（水文学及水资源专业论文）南水北调东线工程蓄水系统运行风险分析.pdf

摘要 东线工程是我国南水北调总体布局中的重要组成部分 随着工程的建设实施 对工程运行期由于各种不确定性因素引起的风险进行分析和决策已成为目前工程 规划 管理的热点和难点 论文依托 十一五 国家科技支撑计划重点项目 南水 北调工程若干关键技术研究与应用 第九课题 南水北调运行风险管理关键技术问 题研究 2 0 0 6 b a b 0 4 a 0 9 面向南水北调东线调水运行期间的工程风险 以工程 风险管理理论为基础 以工程风险分析的流程为主线 界定 识别 评估东线工程 运行风险 提出了相应的降低工程运行风险的对策与措施 主要研究内容包括 1 工程风险分析理论与方法研究 介绍了工程风险管理和工程风险分析的 内涵和流程 通过分析水利工程中承载能力与荷载的不确定性 推倒了工程设计安 全系数与工程运行风险率的数学关系 并将水利工程风险率计算方法分为单一和综 合两种情况进行归纳评述 指出各种方法的衍生 承接关系 应用条件及优缺点 2 根据各工程在调水过程中所起的不同作用 将东线工程系统分解为提水 输水 蓄水三个子系统 识别各子系统在工程结构以及施工 运行和管理等各环节 的风险因子 构建了各子系统风险因子结构体系 3 确立了考虑风险率和失事后果的东线工程运行风险评价基准以及蓄水子 系统单因子风险估计基准 运用基于层次分析法 a h p 和模糊理论 f c t 的风险评价 模型 对蓄水子系统进行运行风险评估并排序 以东平湖为实例对风险评价基准的 合理性进行验证 初步证明风险评价基准建立较合理 风险评估区间划分较准确 4 根据工程风险评估结论和工程运行情况 分工程措施和非工程措施给出 降低风险的对策与措施 结合传统的安全评价方法 对蓄水子系统中东平湖二级湖 堤进行情景分析 针对性地给出了工程风险响应措施 关键词 南水北调 东线工程 蓄水系统 风险 a b s t r a c t t h ee a s tr o u t e1 so n eo ft h et h r e el i n e so ft h es o u t h n o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c t s w i t ht h ec o n s t r u c t i o no ft h ee a s tr o u t ep r o j e c t r i s ka n a l y s i sa n dd e c i s i o nd u r i n gt h e o p e r a t i o nh a sb e c o m eak e yp o i mo ft h ep r o j e c tm a n a g e m e n t s u p p o r t e db yt h es t a t e s e l e v e n t hf i v e y e a r s c i e n c e t e c ht a c k l ek e yp r o j e c t o p e r a t i n gr i s ka n a l y s i sa n d m a n a g e m e n ti nt h es o u t h n o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c t s t h i st h e s i sc h o s et h ee a s t r o u t ep r o j e c ta ss t u d yo b j e c t d e f i n e d i d e n t i f i e da n de v a l u a t e dt h ee n g i n e e r i n gr i s ko f t h ee a s tr o u t ep r o j e c td u r i n go p e r a t i o n t h em a i nc o n t e n t sw e r ea sf o l l o w s f i r s t r e s e a r c ho nt h ee n g i n e e r i n gr i s ka n a l y s i st h e o r i e sa n dm e t h o d o l o g i e s t h e m a t h e m a t i c a lr e l a t i o nb e t w e e nd e s i g ns a f e t yc o e f f i c i e n ta n do p e r a t i o nr i s kr a t eo f h y d r a u l i ce n g i n e e r i n gw a sa n a l y z e d t h e nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rr i s kr a t ew e r e c l a s s i f i e di n t os i n g l ea n dc o m p r e h e n s i v em e t h o d sa n dr e v i e w e d s e c o n d e n g i n e e r i n gr i s k i d e n t i f i c a t i o n t h e p r o j e c tw e r ed i v i d e di n t ot h r e e s u b s y s t e m sa sw a t e rl i f t w a t e rd e l i v e r ya n dw a t e rs t o r a g es u b s y s t e m sa c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o n si nt h ec o u r s eo fw a t e rt r a n s f e r t h er i s kf a c t o r so fe a c hs u b s y s t e mi ns t r u c t u r e c o n s t r u c t i o n o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n tw e r ei d e n t i f i e da n dt h es t r u c t u r es y s t e m sa b o u t r i s kf a c t o r so f e a c hs u b s y s t e mw e r ee s t a b l i s h e d t h i r d e n g i n e e r i n gr i s ke v a l u a t i o n t h ee v a l u a t i o nb e n c h m a r ko ft h ew a t e rs t o r a g e s u b s y s t e mw a se s t a b l i s h e da n dv e r i f i e db yac a s es t u d y t h ee v a l u a t i o nm o d e l sw e r e s e t t l e dd o w nb ym e a n so fa n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s a h p a n df u z z yc o n s i s t e n c y t h e o r e m f c t m e t h o d o l o g i e s a n dt h eo p e r a t i n gr i s kg r a d e sw e r er a n k e d l a s t b a s e do nt h ec o n c l u s i o n so fe n g i n e e r i n gr i s ke v a l u a t i o na n dc o n d i t i o n so f p r o je c to p e r a t i o n t h es t r a t e g i e sa n dm e a s u r e sf r o ms t r u c t u r em e a s u r e sa n dn o n s t r u c t u r e m e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r dt od e c r e a s et h eo p e r a t i n gr i s k t h es c e n a r i oa n a l y s i so f s e c o n d a r yl a k ed y k e so fd o n g p i n gl a k ew a sp e r f o r m e db yc o m b i n i n gw i t ht r a d i t i o n a l s a f e t ye v a l u a t i o nm e t h o d t h e nt h er e s p o n s em e a s u r e so fp r o je c tr i s kw e r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s s o u t h n o r t hw a t e rd i v e r s i o n e a s tr o u t e w a t e rs t o r a g es u b s y s t e m r i s k 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 除了文中特另t l d h 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 学位论文使用授权说明 2 0 0 9 年7 月 南京水利科学研究院 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 授权南京水利科学研究院研究生部办理 论文作者 签名 2 0 0 9 年 7 月 南京水利科学研究院硕士论文 1 1 研究背景 第一章绪论 水资源短缺和时空分布不均是我国的基本国情 南方水多 北方水少 水资源 年际年内变化幅度大 华北地区作为我国政治 经济 文化中心及重要的工农业生 产基地 人均 亩均水资源量仅为全国平均的1 6 1 4 水资源短缺已严重制约 当地国民经济的发展 并引起生态环境日益恶化 为缓解北方地区水资源短缺 生 态环境恶化等问题 引调南方长江丰富的水资源 南水北调工程应运而生 经过半 个多世纪的研究论证 南水北调东线 中线 西线三条调水线路均已确定 三线跨 流域与长江 淮河 黄河和海河相互连通形成 四横三纵 工程总体格局 南水北调东线工程是我国南水北调总体布局中的重要组成部分 工程运行可实 现工程涉及范围内水资源最佳时空配置 从根本上缓解我国华北平原东部和胶东地 区水资源短缺与经济社会发展 生态环境保护之间的矛盾 解决津浦铁路沿线和山 东半岛的城市及工业缺水 改善淮北地区的农业供水条件 并可作为天津市的补充 水源 受水区具体可以分为黄河以南 胶东地区和黄河以北三片 区内城市主要有 淮河 海河 黄河流域的2 5 座地级及其以上城市 包括天津 济南 青岛 徐州 等特大城市和沧州 衡水 聊城 德州 滨州 烟台 威海 淄博 潍坊 东营 枣庄 济宁 菏泽 泰安 扬州 淮安 宿迁 连云港 蚌埠 淮北 宿州等大中 城市 工程规划分三期实施建设 一期工程利用江苏省江水北调工程 扩大规模 向北延伸 向山东省鲁北和胶东地区供水 工程建成投入运行后 将使受水区城市 生活用水保证率提高到9 8 苏北运河航运 城市工业 电厂用水保证率提高到 9 5 淮南 淮北农业灌溉用水保证率分别提高到9 0 7 5 沿线水环境将得到 根本好转 2 0 0 2 年1 2 月2 7 日东线一期工程山东济平干渠工程开工建设 标志着 南水北调工程已历史性地由规划研究阶段转为实施阶段 第一章前言 1 2 研究意义 南水北调工程是我国继长江三峡工程之后的又一超大型水利工程 是解决我国 北方水资源严重短缺 生态环境急剧恶化问题的重大战略举措 是关系到我国经济 社会和生态协调发展的跨世纪重大工程 对于保障和促进我国北方地区的经济发 展 环境改善和社会稳定都具有十分重要的战略意义 东线工程是南水北调工程的 重要组成部分 主要向华北平原和胶东地区供水 保障华北地区的经济 社会可持 续发展 改善供水沿线的生态环境 东线工程无论从调水线路长度 还是调水规模 都是目前世界之最 作为一个复杂的巨系统 其输水线路长 涉及工程多 投资大 范围广 地质条件复杂 时空差异变化大 尤其是工程黄河以南段 跨长江 淮河 沂沭泗 黄河多个水系 与沿途河流 湖泊连通构成了一个复杂的水系 工程运行 管理涉及多个省市 流域和地区间的水事关系 无论是对工程沿线的城市城镇 还 是对国家的水资源战略安全而言 保障工程的运行安全是极为重要的 工程运行中 任何不确定性因素造成的工程失事都可能导致较为严重的后果 对此巨系统工程运 行期间可能出现的风险进行识别 评估 提出降低风险和控制风险的对策措施 实 现工程风险管理 保障工程运行安全 开展南水北调东线工程运行风险分析研究显 得尤为必要和紧迫 1 3 相关研究 自1 9 7 1 年y e n 等 1 首先论证了风险分析在水系统的可行性后 风险分析在水库 大坝 堤防 供用水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 但 就水利工程而言 国内外工程风险的研究还主要集中于两个领域 大坝风险分析与 堤防风险分析 1 大坝风险分析 在大坝风险分析方面 y e n 2 1 w o o d 3 王才君 4 1 等对大坝水文风险进行分析 并进一步研究了风险标准 s a l m o n 5 1 梅亚东 6 1 王本德 7 1 等对大坝失事的风险标准 进行了研究 详细探讨了大坝风险标准的制定方法 分析了大坝的主要失事后果及 其计算方法 s t e w a r t 引 w i e l a n d 9 1 l e m p e r i e r e 1 0 1 等分析了大坝的综合风险 阐明 了大坝风险分析的重要性 探讨了综合风险的工程应用 肖义 1 1 1 曹楚生 12 1 刘玉 2 南京水利科学研究院硕士论文 恒 1 3 1 等基于大坝设计标准和风险分析 对大坝的水文风险 结构风险和安全度进行 定量评估 麻荣永 1 4 系统总结了土石坝的风险分析方法及应用 基于学者研究成果 以美国 加拿大 澳大利亚和南非为代表的各国也在加紧 制订相关的法规 指南 以形成了一套系统的 完整的大坝风险分析方法和技术 评价和管理体系 如加拿大标准协会1 9 9 1 年发布了 风险分析必要条件和指南 c a n c s a q 6 3 4 9 1 1 9 9 4 年澳大利亚大坝委员会 a n c o l d 颁布了 a n c o l d 风 险评估指南 2 0 0 3 年又在1 9 9 4 年导则的基础上制定了新的大坝风险评估导则并正 式发布 同年国际大坝委员会 i c o l d b j 发布了 大坝安全管理中的风险分析 通 告 标志着大坝风险概念已经被世界接受 大坝风险分析已经成为体系较完整的决 策工具 目前大坝风险分析已经进入了关键技术研究完善阶段 主要研究方向是其 中的一些关键问题如风险标准的确立 统一等 一 2 堤防风险分析 与大坝风险分析技术相比 堤防工程风险分析发展相对较晚 许多学者对堤防 工程风险的研究是从水文风险 结构风险一堤防工程系统风险逐步发展的 研究成果 主要集中于水文风险 堤防结构风险 失事后果等单项研究 s z i d a r o v s z k y1 1 6 t u n g 1 7 p l a t e 18 1 冯平 1 9 1 等分析计算了堤防的漫顶风险 其中t u n g 建立了计算漫 顶风险的时变模型 a n g 2 0 1 s e d o v s k y 2 1 1 c n m 2 2 1 何广讷 2 3 王卓甫 2 4 1 等基于 可靠度理论研究了堤防工程的渗透变形 失稳等结构风险 d u c k s t e i n 2 5 1 李国刊2 6 等则对堤防漫顶 管涌渗漏 边坡失稳 风浪冲刷等各种常见失事方式的风险计算 模型进行研究 v a nd e rm e e r z 7 1 吴兴征口8 1 等在前人研究的基础上综合考虑了水力 边界条件 堤顶高程的不确定性 堤防的维修成本 洪水造成的损失及其发生概率 等因素对堤防工程漫项 管涌 稳定等三个方面进行了风险分析 由此可见 风险分析也已广泛应用于堤防工程安全评价工作中 堤防工程风险 分析在单项风险如水文 水流及结构包括渗透 失稳等方面已经取得了一定成果 但还存在着一些问题 如未对堤防失事包括漫顶 失稳和渗透失事3 种主要形式做 出系统分析 计算水位值也大多是经验频率意义上的 衡量风险的主要指标多为单 一的经济指标 工程可靠度分析与工程失事后果缺乏有机联系 采用的方法主要是 常规的风险率计算方法如m c 法及其改进 m f o s m a f o s m j c 法等 在系统 风险分析中 则常采用事故树和专家评估分析方法等 堤防系统所建立风险计算模 第一章前言 型的准确性 各种工况下失事风险的组合以及堤防系统的综合风险等许多综合性问 题还需要进一步探讨 1 4 存在问题 纵观水利工程风险分析研究进展情况 可以看出 目前 国内外在水利工程如 大坝 堤防工程的水文 水力及结构风险等方面 风险分析评价理论和方法已经有 了长足的进步并不断创新 并在应用中取得了许多宝贵的经验和成果 但水利工程 风险分析仍处于百花齐放的态势 并未形成一套系统的方法体系 研究中还存在着 一些不足之处 1 已有的水利工程风险分析研究成果 多是将现有工程方案或者现状作为 研究对象 风险分析评价的结果也多是宏观概略的提出 没有什么具体的可行的方 案 对于风险决策的研究也往往流于形式 这对于风险分析的实际应用并在实践中 加以总结 提高矛n g j 新十分不利 2 对单个工程的风险分析和评价研究的多 对大型工程系统风险研究较少 特别是针对南水北调东线工程和中线工程组成特性和工程属性 系统研究巨调水系 统的工程风险尤为少见 3 风险分析常常是只侧重分析某一方面的风险 如对工程本身进行风险分 析 或者仅仅对生态 环境效应进行评价 没有将各种风险真正的综合到水利工程 系统中去 即使在综合风险分析中 风险因子的讨论 往往多从逻辑关系的角度分 析 单纯从几个方面来考察重要性 很少将各种因子综合起来 形成统一的综合指 标 实际上 受传统思想的影响 风险指标体系的选择仍偏重于社会型和经济型指 标 综合评价的目标仍受经济效益最大化的影响 综合分析中对于环境 生态以及 工程运行中的风险因素 由于指标难于选定及量化 通常是简单带过 不能体现水 利工程的综合效益 1 5 研究内容 东线工程组成主要为现有河道和湖泊工程 随着工程的建设实施 对工程运行 期由于各种不确定性因素如气候 洪水 地震 滑坡 建筑物损害 甚至人为失误 4 南京水利科学研究院硕士论文 等引起的风险进行分析和决策已成为目前工程规划 管理的热点和难点 论文依托 十一五 国家科技支撑计划重点项目 南水北调工程若干关键技术研究与应用 的第九课题 南水北调运行风险管理关键技术问题研究 2 0 0 6 b a b 0 4 a 0 9 主要 面向南水北调东线调水运行期间的工程风险进行研究 从工程角度 以工程风险管 理理论为基础 以工程风险分析的流程为主线 分析 界定东线工程运行风险 识 别东线工程运行过程中的风险因子 评估风险因子可能造成的工程运行风险 从工 程及非工程角度提出了降低工程运行风险的对策与措施 论文主要研究内容包括 1 工程风险分析理论与方法研究 研究工程风险管理和工程风险分析的内 涵和流程 推导水利工程设计安全系数与工程运行风险率的数学关系 在此基础上 分析求解水利工程运行风险率的各种方法 将水利工程风险率计算方法分为单一和 综合两种情况进行归纳评述 2 南水北调东线工程系统划分及风险识别 在对东线工程进行运行风险分 析时 考虑到直接计算东线这一巨系统工程运行风险几乎刁 r 2 2 失事后果 则可以表达为人身生命安全 社会经济损失 社会环境损失等 工程风险产生原因主要为事件的不确定性 作为一个集经济 技术 管理 组 r 南京水利科学研究院硕士论文 织各方面于一身的系统 工程项目的立项 研究及设计都是基于对将来情况的预测 基于正常的 理想的技术 管理和组织之上 而在项目实施及工程运行过程中 各 个方面都存在着不确定性 影响因素都可能产生变化 造成工程项目实施及运行的 失控 如工期延长 成本增加 计划修改等 最终导致工程经济效益降低甚至工程 项目失败 现代工程项目的特点是规模大 技术新颖 持续时间长 参加单位多 与环境接口复杂 更易造成工程系统建设 运行信息的滞后性和不完备性 导致工 程系统出现风险 工程风险具有自然属性 社会属性和经济属性 风险的发生是客观的 必然的 导致风险发生的因素如自然界的洪水 地震 风暴 现实社会的矛盾 冲突 甚至 战争及一些重大的意外事故均是不为人左右的 风险事件是否发生 何时发生 发 生之后会造成什么样的后果 都具有不确定性 但人们可以根据历史数据和经验 对事件发生的可能性和损失的严重程度做出一定程度上的分析和预测 在风险潜伏 阶段 发生阶段和造成后果阶段采取不同的措施消除风险因素 降低风险和减少风 险损失 风险具有不确定性 客观性 相对性 动态性和阶段性 南水北调工程运行风险同其他工程风险相比 还具有复杂性 特殊性和损失巨 大性 尤其是其建设运行阶段还要涉及到市场经济 政治 法规 人类行为 自然 环境 地理 地质 气象条件等各科学领域 风险在工程的整个生命周期均存在 而不仅仅存在于施工建设阶段 2 3 工程风险管理 工程风险管理是工程项目管理的重要组成部分 是人们在追求可靠和安全的目 标下 在传统管理思想和现代科技理论相结合的基础上发展起来的 f i 新学科 随 着社会的发展 风险管理的定义和内涵也经过了多个演变阶段 3 0 3 2 l 到1 9 9 6 年英 国国家标准b s 8 4 4 4 确定风险管理包括风险识别 风险评估 风险分析 风险响应 和风险监控五个环节 风险管理的概念和过程才基本得以确定 工程风险管理是由 风险识别 估计 评价 响应和监控等5 个环节组成的 从系统工程的角度 通过 研究工程计划 组织 协调 控制等过程的不确定性 综合 合理地运用各种科学 方法对风险进行识别 估计和评价 制定有效措施以应对风险 随时监视工程进展 9 第二章工程风险理论与方法研究 注视风险动态 妥善地处理风险事件造成的不利后果 以最小的代价实现工程目标 2 0 0 1 年国际大坝安全委员会i c o l d 针对大坝的风险管理 分别给出了风险管理过 程中各概念如风险 r i s k 风险管理 r i s km a n a g e m e n t 失效模式识别 f a i l u r e m o d e si d e n t i f i c a t i o n f m i 风险评估 r i s k a s s e s s m e n t 风险分析 r i s k a n a l y s i s 以及风险控制 r i s kc o n t r 0 1 的定义和内涵 15 1 工程风险管理各阶段释义如下 1 风险识别 风险识别是风险管理的基石 是指在工程风险发生前运用各种方法对工程系统 所面临的和潜在的风险因子加以分析 判断 归类 对其性质进行鉴定的过程 由 于工程风险具有不确定性 动态性和复杂性 识别可能的风险因子是一项技术性很 强的工作 目前普遍采用的方法有层次分析法和故障树方法等 2 风险估计 风险估计是在风险识别基础上 对所收集的大量详细资料进行分析 运用各种 风险率计算方法 估算和预测风险发生概率及失事后果 风险估计是对风险的定量 分析 可为风险管理者进行风险决策 选择管理方案提供可靠的科学依据 估计方 法有主观和客观两种 客观的风险估计主要基于历史数据 资料 主观风险估计则 是依据风险评价基准进行经验判断 3 风险评价 风险评价是在风险识别和风险估计的基础上 通过建立风险的系统评价模型 综合考虑风险发生概率 损失程度和其他因素 与风险评价基准相比较 得到风险 的综合描述 为确定风险响应先后顺序和制定风险响应措施提供依据 4 风险响应 风险响应是根据风险评价结果 在风险发生前实施风险管理计划中的预定措 施 它包括两类 一类是针对风险因素采取规避 缓解 分散 抑制等控制措施 以消除或减轻风险 另一类则是通过财务手段来减轻风险对项目目标实现程度的影 响 具体措施主要有风险自留 风险回避 风险控制和风险转移等 5 风险监控 风险监控是跟踪已识别的风险 监视残余风险 识别新风险 保证计划执行 并评估计划实施对降低风险的效果 在工程实践中 又把风险管理过程划分为风险分析 风险响应和风险监控三个 l o 南京水利科学研究院硕士论文 阶段 其中风险分析又包含风险识别 风险估计和风险评价三个环节 而风险响应 和风险监控阶段可合称为狭义风险管理 风险管理过程各阶段的相互关系图解如 下 2 4 工程风险分析 图2 1 风险管理过程图 风险分析 在工程领域 主要包括风险识别 风险估计和风险评价三个环节 在工程实践中 常会出现风险估计和风险评价交叉进行的情况 在这种情况下 风 险估计和风险评价则合称为风险评估 风险分析需要查明工程系统在哪些地方潜藏 着风险 什么时段可能会出现问题 查明之后对风险进行判断 量化 评价危险程 度 确定轻重缓急顺序 为风险响应和风险监控方案的制定提供决策依据 风险分 析的内容如图2 2 所示 第二章工程风险理论与方法研究 图2 2 风险分析流程及内容 2 5 水利工程风险分析 水利工程风险分析应从系统工程的角度 建立经济投入 系统安全与系统破坏 可能带来的人员 经济和环境等损失之间的关系 3 3 3 4 1 在国外如荷兰等 风险明确 定义为工程失事发生概率与其所致后果的乘积 即期望损失值 将提高系统安全所 需要的经济投入与减少的期望损失进行对比以决策f 3 孓3 6 在我国 由于种种原因 风险常表述为与可靠度相对应的风险率 即荷载大于系统承载能力引发系统失效的 概率 以风险率的大小来表征系统风险 忽略风险损失这一基本要素 近年来 大 坝安全管理和研究人员开展了一系列大坝失事后果的计算研究 37 1 但鲜有与风险率 结合考虑计算风险 且失事后果评价多延用国外准则 尚未形成系统 由于水利工程风险分析的核心在于风险率计算和失事后果分析 下面将重点对 这两方面进行介绍 2 5 1 风险率 不确定性与安全系数 风险 均是由各种不确定性因素引起的 水利工程在建设运行过程中 由于各 种不确定性的存在 工程在安全计算时考虑的各因素的实际值均可能在一定程度上 偏离设计值 这种不确定性总是在一定范围内变化的 使得风险率的分析和计算成 为可能 南京水利科学研究院硕士论文 1 安全系数 目前在水利工程设计计算中 广泛运用安全系数法进行工程安全校核 如工程 的抗滑安全 抗渗安全等 安全系数计算方法可简括如下 k 兰 2 3 式中 k 安全系数 r 工程系统本身的承载能力 抗力 如堤坝高程 防洪 库容 边坡结构等 l 工程系统的外来荷载 作用力 如暴雨 洪水 风浪等 作为定值计算方法 安全系数主要从确定性角度分析工程各个参量 得出工程 的安全程度 长期的工程实践证明安全系数是一种有效设计方法 但对于水利工程 这样一个高度不确定的系统 安全系数忽略了各种参量在施工 运行和管理过程的 变异性 容易对工程的安全状态做出偏于乐观的估计 不能完全确切地表征工程的 安全程度 实际工程中很多堤坝抗滑稳定安全系数满足规范要求 却仍然发生滑动 失稳现象 便多是设计过程没能考虑设计参数的不确定性导致的 工程风险率的分析计算必须全面考虑工程各方面的不确定性 收集 分析不确 定性的历史统计资料及勘测试验资料 推断和验证不确定性因素的随机特性 2 承载能力的不确定性分析 水利工程在设计时 承载能力一般为针对某种特定的失效模式所预计的最大荷 载加上一个安全裕度 在一般情况下 工程的承载能力是其本身固有因素的函数 这些因素由于设计水平 施工工艺 运行条件的不同 呈现出各种不确定性 分布 型态各不相同 导致承载能力以离散的随机变量形式出现 1 土工参数的不确定性 主要为工程土质的容重 孔隙率 粘聚力 内摩擦角 泊松比和变形模量等物 理力学性质指标 土工参数不确定性主要来源于土体本身的空问变异性和试验取 样 模型计算等过程中的各种误差 需要收集到大量数据并进行分析 才能寻找各 点各面土质物理力学指标不确定性规律及其特征值 实际中一般是根据收集到的有 限数据来估算各指标的均值 标准差及离差系数 假定其服从正态分布 以此计算 工程结构失事风险率 2 边界条件的不确定性 第二章工程风险理论与方法研究 应力场 渗流场的计算都受到边界条件的约束 边界条件的不确定性来源于实 际问题的复杂性 边界条件变化的不可预知性 以及模型模拟对结构边界处的简化 等 3 几何参数的不确定性 主要为工程施工 运行和管理过程中造成的工程特征值如高程 断面形状与设 计的偏差 包括施工误差 历史险情 河床演变以及后期的人为因素影响等造成的 工程沉降 断面变化 在安全系数计算时 工程的承载能力主要基于简化后的工程模型 不可能十分 精确 因此 预测工程的承载能力时 承载能力的均值应是在一个容许范围内波动 令r 为工程承载能力的均值 通常认为是设计承载能力 令a r 为承载能力均值波 动的容许范围 a r 的大小取决于工程的施工运行误差 工程的承载能力可表示为 r r a r 2 4 工程承载能力的确定与其统计分布曲线厶 尺 有关 主要以均值及离散程度来 表征 图2 3 描绘了工程承载能力的一种典型统计分布曲线 蜊 黼 槲 窭 0 一r 吨肛 一承载毹 r 力r 图2 3 工程实际承载能力的典型分布曲线 工程荷载的不确定性分析 水利工程在运行阶段所承受的荷载多是随机的外部荷载 荷载函数主要是运行 工况的函数 对于大多数水利工程来说为时变函数 这是由水利工程的运行环境所 决定的 工程荷载的各种不确定性主要表现在 1 水文不确定性 1 4 南京水利科学研究院硕士论文 水利工程系统中所涉及到的水文量包括洪水频率分布 洪水时空分布 暴雨频 率分布 暴雨时空分布 降雨量频率分布 可能最大洪水 降雨 径流关系 汛前 库水位 水位 库容关系 库区冲淤等均具有不确定性 2 静力 动力荷载的不确定性 水利工程的静力荷载主要有自重 水压力以及温度荷载等 由于地质条件复杂 水土二相模糊性 应力场和渗流场空间试验 测量数据的离散性以及回归分析模型 的简化等 这些荷载均存在不同程度的变异性 在动力荷载方面 水利工程一般考 虑的是地震荷载的影响 而地震波在震源 强度 烈度等方面均具有不确定性 由于各种因素的不确定性以及不可控性 想要精确预测水利工程在运行期间所 承受的荷载几乎是不可能的 因此 对工程所承受的实际荷载进行描述时 工程荷 载应是具有均值且允许在均值一定范围内波动的函数 若令l 为作用于工程上的实际荷载 令三表示实际荷载的均值 令址表示在 一个可靠的期望置信度情况下 实际荷载沿荷载均值 波动的允许范围 缸可以 是留有较大余地的数值 因此 工程所预期的实际荷载可以表示为 l l a l 2 5 实际荷载也可以用具有均值和波动范围的分布曲线 f 三 来表示 曲线型态取 决于工程所处的工作环境 对于大多数的工程 所承受的荷载将像图2 3 那样对称 于荷载均值 其分散程度址随工程运行工况而异 4 工程荷载与承载能力分布曲线间的基本关系 一般来说 水利工程所承受的荷载与相应的承载能力无关 因为影响工程荷载 和工程承载能力的因素无关 因此 工程荷载和承载能力是两个相互独立的随机变 量 厶 r 和五 三 可以是各种不同的分布型态 在安全系数计算中 将工程的承载 能力和荷载视为固定不变的数值进行处理 但在工程实际运行中 不考虑r 和l 的 出现概率显然是不合理的 例如 在某些情况下 r 取值在分布曲线厶 r 的左端 而l 取值在分布曲线五 三 的右端 导致l r 情况出现 工程将失事 为了解决工 程安全问题 必须对工程荷载与承载能力分布曲线的相互关系进行分析 作用于工程上的实际荷载分布曲线与工程承载能力的分布曲线二者之间的关 第二章工程风险理论与方法研究 系在工程安全评价工作中非常重要 如图2 4 当两个随机变量的分布曲线厶 r 和 五 三 互不干涉时 即所有可能出现的工程荷载都小于所有可能出现的承载能力 这种情况下 两个随机变量的均值r 和l 之间必然存在一定间隔 间隔大小取决于 分布曲线厶似 和l l 的离散程度 如果将以 r 和l l 拉开 使之相距很远 将分布曲线五 尺 向右移动 这就需要对工程进行高标准设计 采用高强度材料 精施工 并提高配套工程的承载能力 增3 n y 程冗余等 以提高承载能力r 但这 样做是不经济也是不实际的 鲻 翻 槲 鼙 ok 厂 f r r 一 l j l r l r 型 稍 槲 鼙 0 f l d 人 f r r v 三或 r l 0 的概率 如图2 6 所示 若以圪表示可靠度 则 e p r l 0 2 8 随机变量 r l 的均值为 r l 一r 一一l 2 9 则 q 吼2 2 1 0 科 卅 o 2 k 一百郴埘 2 1 1 为便于引用现成的数理统计表 需确定一无量纲变量t 以替换变量 r l t 和 r l 关系如下 z r l r l 2 1 2 q r 一 r 一三 o f o r l 一 了鲁姿 为t 的积分下限 r 一三 专 o o t 斗 q m 吒 为t 的积分上限 则 只2 击 e 出 2 1 3 今 r 2 1 4 则可利用正态概率表求可靠度 的值 以弓表示工程风险率 则弓2 1 屹 t 尼 咒 e 的关系如表2 1 所示 南京水利科学研究院硕士论文 表2 1 t 昂 圪与弓 t 昂 圪 弓 t 昂 乞 弓t 尼 忍 哆 0 o0 5o 51 10 8 6 4 30 1 3 5 72 20 9 8 6 10 0 1 3 9 0 10 5 3 9 80 4 6 0 21 20 8 8 4 90 1 1 5 l2 30 9 8 9 30 0 1 0 7 0 20 5 7 9 30 4 2 0 71 30 9 0 3 20 0 9 6 82 40 9 9 1 80 0 0 8 2 0 30 6 1 7 90 3 8 2 i1 40 9 1 9 20 0 8 0 82 5 0 9 9 3 8 0 0 0 6 2 0 40 6 5 5 40 3 4 4 61 50 9 3 3 20 0 6 6 82 6 0 9 9 5 3 0 0 0 4 7 0 50 6 9 1 50 3 0 8 51 60 9 4 5 20 0 5 4 82 70 9 9 6 50 0 0 3 5 0 60 7 5 2 80 2 4 7 21 70 9 5 5 40 0 4 4 62 80 9 9 7 40 0 0 2 6 o 70 7 5 80 2 4 2 1 8 0 9 6 4 10 0 3 5 92 9 0 9 9 8 10 0 0 1 9 0 80 7 8 8 10 2 1 1 91 90 9 7 1 30 0 2 8 73 00 9 9 8 6o 0 0 1 4 0 90 8 1 5 90 1 8 4 l2 00 9 7 7 30 0 2 2 74 00 9 9 9 90 0 0 0 1 0 1 00 8 4 1 30 1 5 8 72 10 9 8 0 3o 0 1 9 75 00 9 9 9 9 90 0 0 0 0 1 或如图2 6 所示 工程风险率只可表示为 r 一三 0 的概率 即 p 研 r l 0 2 1 5 则 弓2 j 夏蒜1 2 币一 d r 一三 2 1 6 一 r 一 一 矗一三 r 变量替换 以t 代替僻一l 当僻一三 0 时 0 一 r 一三 扣一r 掌 为t 的积分上限 僻一l 专一o o t 专一0 0 为t 的积分下限 f 2 1 7 当t 一t 时 工程将发生失事破坏 图2 6 中阴影部分面积等于f l 也 可能会有l r 的情况出现 在工程计算中还常利用安全裕度的概念 安全裕度可表示为 l r l 0 o r l l 尼吼 2 2 0 2 2 1 式中 乙一安全裕度 l 一工程荷载 吼 荷载标准差 k 一设计选取的正整数值 根据典型的正态分布曲线 l 相对于均值 对称 当一o o l 时 分布曲线下包 围的面积等于l 总体的1 0 0 当 三一吼 l 三 o l 时 分布曲线下的面积为l 总体的6 8 3 当 l 一3c r l l l 3 c r l 时 分布曲线下的面积为l 总体的9 9 7 3 在工程安全要求较高的设计中 若要使l 具有一个可靠的置信度 通常用均值 加 减址表示 为3 倍的标准差 根据式 2 5 和式 2 2 1 则有 l l a l l 3 0 l 2 2 2 利用安全裕度来判断工程安全程度 虽也考虑了标准差的问题 但并不是不允 许出现乙 0 的情况 即使乙 o a i i 1 且 肾 f 3 计算权重向量 为了从判断矩阵群中提炼出有用的信息 达到对事物的规律性认识 为决策提 供科学的依据 需要计算每个判断矩阵的权重向量和全体判断矩阵的合成权重向 量 目前求判断矩阵的权重向量的方法很多 主要有和值法 特征向量法 对数最 小二乘法 最小偏差法等 论文主要采用和值法 1 将判断矩阵每一列正规化 一a 善 口口 j l 2 每一列经正规化后的判断矩阵按行相加 w 卜ya 盯 z 一 j l 3 对向量w w t w z w 一 7 正规化 w i w i j2 一 w l 4 1 4 2 4 3 所得到的w w w z w 7 即为所求的权重向量 4 判断矩阵的一致性 求取的权重值是否合理 在很大程度上取决于判断矩阵的一致性是否符合要 6 0 南京水利科学研究院硕士论文 求 因此 有必要对判断矩阵的一致性加以检验 判断矩阵一致性可由相容性指标 a 来衡量 c i 等 4 4 其中九m x 为判断矩阵的最大特征值 若矩阵完全一致 则c i o 但在工程实 践中 由于实际情况的复杂性和人们认识的局限性 判断矩阵很难做到完全一致 工程界普遍采用随机一致性比率c r 来衡量判断矩阵的一致性 c r 兰 其中彤为 1 r 砒 平均随机一致性指标 其取值见表4 7 当c r 0 1 时 认为判断矩阵有满意的一致 性 否则需要重新判断矩阵的元素取值 表4 7 平均随机一致性指标尉值 阶数肼值阶数脚值 1081 4 l 2091 4 5 30 5 8l o 1 4 9 4 0 9 01 11 5 1 51 1 21 21 4 8 61 2 41 31 5 6 71 3 21 41 5 7 2 模糊综合评价法 模糊综合评价是以模糊数学为基础 应用模糊关系合成的原理 将一些边界不 清 不易定量的因素定量化 从多个因素对被评判事物隶属等级状况进行综合评价 的一种方法 模糊综合评价包含六个基本要素 1 评价因素论域u u 代表综合评价中各 评价因素所组成的集合 2 评语等级论域v v 代表综合评价中评语所组成的集 合 它实质时是被评事物变化区间的一个划分 3 模糊关系矩阵r r 是单因素 评价的结果 模糊综合评价所综合的对象正是r 4 评价因素权向量a a 代表 评价因素在被评事物中的相对重要程度 它在综合评价中用来对r 作加权处理 5 合成算子 指合成a 与r 所用的计算方法 6 评价结果向量b 它是对每个被评 价对象综合状况分等级的程度描述 模糊综合评价包括六个基本步骤 6 1 第四章蓄水系统工程运行风险评估 1 确定评价对象的因素论域u u 甜 2 确定评语等级论域矿 v y t v 1 一 即等级集合 每一个等级可对 应一个模糊子集 3 进行单因素评价 建立模糊关系矩阵尺 r 1 1 2 r 2 1r 2 2 r lr n 2 0 0 4 8 屹 v 的数学期望e y f 昕 1 d v 卜三 咖 v o 因此 为平均风速 由浪高与风速的函数关系式 4 7 令口 去 则z a v 2 于是z 的分布函 数可表示为 e c 加p t z 纠 脚y 2 纠 即后 y 后 瞧五 v k t v 舻 c v 沙c 4 9 7 0 南京水利科学研究院硕士论文 当1 0 时 二 1 0 z 的概率密度为 巨 一 一扭m 层c 眵 扩壶 志e 刎 呐 则浪高超过x m 的概率 xx1 lf p z i p 巫加1 儿 z d z l b 击d z 000 4 1 1 yv 令y z 则z y 2 d z 2 y d y 则 p z x 一百瓦 靠 2 力 t 百p 一丽ym 赤 蠢 4 m 在对二级湖堤进行风浪漫溢风险分析时 根据各区水深 风区长度 主要风向 风速等的差异 将二级湖堤分为3 段进行分析 金山坝 桩号6 6 5 0 以西水深较 小 取桩号4 5 8 0 为计算点 刘口排灌站 桩号2 1 8 4 0 以东为大清河入湖口门 水深较小 取桩号2 4 1 0 0 为计算点 中间水深大 风区长 根据历史越浪情况以 及堤走向选取了4 个计算点 相应桩号分别为1 1 8 0 0 1 5 0 0 0 1 6 5 0 0 2 1 6 2 0 各点风区长度 风速及湖底高程 8 2 如表4 1 2 所示 表4 1 2 各计算点处成浪因素情况表 位置 4 5 8 01 1 8 0 01 5 0 0 01 6 5 0 02 l 6 2 02 4 1 0 0 平均最大 4 3 o m 计算风速 以上 1 9 0 91 9 0 91 9 0 91 9 0 91 9 0 91 9 0 9 4 3 0 m v m s 2 0 6 9 2 0 6 9 2 0 6 92 0 6 92 0 6 92 0 6 9 以下 风区长度f k m 5 0 6 1 0 2 7 1 1 9 611 3 2 1 2 6 9 1 1 1l 湖底平均高程 m 4 2 2 2 3 8 8 7 3 8 8 93 8 8 63 8 9 73 9 0 7 堤顶高程 m 4 8 0 04 8 o o4 8 0 04 8 o o4 8 0 04 8 o o 当东平湖水位超过4 3 5 m 时二级湖堤曾出现过风浪损堤和漫溢现象 按现洪水 位分别为4 3