施工导流联合泄流计算模型及导流方案风险分析27665.docx

施工导流联合泄流计算模型及导流方案风险分析甄红锋1 柴换成成2（1. 22. 山东东水利职业业学院 山东 日照 2768826）摘 要：通过分别别研究明渠渠导流、隧隧洞导流以以及坝体缺缺口导流的的水力计算算，提出切切实可行的的联合泄流流水力计算算模型。在在施工导流流系统联合合泄流能力力的计算基基础上，采采用Monnte-CCarloo方法，模模拟施工期期洪水入库库过程和导导流建筑物物的泄流工工况，用系系统仿真方方法进行施施工洪水调调洪演算得得到堰前水水位的随机机样本数据据，通过聚聚类分析确确定导流系系统动态风风险。实例例验证说明明，施工导导流联合泄泄流水力计计算以及风风险分析计计算模型是是可靠的、适适用的。关键词：施施工导流；联合泄流流；风险分分析；Moonte-Carllo方法；聚类分析析分类号: TV6Compuutatiionall Moddel ffor JJointt Disscharrge aand RRisk Anallysiss of Consttructtion Diveersioon ScchemeesHongffeng Zhenn 1，Huannchenng Chaai（1. 22. Shhandoong WWaterr Pollytecchnicc, Riizhaoo, 27768266）Abstrract: Thrroughh thee sepparatte annalyssis oof chhanneel diiverssion、tunnnel ddiverrsionn andd damm gapp disscharrge, thiss papper eestabblishhes tthe ccompuutatiionall moddel ffor jjointt disscharrge ddurinng coonstrructiion bby appplyiing tthe hhydraaulicc commputaationn theeory. On the joinnt diischaarge basiis off connstruuctioon diiverssion systtem, usinng thhe Moonte-carllo meethodd to simuulatee thee floood aand ddischhargee proocesss, thhe riisk mmodell anaalysees thhe diistriibutiion oof thhe fllood leveel inn froont oof thhe coofferrdam and dynaamic riskk undder ddiffeerentt divversiion sstanddard by ffloodd rouutingg moddel aand tthe cclustter aanalyysis modeel. TThe ccase studdy innstittutess thaat thhe coomputtatioonal modeel foor jooint discchargge annd riisk aanalyysis modeel off connstruuctioon diiverssion scheemes are reassonabble aand eeffecctivee.Key wwordss: coonstrructiion ddiverrsionn; jooint discchargge; rrisk anallysiss; Moonte-Carllo meethodd; cllusteer annalyssis1. 引言言施工导流工工程是风险险工程，在在进行导流流方案确定定、导流方方式选择、设设计优化时时，工程的的风险应作作为一个指指标参与决决策，所以以如何确定定施工导流流工程的综综合风险就就显得十分分重要。目目前，施工工导流工程程中所存在在的风险问问题己经引引起广泛的的重视，并并将风险与与导流标淮淮1的选选择联系起起来进行研研究。而进进行施工导导流工程风风险分析计计算的前提提是首先针针对导流工工程不同导导流时段其其不同导流流方式和导导流建筑物物的组合进进行联合泄泄流水力计计算2。本文阐述了了一种广泛泛适用的联联合泄流计计算原理，提提出了切实实可行的联联合泄流水水力计算算算法，提高高水力计算算的速度和和精度。在在联合泄流流水力计算算的基础上上，采用MMontee-Carrlo方法法对土石围围堰挡水导导流风险进进行分析，利利用Monnte-CCarloo方法模拟拟施工洪水水过程和导导流建筑物物泄流工况况，通过系系统仿真进进行施工洪洪水调洪演演算，对得得到的上游游堰前水位位分布进行行聚类分析析，从而确确定在不同同的导流标标准条件下下围堰运行行的动态风风险。2. 施工工导流联合合泄流水力力计算模型型作者简介：甄红锋（1973），男，硕士在读，山东巨野人，从事水利工程施工与水力学的教学研究工作。柴换成（1980），男，学士，甘肃天水人，从事水利工程施工与水利工程管理的教学研究工作。国内外水利利水电导流流工程实践践表明，无无论是土石石坝枢纽，还还是混凝土土坝枢纽，施施工导流过过程中，一一般都是几几个导流建建筑物联合合泄流。混混凝土坝施施工后期的的导流渡汛汛，往往采采用坝体预预留缺口和和底孔泄流流方式；在在峡谷地区区进行水电电工程施工工导流时，常常需要采用用隧洞群的的导流方式式。导流洞洞还会遇到到多层、多多条群洞联联合泄流，同同一洞不同同时期或不不同洞同一一时期可能能同时存在在有压、半半有压、无无压的复杂杂局面。2.1 明明渠导流水水力计算模模型明渠泄流时时，水流可可能呈均匀匀流或非均均匀流33 4。明明渠均匀流流的水流保保持匀速直直线运动，可可采用谢才才公式计算算。人工渠渠道的水工工流绝大部部分是明渠渠恒定非均均匀流。对对于渐变流流水面线的的计算采用用分段求和和法。 2.2 隧隧洞导流水水力计算模模型隧洞泄水能能力曲线时时是按已知知流量Q推求上游游水位H。（1）隧洞洞无压流时时上游水位位： （1）式中，为淹淹没系数，当当时取1.0，当时时，由确定定，为隧洞洞进口内的的收缩水深深；B为临界水水深以下断断面平均宽宽度，；流流量系数mm由进口体体形确定。（2）隧洞洞半有压流流时上游水水位计算半有压短洞洞上游水位位： （22）半有压长洞洞上游水位位： （3）（3）隧洞洞有压流时时上游水位位计算有压淹没流流： （44）有压自由出出流： （5）2.3 缺缺口泄流水水力计算模模型缺口泄流，当当堰顶长度度与水头的关关系在区间间()时，按按如下宽顶顶堰公式计计算： （6）式中，为过过水宽度；为缺口底底槛以上上上游水头；为侧收缩缩系数；为为流量系数数；为淹没没系数，当当自由出流流时，取11.0，当当淹没出流流时，可查查宽顶堰淹淹没系数表表得到。2.4 联联合泄流水水力计算模模型5无论是隧洞洞群联合导导流还是缺缺口与底孔孔联合导流流，在已知知总泄流量量和下游水水位的情况况下，任何何泄水建筑筑物联合泄泄流必须同同时满足以以下两个条条件： （7）式中，为同同一上游水水位下，一一个泄流建建筑物的泄泄流量；为为上游水位位。个泄水建筑筑物联合导导流泄流能能力计算步步骤：(1) 根根据原河床床坝址处天天然水位流量关系系，先拟定定个下游水水位，用插插值法找到到相对应的的个流量。(2) 求求出各建筑筑物对应每每一级流量量的上游水水位的最小小值，并找找出当时对对应各建筑筑物的上游游水位的最最小值，然然后在区间间()上取取初值，用用单条隧洞洞水力计算算公式分别别计算对应应的泄流量量。(3) 将将、相加得到到，如果(误误差允许值值)，则，假假设的即为为下泄流量量的上游水水位，否则则，根据逐逐步逼近方方法，用()继续试试算，直到到.(4) 将将计算所得得的组(，)值绘成成曲线，进进行光滑处处理，即为为联合泄流流的上游水水位泄流流能力的关关系曲线。(5) 如如果围堰是是过水围堰堰，则当>>(围堰挡挡水设计流流量)，nn个泄水建建筑物泄流流且围堰参参与过水。同同理给定下下游水位，按按台形堰溢溢流计算公公式计算过过水围堰泄泄流曲线，最最后，把计计算所得曲曲线和n个导流建建筑物的联联合泄水曲曲线依照上上述(1)(4)方法迭加加生成上游游水位和泄泄流能力的关系曲曲线。3. 施工工导流风险险分析模型型施工导流风风险度定义义为：在导导流施工过过程中发生生超过上游游围堰高程程的洪水的的频率。水水电站在施施工截流成成功并实现现戗堤闭气气后，为了了保证围堰堰填筑进度度满足第一一年洪水的的渡汛要求求，必须确确定分月围围堰的填筑筑高度及相相应的风险险率6 7。因因此，围堰堰填筑过程程中分月堰堰前水位超超过堰顶高高程的可能能性为： （8）其中：Z上上(t)为第第t月上游游围堰堰前前水位；HH上堰高为为第t月上上游围堰堰堰顶高程。由施工导流流风险率表表达式可见见，导流风风险主要由由河道来流流洪峰流量量的不确定定性、洪水水过程的不不确定性及及导流设施施的泄流能能力不确定定性8所引起的的，只有综综合反映这这三方面因因素，才能能全面合理理地确定导导流风险率率，因此，对对导流中的的水文随机机性及水力力不确定性性进行分析析。3.1 洪洪峰流量的的不确定性性分析洪峰流量的的不确定性性对导流风风险的影响响最大，我我国最大洪洪峰流量系系列采用PP-型分布，其其概率密度度9为(<xx<) （9）式中：x为为洪峰流量量；为年最大大洪峰流量量系列的均均值；Cv为变差系系数；Cs为偏态系系数。Cv、Cs均有水文文统计资料料来确定。3.2 洪洪水过程的的不确定性性分析洪水过程的的不确定性性主要表现现在洪量的的不确定和和洪水历时时的不确定定性。经过过大量实测测资料统计计分析，认认为洪量的的分布符合合P-型分布，其其概率密度度如式上式式。洪水过过程历时可可以认为服服从正态分分布，其密密度函数为为： （100）式中为历时时的数学期期望，为历历时的方差差。3.3 泄泄流能力的的不确定分分析计算实例表表明，导流流洞的泄流流能力较为为接近三角角形分布，其其密度函数数10 11为为： （111）式中a为泄泄流能力下限限；b为平均泄泄流能力；c为泄流能力上限限；a、b、c参数通过模模拟泄流能能力的统计计资料来确确定。3.4 调调洪演算模模型根据水量平平衡方程式式： （113）其中，分别别为计算时时段始、末末入库流量量；分别为为计算时段段始、末出出库流量；分别为计计算时段始始、末的水水库蓄水量量。当已知知入库洪水水过程线时时，为已知知，V1、q1为计算的的初始条件件，V2、q2未知。又又由于，根根据导流建建筑物的泄泄流能力曲曲线Hq和水库的的水位库容容曲线HV，可确定定q与V的函数关关系，即qq=f（V）。采用用常用的二二分法求解解方程，推推求水库下下泄过程线线，从而可可求得最大大下泄流量量、防洪所所需库容以以及相应的的最高洪水水位。3.5 导导流动态风风险计算确定导流围围堰上游水水位风险，要要系统考虑虑河道来流流、导流建建筑物泄流流以及枢纽纽的其他特特征，通过过系统模拟拟的方法来来实现。由由水文随机机参数和分分布得到一一个随机的的上游洪水水Fin；同时时由水力随随机参数和和分布得到到对应的泄泄流建筑物物的泄流能能力Qout。通通过反复的的抽样、计计算可以得得到一个任任意长的围围堰上游水水位模拟历历史系列，上上游水位的的概率分布布只要对这这个历时系系列进行聚聚类分析就就可以得到到了，而设设计水位的的风险率，实实际上就是是这个模拟拟历史系列列的密度函函数的一些些分位点的的值。图1 导流流风险分析析计算流程程4. 实例例分析及其其计算结果果4.1 联联合泄流能能力计算现以金沙江江中游河段段上某大型型水电工程程折坝线混混合坝初期期导流设计计方案为例例，说明本本文所提出出的联合泄泄流水力计计算模型及及施工导流流风险分析析模型的应应用。混合合坝右岸厂厂房全年导导流方案共共布置了44条导流隧隧洞，隧洞洞净空断面面为修正马马蹄形，净净空最大宽宽度为155m，底宽111m，净空空高度155m，净空断断面积1991.55587 mm2。进口高高程定在11020.00m，出口高高程10112.000m。混合坝河中中厂房方案案全年导流流共布置了了7条导流流底孔，导导流底孔断断面为矩形形，单孔宽宽度8m，高度114m（底孔出出口段孔口口高度压低低为12.5m）。底底孔前段88m×14m净净空断面积积112.000 m2，后段88m×12.55m净空断断面积100.000 m2，底孔进进口高程定定在10220m，出口高高程10220m，底孔纵纵坡i=0。孔口口泄流控制制断面在出出口，8mm×12.55m（宽××高）。应用本文所所介绍联合合泄流水力力计算模型型计算，联联合泄流曲曲线如图22：图2 水电电站折坝线线混合坝枢枢纽泄流能能力曲线4.2 施施工导流方方案风险率率计算成果果根据水利利水电工程程施工组织织设计规范范SDJJ338-89，选选定的导流流建筑物为为级。对于于级导流建建筑物，土土石类围堰堰相应设计计洪水标准准为重现期期20550年。根根据实测资资料分析,电站坝址址下游的水水文站实测测最大流量量为290000m33/s。综合合分析水文文系列资料料、导流建建筑物的工工程量、施施工工期以以及水文、水水力等不确确定性因素素，初步拟拟定3个备备选的初期期施工导流流标准为220年一遇遇、30年年一遇和550年一遇遇。导流标标准为200年一遇洪洪水流量QQp=5%为114400 mm3/s，300年一遇洪洪水流量QQp=3.3%为121100 mm3/s，500年一遇洪洪水流量QQp=2%为130000 mm3/s。混合坝右岸岸厂房全年年导流方案案，其泄流流能力服从从三角形分分布，其分分布参数分分别为0.97（下下限）、11.00（中值）、1.005（上限）；河中厂厂房方案，其其泄流能力力分布参数数分别为00.98（下下限）、11.00（中值）、1.006（上限）。根据施工导导流风险分分析模型，分别拟合洪水过程线、泄流过程线，进行围堰上游水位的仿真计算，统计围堰上游堰前水位分布和在不同导流设计洪水标准条件下的风险率R（或保证率P），考虑水文和水力随机因素随机模拟结果以及设计水位对应考虑随机模拟综合风险计算成果如表1、表2所示。表1 考虑虑水文和水水力随机因因素随机模模拟成果表表表2 设计计水位对应应考虑随机机模拟综合合风险表4.3 成成果分析 （11）对于折折坝线混合合坝右岸厂厂房导流方方案，初期期导流设计计标准为330年一遇遇，在不考考虑导流系系统的随机机因素条件件下，围堰堰上游水位位10644.65mm，相应水水头54.65m（上上游相应水水头从河床床底高程11010.00m起起计，下同同）。考虑虑导流系统统的随机因因素时，330年重现现期对应的的上游围堰堰水位为11063.59m，对对应水头为为52.559m；而而观音岩水水电站300年一遇导导流设计水水位为10065.661m，对对应的导流流风险率为为2.744%。（2）对于于折坝线混混合坝河中中厂房导流流方案，初初期导流设设计标准为为30年一一遇，在不不考虑导流流系统的随随机因素条条件下，围围堰上游水水位10660.988m，相应应水头500.98mm。考虑导导流系统的的随机因素素时，300年重现期期对应的上上游围堰水水位为10061.226m，对对应水头为为51.226m；而而观音岩水水电站300年一遇导导流设计水水位为10061.998m，对对应的导流流风险率为为3.033%。5. 结语语针对国内外外大型水电电工程建设设项目，在在施工导流流过程中，一一般都是几几个导流建建筑物联合合泄流，而而且不同的的导流时段段其导流方方式和导流流建筑物的的组合也不不同，对于于山区河流流极其普遍遍的隧洞导导流型式给给出了各种种型式隧洞洞的泄流能能力计算方方法，本文文重点介绍绍了联合泄泄流水力计计算模型的的建立，工工程实例表表明其联合合泄流水力力计算算法法是切实可可行的。施工导流系系统风险是是影响水电电枢纽导流流建筑物设设计的规模模、型式及及其可靠性性的主要因因素，是由由导流系统统具有的实实际泄流能能力与实际际洪水流量量的相对大大小决定的的。在计算算施工导流流系统联合合泄流能力力的基础上上，采用MMonte-Carllo方法，模模拟施工期期洪水入库库过程和导导流建筑物物的泄流工工况，用系系统仿真方方法解决施施工洪水调调洪演算，对对得到的围围堰上游水水位随即数数据样本进进行聚类分分析确定导导流系统动动态风险。通通过实例分分析说明风风险分析模模拟模型与与聚类分析析模型的可可行性与有有效性，为为水电工程程施工导流流系统风险险分析提供供了有效的的工具与途途径。参考文献：1 肖肖焕雄. 施工导流流标准与方方案优选M. 湖北，湖湖北社学技技术出版社社，19996.2 肖肖焕雄. 施工水力力学M. 北京京，水利电电力出版社社，19992.3 李李炜，徐孝孝平. 水水力学MM. 武武汉，武汉汉水利电力力大学出版版社，20000.4 武武汉水利电电力学院. 水力计计算手册M. 北京，水水利电力出出版社，11983.5 水水利电力部部水利水电电建设总局局. 水利水水电工程施施工组织设设计手册M. 北京，水水利电力出出版社，11990.6 胡胡志根，刘刘全，贺昌昌海等水水利水电工工程施工初初期导流标标准多目标标风险决策策研究JJ. 中中国工程科科学，20001，33(8)：58663.7 胡胡志根，刘刘全，贺昌昌海，等. 基于MMontee-Carrlo方法法的土石围围堰挡水导导流风险分分析J. 水科科学进展，22002，(9)：66346638.8 陈陈风兰，王王长新. 施工导流流风险分析析与计算J. 水科学进进展，19996，77(4)：361366.9 长长江水利委委员会. 水利水电电工程设计计洪水计算算手册MM，北京京，水利电电力出版社社，19995.10 D.O.Karllssonn, Y.Y.Haaimess. Prrobabbilitty Diistriibutiions and Theiir Paartittioniing J. Wateer Reesourrces Reseearchh,19888,244(1) : 21129.11 刘全. 施工导流流风险分析析与施工过过程仿真的的可视化研研究D. 武汉汉大学，22003.