基于多重不确定性因素的施工导流风险分析

1、基于多重不确定性因素的施工导流风险分析第25卷第2期2007年4月青海大学(自然科学版)JournalofQinshaiUniversity(NatureScience)V01.25No.2Apr.2007基于多重不确定性因素的施工导流风险分析李若东,胡志根2,徐森泉2,蒲建平3(1.青海大学,青海西宁810016;2.武汉大学,湖北武汉430072;3.成都勘测设计院,四川成都610072)摘要:通过分析施工洪水过程中的洪峰流量,洪量和历时的不确定性及导流建筑物的水力参数的不确定性,确定施工洪水过程和导流建筑物泄流能力的模拟计算模型.运用MonteCarlo方法模拟计算施工导流系统渡讯各时段

2、的状态参数,得到上游围堰堰前水位的分布函数,在此基础上确定导流系统的风险.关键词:施工导流;风险分析;MonteCarlo方法中图分类号:TV854文献标识码:A文章编号:10068996(20Cr7)o2005704础skanalysisforconstructiondiversionbasedonthemultiuncertaintyLIRuodong1,HUZhigen2,XUSenqua,PUJianpiIl(1.QinghaiUniversity,Xining810016,China;2.SchoolofWaterReseureeandHydropowerEngineering,Wu

3、hanUniversity,Wuhan430072,China;3.ChengduSurveyandDesignInstitute,Chengdu610072,China)Abstract:Basedonlyinguncertaintiesofconstructiondiversionsystem,thispaperpresentsthesimulationmodelofconstructionfloodanddischargecapacityofdiversionstructure,andthemodelincludesuncertaintiessuch/ISpeakflow,floodvo

4、lumes,flooddurationandhydraulicparametersofdischargeconstruction.3"heMonteCarlomethodisapFdjedtosimulatethestateparametersoftheconstructiondiversionsystemineveryperiodoftime.Asaresult,arandomdistributionfunctionoftheupstreamwaterlevelisobtained,thentheriskofthediversionsystemisdetermined.Keywor

5、ds:constructiondiversion;riskanalysis;MonteCarlomethod施工导流的风险分析在施工导流工程中占有重要的地位.由于施工导流系统的复杂性,不确定性因素有很多,如水文的不确定性,水力的不确定性和其它数据的不确定性等.国内外不少学者在施工导流风险分析方面做了很多探讨,提出一些导流风险模型1.如采用概率组合的方法间接估算施工导流风险,模型中只考虑了洪水过程的不确定性,在实际工程中流量资料有限的情况下难以得到理想的结果l2;基于随机微分方程分析调洪过程库水位的随机变化规律,求解库水位的概率密度分布l3j3,对于施工导流工程,微分方程的求解存在困难.近来又有

6、学者提出利用Monte.Carlo方法,通过统计分析模型确定动态风险l4J.但是在模拟施工洪水过程中,只考虑了洪峰流量的不确定性,而没有洪水过程的洪量和历时的不确定性,以及导流建筑物的各种水力参数的不确定性.为此,本文基于多重不确定性因素,运用Monte.Carlo方法,模拟施工洪水过程和导流建筑物泄流能力,综合分析施工导流系统的风险.1施工洪水过程的不确定性模拟计算洪水过程变化受众多因素影响,极其复杂且有明显的随机性.主要表现在:施工洪水过程洪峰流量的不确定性;施工洪水过程洪量的不确定性;施工洪水过程历时的不确定性.收稿日期:20061114作者简介:李若东(19晓一),男,青海西宁人,副教

7、授.研究方向:施工导流.58青海大学第25卷1.1洪峰流量和洪量的不确定性分析洪水过程受多种复杂因素影响,这样的随机变量总体分布是未知的,洪峰流量和洪量是洪水过程不确定性中的两个重要因素,经多年实践证明,在我国一般假定为P一型是合理的.施工导流风险分析中,假定洪峰流量和洪量服从P一型分布,其密度函数为:)=(一e(1)式中,口,和口0为P一11I型分布的形状,刻度和位置参数;/-,(口)为口的伽玛参数.并且,口=4/2=2/At9coc,口o=.(12co/c,);c|为PHI型分布的离差系数;co为P一型分布的离势系数;.为P一型分布的均值.1.2洪水过程历时的不确定性分析当前我国的大型水利

8、水电工程主要集中在西南部,大部分工程不具备获得多年的实测洪水过程资料.由于洪水过程历时也存在着不确定性,现就某工程历年实测洪水过程资料(选用其中14年)来初步确定洪水过程历时的密度函数分布.由于水利水电工程的实测洪水过程资料一般较少,所以采用w检验法来检验J(表1).表1洪水历时分析k(I)(+1一I)(+1一I)一(I)akk(I)(+1一I)(n+1一I)一(I)a4328849l26181260.116224107203100.299295106009o0.096534396972580.251010510570.600.o77844596662070.215l

9、l152O569490.059854626361740.185712522564420.O42464626241620.160025374656241590.137214537552150.0084通过统计检验模型计算得W=O.9872,Wo.05=O.924,所以认为洪水过程历时服从正态公布,其密度函数为:f(x)=1e(2)式中u为历时的数学期望,d2为历时的方差.1.3施工洪水过程的综合模拟计算综合考虑施工洪水过程中洪峰流量,洪量和历时的不确定性,运用MonteCarlo方法对洪峰流量,洪量和历时进行随机模拟,采用分时段同频率放大典型洪水过程线,结合历时调整洪水

10、过程线的方法,模拟出一系列供导流风险分析计算的施工洪水过程.2导流建筑物泄流能力的不确定性模拟计算导流系统泄流能力的不确定性和泄流建筑物水力参数的不确定性有关,如糙率,过水断面面积,湿周,底坡等.导流建筑物的施工,运行过程中存在误差等是主要导致水力参数不确定性的原因.2.1泄流能力和水力参数的关系满宁方程广泛应用于隧洞,明渠等,对于导流建筑物,其泄流能力可采用修正因子入对满宁方程进行修正,则泄流能力Q为J:?生?A5/3?P一2/3?$1/2(3)式中/7,为满宁糙率系数;A为过水断面面积;P为湿周;S为底坡.水力参数n,A,P,S等具有不确定性,如果各水力参数的密度函数为已知,根据泄流能力和

11、水力参数的关系,理论上就可以得出泄流能力的密度函数.2.2水力参数的不确定性分析现在国内外缺乏大量资料来准确确定这些水力参数的随机分布概率,所以常对它们的分布进行假设.对于泄流建筑物为隧洞时,由施工或者试验引起过水断面面积,湿周和底坡不确定性的因素有很多,假定过水断面面积,湿周和底坡服从正态分布;糙率根据一些工程经验和学者的分析探讨,假定服从三角形分布.2.3泄流能力的不确定性分析模拟根据上面假设的各水力参数的随机分布,直接确定泄流能力的密第2期李若东等:基于多重不确定性因素的施工导流风险分析59度函数比较困难.分析具体工程导流洞的泄流能力时,可以运用MonteCarlo方法模拟各水力参数,通

12、过假设检验分析泄流能力的随机分布.图1是模拟某工程导流洞泄流能力统计得到的统计密度函数曲线和拟合的三角形分布密度函数曲线.通过对图1的统计密度函数进行检验,证明三角形分,n,布优于正态分布,认为导流洞的泄流能力较为接近三角形0肿25分布,其密度函数为:)=口b6<c(4)其他式中口为泄流能力下限;b为平均泄流能力;C为泄流能力上限;口,b,C参数通过模拟泄流能力的统计资料来确定.71049710987Q(m)图1泄流能力的密度函数曲线由于水利水电工程施工导流系统的复杂性,必然存在其他的不确定性因素,如上游库区现场测量和绘制的误差,上游运行多年的泥沙淤积和坍塌等.限于现阶段这方面资

13、料的搜集不足和研究不深人,导流风险计算暂不考虑这部分不确定性因素.3基于多重不确定性因素的导流风险计算施工导流的风险是根据设计资料,综合考虑施工洪水过程和导流建筑物泄流能力等不确定性因素的影响,模拟上游洪水过程和导流建筑物泄流能力,通过施工洪水的调洪演算,统计分析计算上游围堰堰前水位超过上游围堰设计挡水位的概率,即R=尸()式中为模拟上游围堰堰前水位;爿加为上游围堰设计挡水位.确定施工导流风险,要系统考虑河道来流洪水过程,导流建筑物泄流能力及枢纽的其他特征,通过系统模拟的方法来实现.综合考虑多重不确定性因素,运用MonteCarlo方法,模拟施工洪水过程及导流建筑物泄流能力,通过调洪演算和统计

14、分析模型得到导流设计水位的风险率.基于多重不确定性因素的导流风险系统模拟流程见图2.4结语图2导流风险系统模拟流程考虑导流系统中多重不确定性因素,本文在考虑施工洪水过程的不确定性中,除考虑了洪峰流量和洪量,把洪水历时也考虑进去;通过分析各水力参数的不确定性,确定泄流能力的分布函数.运用MonteCarlo方法,模拟施工洪水过程和导流建筑物的泄流能力,并通过调洪演算和统计分析模型确定施工导流的风险率.分析了基于多重不确定性因素的导流风险计算模型的可行性和有效性.由于水利水电施工导流影响因素很多,随机因素不容易确定,文中提出的导流风险分析方法还需要不断地改进.参考文献:1肖焕雄,韩采燕.施工导流系

15、统超标洪水风险率模型研究J.水利,1993,24(11):76832王卓甫.考虑洪水过程不确定的施工导流风险分析计算J.水利,1998,24(4):3337.告岛二(二(二二鱼口旦,0,址青海大学第25卷3姜树海.随机微分方程在泄洪风险分析中的应用J.水利,1994,25(3):19.4胡志根,刘全,贺昌海,等.基于Monte-Carlo方法的土石围堰挡水导流风险分析J水科学进展,2002,22(9):6346385王燕生.工程水文学M.北京:水利电力出版社,1992.4145.6长江水利委员会.水利水电工程设计洪水计算手册M.北京:水利电力出版社,1995.3236.7肖焕雄,韩采燕.施工导

16、流标准与方案优选M.武汉:湖北科学技术出版社,1996.182o.(责任编辑王宝通)(上接第51页)C1试件中可见卷席状的水化产物层层叠起.C2试件中的水化产物形成密不可分的结构,几乎连接在一起.cl试件(28d.3.00KX)c2试件(28d.3.00KX)图6不I司配比砂浆水化28d的SEM图4结论(1)水泥颗粒的粒径分布与最紧密堆积理论的要求尚有很大差距,因此掺人比水泥颗粒更细的矿物掺合料,可以起到改善胶凝材料颗粒级配的作用.(2)通过试验证明,不同细度的矿物掺合料复合掺配时,它们的颗粒可以相互补充,使胶凝材料颗粒的粒径分布更接近紧密堆积状态的要求,从而提高水泥浆体的密实度.(3)砂浆中胶凝材料的颗粒级配在接近Andreasen颗粒最紧密堆积理论要求时,砂浆强度较高,水泥凝胶体的微观结构也比较致密,这时可以适当增加矿物掺合料替代水泥的百分率,而不会明显影响强度.参考文献:1蒲心诚,王勇威.高效活性矿物掺料与混凝土的高性能化J.混凝土,2002,(2):36.2李滢,杨静.胶凝材料颗粒级配对水泥凝胶体结构及强度的影响