 6 3 年) 等垮坝 事件，我国也先后发生了板桥、石漫滩( 1 9 7 5 年) 洪水漫顶以及沟后水库( 1 9 9 3 年) 渗透破坏等垮坝事件，给相关国家带来了惨重的灾害和巨大的经济损失【l j 2 】。 位于青海省共和县境内的沟后水库，库容仅3 3 0 万立方米，但它的溃决，却造成 了2 8 8 人死亡，4 0 人失踪，2 个乡、1 3 个村、几十家企业受灾，直接经济损失达 到1 5 3 亿元。河南板桥、石漫滩两座大型水库发生垮坝，溃坝流量分别达8 0 0 0 0 m 3 s 和2 0 0 0 0 m 3 s 以上，下游数十个县，顿成泽国，人员伤亡数以万计，经济损失十分 严重。于是各国政府和坝工界开始对大坝安全问题高度重视。我国已先后颁布了 水电站大坝安全检查实施细则、混凝土大坝安全监测技术规范、水库大坝 安全管理条例、土石坝安全监测技术规范等，同时，国际大坝会议也多次讨 论过大坝安全问题。 因此如何通过及时提供大坝安全性态及其变化信息，及早开展大坝险情预计， 对大坝潜在的可能引发的危害予以充分估计，拟定大坝应急处理计划，提高大坝 及其下游社会、环境的抗灾害能力，在发生灾害性事故的紧急时刻，及时预警， 及时采取补救措施，将灾害损失降低到最低限度是各国大坝安全管理工作者关心 的首要问题。基于此，本文试图从风险分析的角度来研究大坝安全问题，并在此 基础上进行安全预警相关问题的研究。 预警系统脱胎于军事领域，然而它一走上民用的舞台，便显示了它的广阔前 景。预警系统在宏观经济调控中首先得到应用，其次便是灾害管理，而后区域综 合预警和部门专业预警系统相继出现，它在坝工中的应用亦是一个崭新的领域。 大坝安全预警系统是一门很有特色的部门专业预警系统，大坝安全预警系统的理 论研究才刚刚开始，许多理论问题亟待进一步研究澄清，许多关键技术问题还有 待解决，研建大坝安全预警系统的实践活动还没有全面展开，有待人们在研建系 统的实践中检验和丰富相应的预警理论。基于此，笔者拟对大坝安全顸警系统的 相关理论和关键技术问题进行初步的研究。 第一章绪论 1 2 研究的目的和意义 大坝作为特殊的建筑物，其安全性质与房屋等建筑物完全不同，大坝的安全 出现问题，一旦溃坝，将会引发大坝下游一定范围内的人员和财产、环境损失， 国内外类似的惨痛教训不胜枚举。为了保证大坝的安全运行，对大坝的安全管理 亟需加强。大坝定检、安全鉴定等工作是从源头上采取预防措施，落实预防为主 的方针，保证大坝这一危险源不发生或少发生事故，将大坝失事的可能性降低到 最低限度。然而，由于人们对自然的力量( 地震、洪水、老化等) 、人为的破坏( 运 行的疏忽、不法分子的破坏等) 、材料的性能和抵抗外力的能力以及旋工过程的控 制都存在认识不透或不能准确确定的问题，大坝的安全始终是相对的，而不安全 是绝对的，良好的维护和检查能够提高大坝的运行质量，延续大坝的正常运行时 间，但却不能完全避免大坝发生事故。因此，如何全面、科学地把握每座大坝的 安全状况及其风险程度，并及时展开对大坝危险源的预警，是大坝安全方面急待 解决的课题。 1 9 9 8 年特大洪水后，在大规模进行大坝加固的同时，广泛开展了大坝工程设 计、安全管理和评价的研究。现阶段我国对大坝险情的形成机理、安全评价以及 预测技术方面的研究基本上停留在对现象的观察和监测数据的整理分析阶段，缺 乏大坝系统工程在复杂环境下运行的风险分析和安全评价理论体系和预警模型， 这就使得我们无法利用现代技术对大坝在汛期的系统行为进行分析并作出安全性 评价，使得我国的除险加固工作总是处于紧急被动的局面。 常规的定值安全评价方法，由于没有考虑到设计变量的变异性，安全系数的 大小并不能完全确切地表征工程的安全程度。基于可靠性理论的风险评价方法将 结构的多种参数作为随机变量，并可根据不同大坝结构重要性程度采取相应设计， 具有其先进性和科学性引。本文正是基于风险理论对大坝安全进行风险分析，试图 通过较为合理的风险计算模型分析和风险分析方法研究找出潜在危险点和事故生 成途径，以便更好地掌握大坝存在的险情类别和失事规律，并对事故后果进行预 测和评价，以便最终进行风险处理和决策。研究并科学地解决这些问题，可为大 坝的设计加固提供决策依据，同时对大坝的管理、维护和安全运行也具有十分重 要的意义。 “亡羊补牢，尤为未晚”，大坝安全预警系统是一种大坝万一不幸失事时减少 人员伤亡、财产损失，保障社会人民安全的补救手段。一个运行良好的预警系统， 能够连续不断地监测并评估大坝所经受的内外作用和效应参数，在出现安全问题 时，能及时甚至提前报警，为人员疏散和财产转移争取时间。因此，大坝安全预 警是基于对影响大坝安全的诸因素进行综合分析评价的基础上，对可能出现的大 坝险情作出预测和警报。在确认险隋后，作出风险分析和评估，并借助决策支持 河海大学硕士学位论文 系统制定出针对性的应急处理预案，以及时化解或降低风险，将可能发生的灾害 损失降低到最小程度。综上所述，大坝安全风险分析是大坝安全预警的基础，安 全预警是风险分析的提升和扩展。为了科学有效地掌握大坝的安全性态，及时对 大坝危险源预警并采取补救措施，进行大坝安全风险分析以及安全预警系统的研 究就显得尤为迫切和重要了。 1 3 理论的沿革与发展 1 3 1 风险分析的沿革与发展 1 3 1 1 风险分析概述 风险分析和可靠性分析是从正反两个方面去研究问题，单从概率角度看，它 们存在互补关系。风险分析是研究系统在一定条件下完成其预定功能所承担的风 险，包括确定系统的失事概率和失事后果；而可靠性分析是研究系统在一定条件 下完成其预定功能的能力，即确定系统的可靠度。可靠性的研究可以追溯到第一 次世界大战以后，当时由于空中交通和空中失事增加，需要制定飞机性能的可靠 性和必要的安全规范。早期的可靠性数学模型的发展是第二次世界大战期间在德 国开始的，应用于v 1 导弹发射成功率的研究。2 0 世纪5 0 年代，美国在朝鲜战 争中发现不可靠设备的维护费用浩大，开始按失效概率、寿命期望和成功率研究 元件的可靠性；6 0 年代，可靠性理论在机械、电气、液压元件和航空等领域开始 应用；7 0 年代，风险分析在核电站、化学工业和银行投资等领域开始应用。在7 0 年代初，美国学者卡萨格兰特就明确地提出考虑大坝风险，并根据风险作出安全 评价的思想。1 9 7 3 年，美国土木工程师协会发表了一篇用风险分析方法对溢洪道 设计进行重新评估的检查报告，由此拉开了水工建筑物风险分析的序幕。在8 0 年 代初，出现了许多风险分析的刊物，并引起工程界的广泛关注。随后，人们的兴 趣稍有降低，经过短暂停顿之后，风险分析在国外又于9 0 年代开始升温，现在已 经有一批具有研究和应用能力的工程师工作在这一领域，他们不仅将风险分析方 法视作处理由不确定性带来的风险分析方法，而且更重要的是将这些方法融入工 程和经济决策之中。 我国学者在工程风险分析方面作了非常广泛的研究，并应用于输油管道、城 市防洪规划、食品供应和网络安全管理等各行各业中，取得了满意的成效。但开 展水利水电工程风险分析起步较晚，始于8 0 年代末9 0 年代初，且各专业的结合 程度不高。 1 3 1 2 岩土工程中的风险分析 岩土工程的定量分析大多建立在确定性理论基础上，由于岩土体是极复杂的 地质体，其工程性状因地质起源、地质历史及环境条件而变化，因此在勘察设计 3 第一章绪论 期间通过有限个测试点的结果的概率统计分析难以覆盖岩土体性质在空间分布上 的不均匀性，而且岩土工程性质测试和计算分析中需要控制的边界条件、初始条 件和加荷条件都比较复杂，各种力学计算方法也不及其它工程结构完善和成熟， 这样确定性分析有时不能得到令人满意的结果。近年来，为减小在宏观指标判断 和计算结果中的人为性和随机性，在定量计算中利用不确定性理论进行分析辅助 工程决策，已有了一些发展和应用。 由于岩土工程自身的特点，不能将现有的比较成熟的上部结构可靠性分析方 法不加区别、简单地移植过来，必须从岩土体的赋存环境及其所受动、静载作用 下的效应进行研究【4 j 。对岩土工程运用可靠性分析方法进行风险分析，其目标是使 可能达到极限状态的概率足够地小，将工程风险限制在人们可接受地范围内。岩 土工程风险分析应用于工程实际，就是对实际工程进行概率极限状态设计，在此 基础上作出基于风险的决策。从2 0 世纪6 0 年代可靠性理论引入岩土工程领域， 逐步接受不确定性概念、构造随机模型、采用可靠指标和破坏概率来评价岩土工 程安全度。9 0 年代在地下工程、边坡工程等方面出现了许多研究成果。 当然，在岩土工程中，概率方法不能替代传统方法，它只是传统方法的一个 有效补充。事实上，失效概率虽不是真实的，但在一定程度上可用于相对比较。 较高的安全度总是与较低的失效概率相联系，这是客观规律。尽管岩土工程中采 用概率方法比结构工程要困难得多，但用概率方法研究岩土工程是一种客观趋势， 有不少问题必须而且有可能用随机理论等不确定性方法来解决。 1 3 1 3 水利工程中的风险分析 由于水利工程防洪系统涉及的自然因素较多，无法通过人工试验测验其随机 性，受历史资料限制，不易获得其随机性规律，而且变量之间多为非线性、非解 析函数关系，系统内部关系复杂，难以用数学模型精确描述，所以水利工程风险 研究的起步较晚。但在借鉴结构可靠性研究成果的基础上，经过国内外学者的共 同努力，水利工程防洪风险研究发展很快。2 0 世纪7 0 年代，洪华生、颜本琦、 邓汉忠等以雨水排水系统为例，将水力不确定性与水文内在随机性综合考虑，首 先介绍了风险及可靠度风险在防洪系统上的可行性【5 】old u c k s t e i n 、e j p l a t e 等 同期对大坝、水文、供水等工程的风险识别、分析、估计作了开创性的研究【6 】。此 后，风险分析在水利水电工程乃至范围更广的水文水资源与水环境系统中逐渐推 广应用。 国内外学者对水利工程风险分析的研究成果主要概括为：抗力和作用的随 机性研究。洪水、风浪的随机分布规律和分布参数的研究，可能最大洪水( p m f ) 的估算及其对应的重现期研究，泄流能力及其影响因素的随机性研究，库容不确 定性研究；风险模型和估算方法研究。风险模型的建立、风险的计算方法和数 河海大学硕士学位论文 值计算手段；灵敏度分析。即各种影响因素对风险影响程度的分析；风险标 准的研究。确定恰当的风险标准，使其既能被社会公众所接受又具有较好的经济 效益，包含投资一效益一风险分析，社会公众心理调查，政策研究等；系统分 析和事故树分析研究。将系统理论、事故树分析手段应用于水利工程系统之中， 分析其结构、组织，使总风险分解成单项风险时，不重叠、不遗漏。 1 3 2 大坝安全预警的沿革与发展 1 3 2 1 预警系统的发展 虽然预警思想古已有之，但预警一词最早出现于军事领域。预警系统在军事 领域脱胎、发育并逐渐走向成熟，然而它在民用的舞台上也有其用武之地。首先， 预警系统在宏观经济调控中得到了应用，其次便是灾害管理，而区域综合预警和 部门专业预警系统也相继出现。 由于经济周期，特别是经济危机的频繁发生对经济发展有不同程度的破坏作 用，促使人们利用经济指标来研究宏观经济监测预警系统，为宏观经济有效调控 建立“晴雨计”或“报警器”，这种经济预警系统在国际上经历了初期理论探讨， 中期实践应用，近期深化拓展三个发展阶段。经济预警系统的理论探讨可以追溯 到1 8 7 5 年英国经济学家ws 杰文斯提出的有关经济周期的理论假说气象说， 它为经济预警系统的出现提供了理论依据。从1 9 3 0 年代开始，经济预警系统便进 入第二个发展阶段，即在实际应用不断修改、发展和充善。这一阶段，美国经济 预警系统的发展走在了时代的前端。从1 9 7 0 年代开始，经济预警系统又踏上了一 个新的台阶，经济预警系统自身不断完善简化，应用领域不断外推拓展。这个时 期，经济预警系统自身发展主要体现在：预警指标综合化；预警方法多样化； 预警系统趋于完善化。经济预警系统向内不断优化系统的结构和功能，同时向 外不断拓展系统的应用领域。一方面国际性经济监测预警系统脱颖而出，另一方 面，经济预警系统从西方工业化国家向发展中国家和以计划经济为主的社会主义 国家扩展。 我国经济预警系统研究的历史轨迹较其他发达国家来说很短，建国初期我国 对经济预警系统的研究尚处于空白期，随着经济的不断发展，我国学者对它的理 论研究也不断深入，国家级研究首推吉林大学系统工程研究所1 9 8 7 年鉴定的“我 国经济循环的测定和预测”。研建区域经济预警系统最早的就是1 9 9 2 年北京建立 的“工业经济宏观监测预警评价体系”，另外，上海、广州等城市相继建立了各自 的区域经济预警系统，对城市经济运行进行预警。 灾害预警系统的出现较经济预警系统晚得很多，但灾害预警思想却源远流长。 1 5 0 0 年前的涪陵石鱼( 水文观测之用) 便是早期人们在干旱、洪涝灾害中利用预 第一章绪论 警思想的见证。随着现代科学技术的迅猛发展，特别是空问技术和计算机技术的 发展，灾害预警思想也就演变成了给人类带来福音的灾害预警系统。 国际气象观测网络作为业务部门已为世界各国成功服务多年，成为人们日常 生活不可缺少的组成部分，许多国家还分别建立水温观测、地震测报、火灾监测 等灾种的监测预警台站并联成网络，对自然灾害过程进行连续的监测和预警，并 研究其发生、发展以及爆发的规律，建立模型进行预警。灾害预警系统在防灾减 灾中的作用和地位，以及它在减灾中的效益和威力，促使各灾种的预警系统在世 界范围内遍地开花。第4 2 届联合国大会在1 9 8 7 年1 2 月1 1 日通过第1 6 9 号决议， 开展“国际减轻自然灾害十年( 1 9 9 2 0 0 0 年) ”活动，“其首要目的便是提高各 国能迅速有效地减轻自然灾害影响的能力，尤其要特别注意当发展中国家需要时 帮助他们建立预警系统”。1 9 9 1 年，我国成立了中国“国际减灾十年委员会”， 中国减灾同时创刊。中国“国际减灾十年”的主要目标和行动分别是：在2 0 世纪最后1 0 年里，对地震、洪水、干旱、虫灾、火灾、雪灾、沙漠化等七种重大 自然灾害的遥感宏观监测的技术和方法进行攻关，以建立起我国重大自然灾害的 实用化的遥感实时监测和快速评估的运行系统。“八五”国家科技攻关项目“重大自 然灾害监测与评估系统”，应用r s 和g s 技术，选择对中国有重大影响的自然灾 害和若干地区，建立了具有应用性质的试验系统，对重大自然灾害进行预警。 灾害预警系统在新的科学技术支撑下和各国政府与国际组织财政支持下，在 最近十年发生了一个质的飞跃。 ( 1 ) 从一般定性的或单纯的台站监测预警发展到定量和利用3 s 技术、计算 机网络进行的四维时空监测预警网络。 ( 2 ) 从单学科、单灾种的研究发展到多灾种综合预警系统，从一般的防预救 灾发展到对抗和综合治理。 ( 3 ) 灾害预警系统的研究方法从唯理、唯象发展到唯系。 预警系统在经济调控和灾害管理中所取得的丰硕成果，促使它的两个分支“区 域综合预警”和“部门专业预警”迅速发展。 预警系统从单项专题预警发展到区域综合预警，出现了“百花齐放，百家争鸣” 的格局。 从现有区域综合预警系统的特点及其研建风格看，主要有以下几种：( 1 ) 以 英国经济地理学家齐舒姆为首的区域学派，其代表作是区域预测，他总结了英 国的人口、资源、经济、环境和城市等方面的研究成果，为区域综合预警系统的 研究奠定了理论基础。( 2 ) 以美国系统学家j wf o e s t e r 和d h m e a d o w s 为代 表的系统动力学派。( 3 ) 以英国资源学家m s l e s s e r 为首的资源学派。( 4 ) 以罗马 俱乐部为代表的未来学派。( 5 ) 以联合国环境规划署( u n e p ) 为代表的协同学派。 6 河海大学硕士学位论文 部门专业预警是预警系统发展的另外一个分支，具有行业特色和专业特点。 大坝安全预警系统是一门很有特色的部门专业预警系统，它是灾害预警系统在坝 工领域的专业化和具体化。 1 3 2 2 大坝安全预警系统 大坝安全预警系统的研究最早可以追溯到大坝安全监测系统的研建。大坝安 全监测始于1 9 世纪末，经历了早期、发展和成熟三个阶段。世界各国政府对大坝 的规划、设计、施工、运行、监测及安全管理都高度重视，并颁发有关法令、法 规、条例，严格大坝的安全管理( 包括安全监测、隐患探测、安全加固、水库调 度) 。特别是马尔巴塞坝失事后各国拟定和修改有关条例和法规。国际大坝委员会 第6 8 号会刊刊载各国大坝委员会所撰写的报告，都提到大坝监测的重要性。1 9 7 2 年发表了“关于混凝土坝观测的一般意见”，明确规定了观测工作的范围、类型， 根据坝型和目的安装仪器设备以及安装技术等。 在我国，国家和水利行业颁发了几十种大坝的规划、勘测、设计、施工、监 测和运行管理的有关规程、规范、手册、导则，严格执行审批和验收程序，建立 政府、业主、监理、施工单位的质量监督体系和质量责任制，确保工程设计、施 工质量的安全运行，充分发挥工程的经济、社会和环境效益。1 9 6 4 年出版水工 建筑物观测技术手册。1 9 9 1 年国务院发布了水库大坝安全管理条例明确规定： “大坝管理单位必须按照有关技术标准，对大坝进行安全监测和检查；对监测资 料应当及时整理分析，随时掌握大坝运行状况。”水利电力部于1 9 8 5 年建立“水 电站大坝安全监察中心”，水利部于1 9 8 8 年建立了“水利大坝安全监测中心”。 可见，从大坝安全监测体系的角度研究大坝安全预警系统的历史已经很长， 然而很多人把大坝安全监测体系与大坝安全预警系统混为一谈。其实大坝安全监 测体系与大坝安全预警系统有本质的区别，大坝安全监测体系不具备大坝安全预 警系统应有的功能，因此，未能发挥大坝安全预警系统应有的潜力和威力。 大坝安全监测活动己开展多年，预警问题却被长期忽视，原因是多方面的， 但根本原因在于当前大坝安全调查体系及大坝安全管理活动中缺少“反馈”的概念 与机制，而实现动态的反馈调控是大坝安全管理现代化的标志。 大坝安全预警在国外起步较早，目前，国外发达国家已将大坝安全预警纳入 大坝安全管理工作中。预警方法已从人工测量、分析与预报发展到自动监测、分 析与预报的计算机自动控制，已形成了较完善的大坝安全预警系统。国内起步较 晚，在大坝运行中仅注意到大坝的安全监控，但并未将系统预警概念引入其中。 随着病险水库的增加，人们逐渐从理论与实践中认识到预警系统的重要性，特别 对于病险大坝构建预警系统是必不可少的。目前，我国对于大坝安全预警的理论 研究得还不够，监测手段落后，影响因素研究不透，预测和判断精度不高，还未 7 第一章绪论 建立起一套完善的安全预警系统。因此，深入研究预警理论，研制更加合理和实 用的预警软件，提高监测的精度和自动化程度以及建立起一套完善的预警系统， 是今后大坝安全管理必须进行的工作。 1 4 本文的主要研究内容 本文将结合工程应用，对大坝安全风险分析以及预警指标的确定进行初步的 研究，主要研究内容如下。 ( 1 ) 研究风险分析理论，分析土石坝失事的主要风险模式，探索其风险分析 方法，构建相应的数学模型。 ( 2 ) 初步确立大坝安全预警系统的概念框架。通过对预警、警义、警情、预 警指标概念的全面分析和深度开发，初步形成一个具有专业特色和部门特点的概 念框架；同时从大坝安全监控指标入手设计预警指标。 ( 3 ) 结合福华山水库大坝工程实例，建立土石坝坝坡失稳风险模型，以分析 该坝失稳风险度。 ( 4 ) 在预警理论的基础上，分别就土石坝和混凝土坝研究如何确定预警指标 的问题，并通过相应的工程实例进行具体探讨研究。 河海大学硕士学位论文 第二章风险分析的相关理论 无论是在自然界还是在人类社会中，风险都是普遍存在的，“天有不测风云， 人有旦夕祸福”，这句话指出了风险存在的普遍性和客观性。由于客观世界的复杂 性和人类认识的局限性，人类活动和决策都不可避免地受不确定性的影响，因而 不可避免地冒着一定的风险。水利工程建设和运行管理也不例外，特别是近代水 利工程更是如此，所以要对大坝安全预警系统进行研究，首先要对风险分析理论 有更深入的了解。本章将具体介绍风险分析的相关理论。 2 1 风险的基本理论 2 1 1 作用和抗力 “作用”是指作用于研究对象之上并使研究对象产生内力、位移甚至破坏或 失事的动力，而“抗力”是指研究对象抵抗破坏或失事的能力。“作用”与“抗力” 是两个抽象化的概念，对不同的研究对象、不同的失事形式，它们所代表的物理 含义是不同的。如在防洪系统的风险分析中，“作用”是洪峰流量，“抗力”则为 泄洪能力。在土石坝坝坡失稳风险分析中，“作用”是坝坡的滑动力矩，“抗力” 为坝坡抵抗滑动的力矩。而在某些结构分析中，“作用”则是结构构件的内力、位 移等，而抗力则为构件的极限内力、极限强度、剐度以及抗滑力、抗倾力矩等。 2 1 2 结构可靠度与极限状态 结构在规定的工作时间内与规定的工作条件下完成预定功能的概率称为结构 的可靠度。这里规定的时间指的是结构的设计基准期，如大坝，一般规定使用期 为5 0 1 0 0 年：规定的条件，指的是设计预先确定的结构的各种施工和使用条件。 完成各项功能的标志则用极限状态来衡量。当整个结构( 包括地基) 或结构的某 部分超过某一特定状态，结构就不能满足设计规定的某种功能要求的这种状态， 称为结构的极限状态。极限状态是区分可靠与不可靠的标志。 结构的极限状态一般可分为如下三类。 ( 1 ) 承载能力极限状态 承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力，或达到不适于 继续承载的变形。 当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态 失去刚体平衡；超过材料强度而破坏，或因过度的塑性变形而不适于继续承 载；结构或结构构件丧失稳定；结构转为机动体系：土石结构或地基、围 岩产生渗透失稳等。 ( 2 ) 正常使用极限状态 0 第二章风险分析相关理论 正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或达到耐久性的各项 规定限值。 当出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：影响结构正常 使用或外观的变形；对运行人员或设备、仪表等有不良影响的振动；对结构 外形、耐久性以及防渗结构抗渗能力有不良影响的局部损坏等。 ( 3 ) 逐渐破坏极限状态 结构因偶然作用造成局部破坏后，其余部分不致发生连续破坏的状态。偶然 作用包括超过设计烈度的地震、爆炸、车辆撞击及地基塌陷等。该状态目前国内 外尚处在研究阶段。 在结构可靠度分析中，结构的极限状态用功能函数加以描述。当有m 个随机 变量影响结构的可靠度时，结构的功能函数为 z = g ( z l ，x 2 ，一，z 。) ( 2 1 ) 式中x 。( f _ 1 ，2 ，”) 是结构上的作用效应、结构构件的性能等基本变量。 当z o 时，结构处于可靠状态；当z - o 时，结构处于极限状态；当z r ) 2j j 厶，s o ，s ) 舭 ( 2 - 1 4 ) g ( ) r ) = r 玛( ) ( ) 幽 ( 2 - 1 7 ) 叶 式中： 为计算土石坝坝坡失稳风险时规定的最低水位值；盈为计算土石坝坝坡 失稳风险时规定的最高水位值。 为避免对该式直接积分的困难，在实际计算时采用离散化数值积分的方法求 解，即对上游水位噍与之间的范围分成段，分段求和，则有： 弓= 尸( s r ) = rb ( ) 矗( ) 幽= 峨( j ) 巧( 啊) ( 2 1 8 ) ，= l 式中为坝上游水位频率曲线计算段数； 峨( 吃) 为坝上游水位概率曲线第f 段的区间概率； 疋( 厅) 为相应于某一水位 的滑动力矩大于抗滑力矩的概率； b ( 啊) 为第f 段区问滑动力矩大于抗滑力矩的概率均值。 如果直接运用式( 2 18 ) 来计算寻找只。，不仅计算工作量大而且很不实用。 如果根据传统方法先找出土石坝滑坡的最小安全系数k 。以及其对应的最危险滑 弧，再根据可靠度理论，运用蒙特卡洛方法，利用与之对应的最危险滑弧求得b 一。 用搜索可靠指标凤i 。法和搜索安全系数k 法所得到的滑动面基本上重合1 2 4 1 ， 而搜索安全系数足。法的计算量小得多，因此，为了减少计算量，本文选用搜索 安全系数足。进而求得只。 ( 3 ) 土石坝坝坡稳定极限状态方程 考虑稳定渗流情况的坝坡稳定安全系数( 简化毕肖普法) 可表示为 积一( 一o z ) 6 】蚀科+ c m c 。s ”塑掣 彬s i i l 口 式中五为安全系数； 形为土条重量，k n ； “为作用于土条底面的孔隙压力，k n ； 口为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，。： 髓为土条宽度，m ； c ：、秭为土条底面的有效应力抗剪强度指标，1 ( p a 、。； z 为坝坡外水位高出条块底面中点的距离，m 。 在式( 2 1 9 ) 中，令足= l ，即得如下的极限状态方程 ( 2 1 9 ) 河海大学硕士学位论文 在式( 2 1 9 ) 中，令k = l ，即得如下的极限状态方程 g ( ) = 渺七，邓) 6 f 】t a l l 叫+ 柏忑磊丢面一彬s i 崛2 0 ( 2 - 2 0 ) ( 4 ) 计算乓( 吃) 的程序流程图 b ( 曩) 的计算过程如下： 将水位分级； 应用毕肖普法求出对应于各级水位的稳定最小安全系数，以及相应的最危 险滑弧位置； 应用蒙特卡洛法( m c 法) 计算对应于最危险滑弧的失效概率。 程序流程图如图2 2 所示。 m c 法的计算过程如下： 采用极限平衡分析法计算在某一水位下的最小安全系数并确定最危险滑弧 位置； 确定随机变量及其分布，本文只对影响边坡稳定性的抗剪指标c 、驴进行随 机抽样： 生成随机数，并对随机变量据其分布类型进行随机变换； 将所得变量的随机数代入功能函数中，计算求得g ( ) 函数值，并累积 g ( ) 如) = i ，( t ，) 彬 ( 2 2 1 ) c 式中厂( j ) 为土坝坝体渗透坡降的概率密度函数。 用式( 2 2 1 ) 直接计算有较大的困难，因为厂( j ) 不仅同土质、土坝的结构等 不确定性因素有关，而且和洪水位也有直接的关系。在此采用和求滑坡风险率相 同的处理方法，可得到离散化的公式 b ( ) = i ，( ， ) 彬 ( 2 2 2 ) w c 一 只= ，。( 吩) f o ( 嚏) ( 2 - 2 3 ) j # l 式中厂( ， ) 为某一水位矗下t ，的条件概率密度函数； n ( ) 为第段f 区间实际渗透坡降，大于临界渗透坡降山的概率均值； 蝇( 吩) 和的意义同前。 g ( ) = j j c 。 2 6 失事后果的估算 溃坝带来各方面后果的考察重点