（工程力学专业论文）基于可靠度的结构风险分析及其在南水北调工程中的应用研究.pdf

中文摘要 摘要 近年来， 随着人们对各种建设工程引发的环境和安全等问题的关注， 工程中 因各种不确定因素引起的 风险正日 益受到重视， 相关的工程风险分析和风险管理 也正在成为一项新兴的技术和行业， 并逐渐应用于工程实际当中。 本文以概率论 及可靠度理论为基础， 以南水北调中线工程为背景， 从工程角度针对当前工程风 险分析及风险决策领域的热点和难点进行了研究，主要工作内容如下: 1 、分析了南水北调中线工程中的风险因素，及可能采取的应对措施。 2 、介绍了可靠度领域及工程风险分析决策领域的国内外研究进展状况。 对 其理论进行了简要的描述。 3 、引进了“ 效益”的概念，提出了 在工程结构风险分析中应用最大期望效 益准则 ( e u v )的方法，使经济价值因素和非经济价值因素得到统一。 4 、提出了基于可靠度理论的工程风险决策分析方法，可以 在一定程度上消 除人为因素的影响， 使决策更具科学性。 并在方法中引进了决策树模型等系统工 程的方法。 5 、研究了用方向 加速法来进行结构可靠指标的计算方法，该法可以 避免对 功能函数进行导数计算，并已算例说明该方法的正确性。 6 、研究了边坡在随机水位及随机地震力共同作用下的滑动风险问题。 7 、将地震力效应以水平地震加速度的形式引进土坡的可靠度风险分析中， 探求动力作用下土坡的动力安全系数与相应条件下的静力安全系数的关系， 并以 安全系数来表征土坡的可靠度。 在地震加速度为随机的情况下， 导出土坡在地震 效应下的失效概率的数学表达形式。 通过实例计算表明 地震效应是显著的。 8 、建立了工程结构的 风险损失模型。另外，回顾现有结构维护时间决策的 准则问 题， 一般是偏向于从工程经济角度考虑问 题， 而对结构使用的安全性考虑 的较少， 针对上述决策准则的不足之处， 本文从工程力学的角度出发， 综合考虑 了结构的安全性和风险， 提出了以正常使用极限状态的可靠指标作为维护时间的 决策准则， 并以南水北调工程丹江口 水利枢纽的右联混凝土坝为例进行了维护时 间的决策分析。并进行了随机有限元分析，指出了该坝需要维护的关键部位。 9 、进行了南水北调澄河渡槽的力学风险分析，研究了渡槽各部位的破坏模 式， 建立了 相应的失效模式功能函数， 计算了各部位的可靠指标， 随后运用非线 性随机有限元理论详细分析了 渡槽整体结构， 得出了一些有益结论。 中文摘要 1 0 、从工程及非工程角度探讨了降低工程结构风险的一些对策。 关键词: 可靠度、 结构风险、 方向 加速法、 随机有限元、南水北调、地震力、 渡 槽 英文摘要 ab s t r a c t i n r e c e n t y e a r s , p e o p l e m o r e a n d m o r e c a r e a b o u t t h e e n v i r o n m e n t c h a n g e s a n d e n g i n e e r i n g s a f e t y c a u s e d b y t h e c i v i l e n g i n e e r i n g a n d w a t e r t h e re l a t i o n s h i p b e t w e e n th e s a f e t y f a c t o r s u n d e r t h e e a r t h q u a k e e f f e c t a n d n o n - e a rt h q u a k e e f f e c t i s o b t a in e d . t h e re l i a b i l i t y i n d e x i s e x p re s s e d b y t h e s a f e t y f a c t o r . t h e m a t h e r n a t i c f o r m u l a t i o n o f t h e s l o p e f a i l u re p r o b a b i l i t y i s d e d u c e d a s t h e v 英文摘要 a c c e l e r a t i o n i s s t o c h a s t i c . f r o m t h e c a l c u l a t i o n f o r t h e rea l c a s e , t h e i n fl u e n c e o f t h e e a r t h q u a k e i s n o t a b l e . 8 . t h e ri s k l o s t o f t h e e n g i n e e r i n g s t r u c t u re m a t h e m a t i c m o d e l i s e s t a b l i s h e d . r e v i e w i n g a n d s u m m a ri z i n g t h e e x i s t e n c e t h e o ry f o r m a in t e n a n c e t i m e d e c i s i o n , t h e i r s h o r tc o m i n g s a re a n a l y z e d , i n w h i c h t h e e c o n o m i c f a c t o r i s c o n s i d e re d m o re t h a n t h e s a f e t y f a c t o r . s o i n t h i s p a p e r f r o m t h e p o i n t o f s e c u ri t y a n d ri s k c o s t t h e n a t u r a l u s a g e li m i t s t a t e re l i a b i l i t y i n d e x i s p u t f o r w a r d a s t h e m a i n t e n a n c e t i m e d e c i s i o n r u l e . t h e ri g h t b a n k s e c t i o n o f d a n j i a n g k o u d a m o f t h e s o u t h - n o r th wa t e r t r a n s f e r p r o j e c t ( s n w t p ) a s a n e x a m p l e i s a n a l y z e d t o d e c i s i o n t h e m a i n t e n a n c e t i m e . i n t h e e n d t h e s t o c h a s t i c f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ( s f e m) i s u s e d t o p o in t o u t t h e k e y p a rt f o r ma i n t e n a n c e . 9 . t h e g ir d e r a q u e d u c t s t r u c t u re o f l i r i v e r o f t h e s n wt p a s a n e x a m p l e i s a n a l y s i s e d f o r i t s ri s k . e v e ry p a r ts o f t h e s t r u c t u re a re s t u d i e d ; t h e f a i l u r e m o d e s a n d f a i l u re f u n c t i o n s a r e e s t a b l i s h e d . r e l i a b i l i t y i n d e x i s c a l c u l a t e d . t h e n n o n l i n e a r s f e m i s u s e d t o a n a l y s i s t h e w h o l e a q u e d u c t b o d y s t r u c t u re . s o m e a v a i l a b i l i t y c o n c l u s i o n s a re g o t . 1 0 . s o m e m e a s u re s f r o m t h e v i e w o f e n g i n e e ri n g a n d n o n - e n g i n e e r i n g a r e p u t f o r w a r d i n t h e p a p e r t o re d u c e t h e e n g i n e e ri n g ri s k s . k a y w o r d s : r e l i a b i l i t y , s t ru c t u re ri s k， p o w e l l m e t h o d , s t o c h a s t i c fi n i t e e l e m e n t m e t h o d ( s f e m, s o u t h - n o r th wa t e r t r a n s f e r p r o j e c t , e a r t h q u a k e f o r c e , a q u e d u c t 前言 月 叨舌 客观存在的诸多不确定性因 素， 使得工程系统的规划和设计不可避免地存在 着风险。 重大建设项目 如三峡工程、 南水北调工程等， 往往不可避免地面临着自 然灾害风险 和社会风险， 如台 风、 洪水、 地震、 海潮、 地质不良 、 战争、 原材料、 新技术、 判断错误等。 从全国重大工程建设实践来看，由于事前没有充分进行风 险评估， 工程祸害和因工程建设而引发出来的工程性灾祸时有发生， 使国民 经济 蒙受巨大损失， 对以后的发展产生深远的影响。 在经济高速发展， 重大工程建设 项目 不断涌现的今天， 为减少风险事故特别是恶性事故的发生， 确保工程建设健 康、有序地进行，重大工程风险评估及风险决策很自 然地提到了议事日 程。 综观国内 外在工程结构的风险分析及风险决策方面的研究进展， 日 前还存在 以下几点问题需要完善或改进。 1 、如何进行工程风险决策准则的选取问题，一般的风险决策准则是基于工 程经济来进行考虑的，但实际工程中的某些因素却不易表达成经济价值的形式， 如地基基础的沉降，时间因素，政治因素等。 2 、目 前的风险决策大多停留 在定性和定量相结合基于经验的基础上，缺少 一定的科学性。 3 、遇到多种影响因素的时候，大多是孤立地研究这些风险，采取一种分而 治之的方式， 没有考虑综合因素影响下结构的风险响应问题。 如边坡在随机水位 及随机地震作用下滑动稳定问 题， 以 往的做法是把水位及地震作用取为其均值来 考虑， 没有切实研究在两种因素均为随机的情况下边坡在其共同作用下的 风险响 应问题。 4 、在结构的维护时间决策方面，现有结构维护时间的决策，过于偏向于从 工程经济角度考虑问 题， 对结构使用的安全性问题考虑的较少。 如何把经济性和 安全性统一进行考虑，目前还没有一种让大家普遍接受的决策方法。 针 对以 上问 题， 本 文 从 工 程 力 学 的 角 度 研 究 结 构 的 风险 ， 以 工 程 可 靠 度 理 论 为 基 础， 以 南 水 北 调中 线 工 程 为 背 景 ， 取 得了 以 下 鱼如 越鳖: 1 、提出了在工程结构风险分析中综合应用最大期望经济价值准则 ( e mv ) 和最大期望效益准则 ( e u v ) 的方法，引进了“ 效益” 的概念， 起到一种桥梁的 作用， 通过它可以 把经济价值因素和非经济价值因素进行结合。 通过判定期望效 益的大小来决定方案的优选。 2 、本文对风险决策的方法进行了研究改进，提出了将工程结构的风险率计 算转化为对结构可靠指标的定量计算， 以 期望损失最小为决策准则， 给出了 基于 前言 可靠性理论的决策分析方法， 可以 在一定程度上消除人为因素的影响， 使决策更 具科学性。并在方法中引进了决策树模型等系统工程的方法。 3 、 本文研究了 用方向 加速法来进行结构可靠指标的计算， 避免了 对功能函数 进行导数计算。 4 、本文研究了结构在随机水位及随机地震力等多风险因素作用下的风险问 题， 以南水北调的一边坡为例对其在洪水风险及地震力风险共同作用下的滑动风 险进行了 研究计算，以 条件概率和全概率公式为工具导出了 其风险的数学表达 式。 5 、本文将地震力效应以 水平地震加速度的形式引进土坡的可靠度分析中， 推导出 动力作用下土坡的动力安全系数与相应条件下的静力安全系数的关系以 及以 安全系数来表征的土坡的可靠度的数学表达式， 导出 土坡在地震效应下的失 效概率的数学表达形式， 探求以数值拟合的方法对边坡的失效概率进行计算， 使 边坡分析的静力学、动力学、可靠度理论等研究手段在本文得到充分体现。 b 、 在结构的 可用性及维护方面， 本文考虑了结构在外力作用下的损伤， 建 立了 包括损伤项在内的工程结构的损失模型。 关于工程结构使用期内的维护时间 的决策问题， 本文从使用安全角度出发， 提出采用正常使用极限状态的目 标可靠 指标( 厉) 作为决 策依 据， 以 南 水 北调工 程丹江口 水 利枢纽的 右联混凝土 坝为例 进 行了维护时间的决策分析， 进行了线弹性随机有限元分析， 指出了该坝需要维护 的关键部位。 7 、从工程角度及非工程角度出 发，探讨了降低工程结构风险的一些对策。 在工程措施中， 本文从可靠指标对结构参数的敏感性及可靠指标对破坏模式相关 系数的敏感性出发提出了 降 低风险的 策略。 并对可靠指标对相关系数敏感性的大 小进行了量化研究。 本文得到以下基金项目资助: 1 、 教育部科学技术研究重点项日 资助 ( 批准号:0 1 0 9 9 ) :南水北调工程的风险 决策研究 2 、 水利部科技创新项目 资助( s c x 2 0 0 2 - 0 4 ) : 跨流域长距离 调水工 程的系 统风险 分析和安全保障关键技术研究 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 。 : 有翅 年/ l 月 夕 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 豁 目 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) : 码年 v a 1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1选题背景及意义 重大工程项目的建设历来受到各级政府主管部门的重视。 每一个重大建设项 目 投资前都应经过可行性研究; 进入投资期， 对设计、施工还应进行严格审查， 并建立监理制度; 竣工也有严格的验收制度。 这是政府部门 保证重大项目 实现预 期目 标的有力监控措施。 但这些措施仍缺少风险评估这一环节。 重大建设项目 如 三峡工程、 核电站、 南水北调工程等， 往往不可避免地面临着自 然灾害风险和社 会风险， 如台 风、 洪水、 地震、 海潮、 地质不良 、 战争、 原材料、 新技术、 判断 错误等。 从全国 重大工程建设实践来看，由 于事前没有充分进行风险评估， 工程 祸害和因工程建设而引发出来的工程性灾祸时有发生，使国民经济蒙受巨大损 失， 对以 后的发展产生深远的影响。 在经济高速发展， 重大工程建设项目 不断涌 现的今天， 为减少风险事故特别是恶性事故的发生， 确保工程建设健康、 有序地 进行， 重大工程风险评估及风险决策很自 然地提到了 议事日 程. 本文则侧重于从 工程力学角度探讨工程结构可能存在的风险. 近年来， 随着人们对水利水电工程引发的环境和安全等问题的关注， 水利水 电工程因各种不确定因素引起的风险正日 益受到重视， 相关的工程风险分析和风 险管理也正在成为一项新兴的技术和行业， 并逐渐应用于工程实际当中。 在今后 的几年， 国际大坝委员会将大坝安全作为一项工作重点， 为确保大坝安全着手进 行各种安全评价和改建， 对包括大坝安全在内的各种不确定因素进行风险分析和 风险管理. 世界银行近年来也对技术上可靠、 环境可持续发展和经济上可行的水 电 工程给予投资优先。 美国从9 0 年代起采用的综合资源规划将工程的环境、技 术、 公共卫生、 财务、 价格以及社会经济等多项不确定因素及其产生的风险加以 考虑，同时开展了包括风险管理在内的全面综合管理。 风险 ( ri s k ) 的概念最早于1 9 世纪末在西方经济学领域中被提出， 现已 广泛 应用于环境科学、自 然灾害、 经济学、 社会学、 建筑工程学等领域。 加拿大标准 协会 ( c a n a d i a n s t a n d a r d ( c s a , 1 9 9 7 ) ) 给出“ 风险” 的 直接定义:以 概率为 衡量 标准进行的对由于工程失效造成的人员伤亡、 财产损失、 环境影响、 健康损伤及 其它损害等后果的 评价。 风险研究的内 容有时 很复杂， 特别是在精神损伤及社会 政治等方面。 风险的定义方式及其在决策过程中 所起的作用是因学科的不同而相 异的 ( 美wi s c o n i s m大学j a m e s c .1 3 i c k m a n 希克曼教授) 。 风险是由 不确定性因 素 产生某种程度损失的机会; 或为“ 失事” 的概率， 是系统在规定的时间和规定 的 条件下， 未能完成规定功能的概率; 或在客观条件下、 特定期间内， 实际结果 第一章绪论 与预期结果之变动程度， 变动程度越大， 风险就越大。 不确定性是 风险存在的主 要原因， 包括客观存在的不确定性和人们认识水平的局限所引起的不确定性。 例 如，在大坝安全方面，风险通常被定义为:风险= 坝失事年概率x 坝失事造成的 损失。 作为分析手段的风险分析最先应用于复杂工程系统( 如核电站、 航天器等) 中， 后来逐渐应用于其他的工程系统和社会经济领域， 并得到迅速发展， 形成一 种系统化分析方法。 近年来， 风险分析也逐步在水资源工程中 得到应用。 大坝安 全评价就是风险分析应用的众多领域之一， 尤其在澳大利亚、 加拿大、 荷兰和美 国，大坝风险分析已 经成为众所关注的焦点。在2 0 0 0 年举行的国际大坝会议专 题7 6 l ( 风险分 析在大坝安 全决 策 和管 理中的 应用) 中， 不少专家 就大坝风险 分 析的基本要素进行了讨论。 另一个重要的防洪工程堤防工程的风险分析也开 始引起人们的 注意。 在荷兰， 堤防的可靠性设计和风险分析已 经取得明显成效。 目 前国内一些学者也开始对堤防工程进行风险分析研究， 文献 2 j - 川就堤防工程 风险决策和可靠性基本问题进行了探索研究，是国内较早开展这方面研究的成 果;文献 s 则对堤防工程安全评价的理论和方法进行了 较系统的 研究。 风险可以是多种致险因素造成的总风险( t o t a l ri s k ) ， 也可以 是某个特定因素 造 成的 特 定的 风险( s p e c i f i c r i s k s ) ， 如 洪 水、 地震、 管 涌、 滑 坡、 溢 洪 道 损 毁等。 人为失误充斥于风险的各个方面，无形中增加了工程的失效概率。 风险的后果可以 表达为人身生命安全、 社会经济损失、 社会环境损伤等。 风 险管理是管理科学的方法、 过程、 实践具体系统地应用于风险领域进行风险分析、 风险控制、风险监测等 ( c s a , 1 9 9 7 ) 。可用如下的图1 表示: 初步定义需要进行风险分析决策的范围及风险因素的识别 初期分析阶段，建立风险信息库，确定决策对象及目 标 +-一 风险预评估， 评估风险事件发生的 概率及可能造成的损失 风险 评 价 ， 确 定 风 险 分 析 的 方 法， 得 到 风 险 事 件 发 生 的 概 率 及 风 险 损 失 ， 确 定 可接受的风险损失。 风险管理的内容 风险控制， 确定可行的 风险 控制方法，评估方法的 有效性及费用问题。 风险监测及管理， 制定监侧及管理计划， 对工程风险进行实时监测， 为决策者反馈 风险信息。 图1 - 1风险管理决策的步骤 第一章绪论 水利水电工程的风险分析同 其他行业和类型的风险分析类似， 从内容上讲必 须包括三个主要方面，即: 预测人员损失，评估经济损失， 计算失事概率。 其他 内容还有诸如评价社会及政治影响、 商业可靠程度及可接受的安全指标等等。 风 险分析从程序上主要分为以下几个步骤: 详细分析各备选方案， 建立事件树， 描 述所有可能导致失事风险的内 在关系， 得出事件树中各要素的出现概率。 实践证 明，在工程决策过程中引进风险分析是必要和有益的。 以大坝风险管理为例， 包括风险分析、 风险监测、 风险控制。 具体内容如图 1 - 2 所示。 图 1 - z大坝风险管理内容图示 风险分析主要有四个步骤: 风险确认， 风险估算，风险规避， 风险评价。 在风险 确认阶段，首先要找出 可能导致大坝破坏的 主要风险源或事件( 可能是外部原因 ( 如洪水、 地震等) ， 也可能 是内 部原因 ( 如管涌等) ， 然后建立事件树框图， 详细 描述可能引起大坝破坏的各种事件的 模式及逻辑关系。 在风险估算阶段， 要给出 事件树每一分支的条件机率以 及各分支所代表的破坏形式之间相互的因果关系， 其中还包括估算与每个破坏形式有关的人员与经济损失。 在风险规避阶段， 找出 能够降低大坝破坏风险的工程与非工程措施。 风险评价是一个决策过程， 通过这 一过程判定什么是可以 接受的 风险水平， 哪种方案对降低风险和减少投资效果最 好; 如果每个方案中的破坏机率都很低， 为提高大坝安全标准而采取的 措施耗资 巨 大而其他方面的效益又很少， 并且人员损失难以 避免， 在这些情况下， 选择最 适宜方案的决策往往很难作出。 根据国外垮坝资料统计，因漫坝、 溢洪道损毁、 管涌和渗透，以及滑坡造成 的安全失事和垮坝事故占垮坝总数的 9 0 %以上，其失事风险可划分为两大类， 第一类为可修性失事风险，也可称低公害/ 高风险或中等公害/ 中等风险失事， 第二类为垮坝失事风险， 也可称高公害/ 低风险失事。 对可修性失事风险， 由 于 其危害性较小， 失事后易修复， 影响不大， 对其失事后的影响可采取工程措施或 第一章绪论 通过经济指标加以衡量。 而对第二类失事风险， 其风险标准应由社会、 经济、 文 化等因素综合确定。 另外， 从引起垮坝的原因来划分， 坝失事风险包括漫坝风险、 管涌风险、 流土风险、失稳风险、 超量开裂风险、 地震风险及其他类型的工程技 术风险。 在针对垮坝风险而采取的风险管理措施中， 美国己 制定并开始采用一些新的 标准用于制作垮坝和泄洪可能影响到的 下游地区的淹没图。 这些标准要求针对每 一个高危险和非常危险的坝制作相应的 淹没图， 并将淹没图纷发至下游相关地 区， 供他们在洪水预警和疏散计划中 使用。 负责紧急事务的地方官员可利用那些 可能遭受淹没的地区的基本情况、 洪水演进预测时间表、 淹没图及其他有关信息 来制定洪水预警和公众疏散计划。 美国 垦务局计划在必要的地方采用地理信息系 统( g i s ) 技术绘制淹没图， 这些图将以 数字形式制作。垦务局认为，数字化淹没 图将最大限度地满足所辖地区和紧急事务管理机构对技术信息的需求， 因为只有 将淹没图数字化才能在 g i s和应急信息系统软件中使用它，同时还将使有关水 坝安全的研究数据处理起来更加容易。 不仅对己建成的水电工程存在对其安全性等方面的风险分析和风险管理问 题， 在工程建设过程中进行有关风险的 分析并采取相应对策也同样重要和必要。 譬如， 作为工程规划与设计中一项必不可少的技术决策， 施工导流设计以 信息和 预测为依据， 其中必然包含不确定性， 如超标准洪水的发生等。 正是由 于存在这 些不确定因素， 加之一些工程技术因素的作用， 使导流风险不可避免， 导流标准 的确定从本质上讲就是典型的风险决策。 通过概率模拟分析， 可以正确模拟和评 估各种不确定性， 得出 每一个导流方案对应的风险 及其后果， 以 此判定它们对确 定导流标准的影响。 团此， 在施工导流设计的决策中引入风险决策方法必然较之 其他传统方法更科学更合理，也显得至关重要。 在风险监测方面， 随着科学技术的 进步， 各种监测仪器不断涌现， 监测手段 也向 着多样化和智能化的方向 发展。 监测的 精度也在不断的提高， 一些过去不能 够被及时发现的小的缺陷现在也能够以 无损检测的手段检测到， 这样就降低了水 利水电工程的风险。 当 然， 在工程风险 领域还有很多内 容需要不断研究补充， 如: 如何科学得到 风险率、 如何正确评估工程失事损失、 在水利水电 工程中 如何把水文风险 和结构 风险进行祸合、 如何建立科学合理的结构维护和维修的决策模型等一系列问 题都 有待于不断进行研究。 对比国内 外的状况， 我国在工程风险领域的研究工作发展 的较慢， 很多领域尚无人涉足， 但经过一段时间的发展， 相信能够取得丰硕的成 果。 第一章绪论 1 .2 本文研究的工程实例背景概述 论文以南水北调中线工程为背景， 南水北调工程是我国跨流域、 具有战略性 意义的宏伟工程， 旨 在解决我国 水资源在时空方面分布不均匀， 并与北方地区经 济发展相矛盾的问题。 南水北调中 线工程拟从长江中游调水， 供水主要目 标为京、 津、 冀等地区，同时考虑鄂、 豫两省汉江唐白河流域和淮河流域的需水要求. 近 期从汉江丹江口 水库调水， 主要工程包括丹江口大坝按后期规模加高、 引汉干渠、 天津千渠、渠系建筑物和穿黄工程等，渠道全长 1 2 4 0 k m ,渠系建筑物近千座， 多年平均调水量9 5 亿扩 . 在调水工程的规划、 设计、 建设和运行管理的过程中， 始终存在大量不确定的风险因子， 如气候、洪水、 地震、 滑坡、建筑物损害， 甚 至人为失误等。 为了减小风险， 必须增加工程系统的冗余， 如增加建筑物的安全 储备、增设更大的调蓄水库等，这样必然增加工程投资。因此，对于调水工程， 始终存在工程建设和运行管理资金投入与工程建设规模和安全度标准以及一旦 建筑物失效给国民经济和人民 生活带来影响之间的矛盾。 对于这样的问 题， 只能 通过综合风险分析来解决。 对南水北调这样的调水巨系统工程来说， 应考虑以 下 风险问题的应对问题: 1 . 2 . 1 南水北调工程中风险因素分析及解决对策 1 . 2 . 1 . 1 、水文风险问题 南水北调这样的调水巨系统首先应研究水文风险问题， 探讨随机因素辩识和 确定的方法， 对引起汉江流域、 长江流域、 供水区域早情的水文随机因素进行辩 识， 分析这些因素对南水北调中线工程水文风险的影响程度， 选择影响最为显著 的因子进行研究。 在水文风险中， 大致有下面的几种可能风险， ( 1 )早情风险 单流域早情风险分析应根据水文风险分析方法，分别单独研究计算汉江流 域、长江流域以及供水区域 1 5 . 5万 k m ， 区域发生各种程度早情的风险;多流域 早情的风险分析应研究发生汉江流域与供水区域同时发生早情， 长江流域和供水 区同时发生早情的两种恶劣情况的风险，定量分析调水影响及可能的灾情后果。 ( 2 )洪水风险 由于南水北调中线工程干渠全长1 2 4 6 k m ， 约穿越大小河流7 0 0 条， 建有各 类建筑物 1 7 5 7 座，区域超标洪水对干渠输水有可能产生不利的影响，因此应开 展大区域综合洪水风险分析方法的研究。 第一幸绪论 ，2 . 1 . 2 ,渠线主要工程地质风险问题 地质灾害系统通常是一种 不可逆豹随机系 统， 一般难以 直接观测其全过程， 只能通过逻辑思维或反 演的 手段去认识其机理， 并预测其未来。 总体上可在将地 质风险因素划分为灾难型 风险因素和损伤型风险因素的 基础上， 采用地质灾害风 险率的随机点过程分析方法、 风险率的 二阶矩分析方法、 风险率的内 含分析方法 以 及灰色系统和最大嫡分 析方法等进行地质 灾害的 风险分析。 ( 力 渠坡稳定问 题 渠坡的稳定性主要取决于地质结构及渠坡土( 岩) 层的性状， 由 一般粘性土、 岩石组成的渠坡稳定性较好， 但由 膨胀土 ( 岩) 、 黄土类土、 软粘土、 粉细纱等 特殊土组成的渠坡稳定条件较差，需采取工程处理措施。 膨胀土 ( 岩)渠坡 总千渠沿线分布的膨胀土主要为第四 系中、 下更新统粘士、 粉质粘土和 残 坡积粘土， 膨胀岩主要为上第三系粘土岩、 泥灰岩。 膨胀土主要分布于河南省以 及河北省郎 郸和邢台的丘陵、 垄岗 地貌区， 膨胀 土分布渠段累计长度约3 4 6 .8 5 k m其中 弱膨胀土占6 9 .3 % , 中等 膨胀土占2 4 ,6 %. 强膨胀土占6 1 % . 渠道通过膨胀土分布区多为挖方， 极少数为填方。 挖方深度一 般7 - 2 5 m , 局 部2 5 - 4 9 m 。有弱膨胀土 ( 岩) 组成的渠坡， 稳定性一般较好，可 视作一 般粘性 土渠坡对待。中、 强膨胀土 ( 岩) 遇水后力学强度降低较多，渠坡稳定性差，需 采取工程处理措施降低破坏风险。 黄土类土 总干渠沿线的黄土类土由 上更新统黄 土状亚砂土、 黄土状亚粘土、 黄土和中 更新统黄土状亚粘土组成。 黄土分布于 郑州到邝山 渠段， 黄土状土分布于汝河至 郑州、黄河至北京的山前丘陵、黄河及其支流的二级阶地上部。 总干渠沿线分布的 黄土类土一般仅具湿陷性， 部分具中 等湿陷性， 且 均为非 自 重 湿陷 性。 非自 重 湿陷 性 黄 土 类 土一 般 只分 布 在 地 表 下4 - 8 米 深度 范黄内 ， 此 深度以下的黄土不具湿陷 性。 黄土类土渠累计长度约2 4 5 k m , 渠坡坡高一般1 0 - 1 5 m , 最高可达2 5 . 4 0 米。 对黄土类土中的高坡土渠需慎重研究其风险， 找到切实可行的降低风险的 措施。 软粘土 总干菜沿线软粘土主要分布在河南省南阳 和天津干渠段。 南阳软粘土为第四 系 上更新统冲湖积淤泥质粘土， 分布长度 4 .2 5 k m 。 天津干渠软 粘土为湖沼相、 海相沉v,的第四系全新统粘土、 壤士 ，累计分布长度1 4 . 8 k r n g 软t土在力学强度上呈软尹 流塑状， 抗剪强度低， 影响渠坡的稳定性，需尖 第一章绪论 取降低工程风险的处理措施。 ( 2 )饱和砂土液化问题 黄河及其以北的潮河、沁河、 纸坊河一 沧河、漳河等的河漫滩、阶地和古河 道等地， 广泛分布着粉细砂、 亚砂土， 且地下水埋藏浅， 砂土处于饱和状态， 加 之地震基本烈度 = v ii 度 ( 地震动峰值加速度 = 0 . 1 0 ) ，存在饱和砂土液化问题。 通过综合判定，存在饱和砂土震动液化问题的渠段累计长约3 7 k m 。对这些 渠段的震动液化风险需要慎重对待。 ( 3 )通过煤矿区的工程地质问题 总干渠自 南向北通过河南省禹州、 郑州、 焦作煤矿区和河北省的7 个煤矿区， 存在渠道压煤和通过采空区稳定问题。 研究表明， 在上述矿区的开采条件下， 地 下煤炭开采后3 - 5 年， 地表便可视为稳定状态， 渠道的安全将不受影响。 但活动 的采空区则会引 起渠道的变形、 破坏。 由 于煤矿开采是个动态的过程， 采空区和 压煤的长度在不断地变化。 应根据矿区的 情况、 地形和地质条件等优化渠道走向， 合理安排煤矿的开采， 做到既保证渠道的安全又尽可能少地占压煤炭资源。 1 . 2 . 1 . 3 、工程结构的风险分析及风险决策问题 南水北调中 线工程全长1 2 0 0 多公 里， 渠系建筑物近千座， 其中 干渠梁式渡 槽2 3 座、涵洞式渡槽1 6 座、 渠道暗渠1 0 座、渠道倒虹吸7 4 座、 排洪涵洞4 座、 排洪渡槽2 座、 河道倒虹吸2 6 座等7 种，全部为立交。一旦建筑物失效将 给国民经济和人民生活带来巨大的影响， 因此， 对工程结构的风险分析及风险决 策来不得半点马虎。 工程结构的风险分析及风险决策要在获得水文和地质风险研 究成果的基础上， 对南水北调重要工程结构可以按随机力学的分析方法， 基于概 率分析和可靠度理论， 从渗控、 温控、 变形和应力、 稳定、 抗震以 及耐久性等多 个方面探讨工程可能存在的风险。 从系统分析的观点来看， 南水北调工程体系是 一个由 各类输水建筑物组成的串 联系统， 各段建筑物为串 联系统中的元件， 串 联 体系中 任一元件的失效都将导致体系的失效. 因此， 整个工程系统的风险应考虑 各段工程的相关性和综合风险。 ( 1 ) 关键建筑物的可靠度风险 组成工程系统中关键建筑物， 如丹江口水源区大坝、典型干渠膨胀土 ( 主要 是非饱和土) 边坡、 大型交叉建筑物 ( 如渡槽) 和穿黄建筑物等的安全可靠度对 南水北调这样的一个长距离输水的巨系统的正常运行有着举足轻重的影响。因 此， 需要分析影响建筑物安全的主要随 机变量或随机场的概率特征和统计值; 确 定不同建筑物各种可能的破坏模式， 建立其相关的力学模型; 估算关键建筑物的 第一章绪论 破坏概率或破坏概率区间。 以 丹江口水库大坝的加高工程为例来探讨其可能存在的风险， 丹江口 水库由 汉江库段和丹江库段组成， 水库区地势西高东低， 大坝加高后， 汉库回水至将军 河口， 长1 8 s k m ， 丹库回水至紫荆关镇， 长1 2 o k m 。 加高高度由 初期的1 6 2 m 加至 后期续建高度 1 7 6 . 6 m ， 从工程力学角度考虑，除正常分析大坝的抗滑稳定风险、 地基承载力不足的风险、 倾覆风险、 坝趾坝踵混凝土的拉压破坏风险、 渗透风险 外， 还应考虑混凝土坝加高新老混凝土结合所产生的风险问 题， 混凝土大坝加高 工程除加高坝顶外，尚须在下游坝坡贴坡加厚。新老混凝土结合存在三种型式， 即水平结合面、垂直结合面和斜坡结合面，老混凝土对新混凝土产生约束应力， 同时新混凝土收缩将对老混凝土产生应力， 特别是对坝体产生拉应力， 结合面因 收缩也可能脱开， 因而需研究“ 新老混凝土结合” 问题， 实际是解决坝体的整体 受力和坝体各部位的应力要求问题。 具体解决下面三个方面的风险问题: a . 处理 新老混凝土联合受力问题; b . 妥善解决加高后的坝体和坝基应力; c . 尽可能减少 新浇混凝土因温度收缩对坝体产生的不利影响， 避免或尽可能避免混凝土裂缝， 尤其是危害性的裂缝。 另外， 如穿黄隧洞这一结构的风险模式的识别及可靠度风险分析也有着同 样 重要的意义， 它的安全性问题涉及水流能否顺利穿越黄河， 对整个系统具有举足 轻重的影响。 ( 2 ) 调水工程体系可命度研究 南水北调工程线路长， 结构众多， 首先应对系统的构成方式进行分析， 在此 基础上分析建筑物的安全等级标准和在系统中的 权重; 根据洪水、 枯水和地震频 率等随机变量对不同地区建筑物的影响， 分析随机荷载与调水工程中建筑物作用 荷载之间的相关关系: 研究区域地质差异及地基参数随机场， 确定不同地区地质 条件和地质参数与建筑物可靠度之间的相关关系; 根据作用荷载和地质参数的相 关性， 研究关键建筑物之间安全度的相关关系. 以 此为基础， 研究估算复杂体系 破坏概率或最小破坏概率的理论模型和数值求解方法， 确定系统综合破坏概率或 破坏概率区间。 1 . 2 . 1 . 4 、其他风险 除以 上所述风险问 题， 南水北调工程还涉及一些其他风险问 题的研究及应对 问题， 如对生态与环境的影响所造成的风险、 库区移民问 题、 淹没区人口 财产损 失风险等一系列风险因素，这些都应由相关的专业及技术人员进行通力合作研 究。 第一章绪论 1 . 2 . 2 、南水北调工程风险分析研究展望 风险分析是与市场经济密切相关的， 是投资业主考虑工程投入、 效益和风险 等因素进行决策的重要依据。 虽然我国从2 0 世纪5 0 年代已 经开始研究和应用可 靠度理论，在近2 0 年中也在不同行业建立了1 - 3 个层次基于可靠度理论的建筑 结构方面的统一标准，但我国开始向 市场经济体制转变不到1 0 年，所以，以投 资业主为核心， 将工程安全与经济投入、 运行风险、 社会和人民生活风险意识相 结合的风险分析研究尚处于起步阶段。 以南水北调中线工程为背景， 进行工程风 险分析与决策， 期望带动一系列相关理论的发展与完善， 如膨胀土、 软粘土、 黄 土等的工程力学理论的发展与完善，结构及结构体系可靠度理论的发展与完善 等。另外，结合南水北调中 线工程， 提出调水工程的系统风险分析的理论框架， 解决调水工程中存在的主要风险因子、 关键建筑物的安全度和调水工程的系统风 险度的定量分析模型， 提出保障调水工程设计、施工、运行和维护安全的措施， 使调水工程在有限的投入下达到最大的可靠度和最小的系统风险， 为建立调水工 程风险管理提供理论基础. 并且， 该课题的研究为人们更加充分了解和认识工程 中存在的不确定性和风险性提供一条新的途径， 为工程决策提供更为重要的、 直 观的、 有效的参考依据， 对合理控制工程造价， 合理控制工程风险 有着十分明 确 的意义， 其经济效益、 社会效益和管理效益都是十分巨 大的。 因此， 这一研究具 有重要的实践意义，同时具有一定的理论价值， 对土木， 水利、 水电工程具有普 遍的借鉴意义和指导作用。 1 . 3 工程结构不确定性的描述 在第一节中已 经叙述过不确定性是风险存在的原因， 包括客观存在的不确定 性和人们认识水平的 局限所引起的不确定性。 因此有必要对工程中不确定性因素 进行认识和描述。 从 数学角 度来分 类， 工程中的 不确定因 素可以 分为 三种2 3 7 : 随 机性( r a n d o m ) , 模糊性 ( f u z z y ) 以 及未 确知 性 ( u n as c e rt a in ty ) 。 前 两类 不确定 性早已 为人 们所 认 识，未确知性是指由于信息、 数据的不全面、 不完整而导致的不确定性。目 前工 程中接触较多， 研究相对比 较成熟的是工程随机性问题， 工程随机力学也是针对 工程随机性问题进行力学分析。随机因素又进一步分为随机变量、随机场 ( r a n d o m f i e l d ) (2 4 7 、 随 机 过 程以 及随 机 场 和随 机 过 程的 结 合。 从工程背景来分类， 不确定性体现在以 下几方面2 5 7 2 6 7 第一章绪论 1 . 3 . 1 荷载的不确定性 在静力问题方面， 对于水工结构， 可能出现的荷载主要有:自 重、 上下游的 水压力、 坝基的扬压力以及温度荷载等。自重的变异性一般较小， 可以作为常量 处理， 而上下游水位的变化往往难以预料， 描述为随机变量比较合理。 根据河海 大学可靠性研究室对我国8 2 座大坝上游水位的统计结果显示，上游水位的变异 系 数 在。 .0 6 左右2 7 1 .由 于 上下游水 位的 不确定性， 导 致了 坝基扬压力的 不 确定 性。 温度荷载与混凝土的热力学参数、 入仓温度、 环境温度以 及施工浇筑方式等 因素有关，这些因素也存在着很大的不确定性2 8 1 ，由 此导致了 温度荷载的不确 定性。 对于地下洞室问题， 荷载主要是地应力和渗透压力。 初始地应力场的不确 定性主要来源于地应力场空间量测数据的离散性以 及回归分析模型的不确定性。 由 于地质条件的复杂性， 实际工程中的渗流场也很难准确把握， 因此， 随机渗流 场计算的重要性也被人们所认识2 9 ,3 0 1 ， 在动力问 题方面， 水利工程一般考虑地震 荷载的影响， 而地震荷载的随机性极为强烈。 由 此可见， 实际工程中的荷载在很 大程度上需作为随机变量，由 此带来工程上的风险需要加以 研究。 1 .3 . 2材料参数的不确定性 材料参数包括材料的力学参数以及热学参数。材料的力学参数包括变形模 量、泊松比以及抗压强度、 抗拉强度和摩擦角、内聚力等强度参数。 大量的统计 资料表明，大坝混凝土变形模量的变异系数范围约在 0 . 1 - - 0 .2 ，而基岩则在 0 .2 - -0 .3 ， 泊松比的 变异性相对较小， 而对土体材料， 其变异系数有时可达0 .3 以 上。混凝土抗压强度、抗拉强度的变异系数往往在 0 .2左右，最大可达到0 .3 , 而 岩 土 材 料f 和。 的 变 异 性 则 较 大 3 1 1 ， 尤其 是。 ， 有时 可高 达0 .5 左右， 且f 和。 的空间随机场特性十分明显。 因 此， 材料参数的不确定性也能够导致工程具有一 定的风险性。 1 .3 . 3几何尺寸的不确定性 在同样的条件下， 具有不同几何尺寸的结构， 结构的响应 ( 包括应力、 位移 等) 也不相同。 一般而言， 上部结构几何尺寸的变异性很小， 但不排除在结构敏 感部位几何尺寸可能存在的微小变异带来的显著影响。 而对基岩部分， 断层、 裂 隙、节理等结构面的几何分布情况 ( 包括走向、倾向、 倾角、 节理间距等) 一般 第一章绪论 很难准确把握， 而这些结构面的几何分布情况对于计算地基的应力场以 及渗流场 至关重要。 但由 于几何不确定性问 题有限元计算的复杂性， 至今国内 外在此方面 的 研究成果还很少3 2 1 1 . 3 .4初始条件和边界条件的不确定性 无论是应力场、 渗流场的计算， 都离不开边界条件的影响。 模拟实际工程所 建立的几何物理模型， 需要兼