土石坝安全等级划分与防洪风险率评估.pdf

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1、年月水利学报第卷第期收稿日期基金项目 国家自然科学基金项目国家 十一五 科技支撑计划项目?作者简介 姜树海男 江苏南京人 硕士 教授级高级工程师 主要从事水工水力学和风险分析的研究文章编号土石坝安全等级划分与防洪风险率评估姜树海 范子武南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 江苏 南京摘要 本文从土石坝安全等级评定和划分的有关规定出发 建立了防洪安全等级划分与风险概率的对应关系根据风险率计算近似方法 校核率定了划分不同安全等级的风险率阈值和安全指数阈值 给出了不同安全等级土石坝的风险率区间 以实现大坝安全鉴定分级的定性评估与风险率定量计算的衔接计算结果表明 土石坝的三种主要

2、失事模式 包括洪水漫顶 滑坡失稳和渗流破坏 其安全等级划分的风险率阈值和安全指数阈值 大体维持在相同的水平上 略有差异随大坝级别和安全等级的提高 风险率阈值减小 安全指数阈值相应增大影响大坝安全的诸多不确定因素 包括水力 土力和水文等有关随机量的变异系数对安全阈值的影响较为显著关键词 大坝安全 防洪 风险率 安全指标 安全等级划分 风险率校核中图分类号文献标识码问题的提出大坝的防洪安全控制历来都是水利工程领域中的重大课题采用概率方法 以风险率指标度量大坝的防洪安全水平 是大坝工程设计和管理的重要进步 其积极意义是传统方法所不能代替的但这一方法必须依赖于对不确定性数据资料的定量分析 依赖于对数学

3、模型的严密逻辑处理在复杂的大坝防洪安全评估中 常会遭遇数据缺失和假设简化的困难 从而影响了风险分析方法在这一领域的推广运用目前 国内对复杂的大坝防洪安全评价仍以定性分析方法为主根据 水库大坝安全评价导则的有关规定 依靠一些工程经验 以得出其安全性等级划分的结论 为大坝的除险加固等决策提供支撑从传统的安全评价方法向概率的风险分析方法过渡 是世界各国的普遍趋势但囿于前述两种方法的评价体系不一致 人们很难将大坝安全等级划分的结论与概率的风险指标统一李雷等提出 建立事件发生的定性描述和定量概率关系换算表 以实现统一 但这种转换似过粗糙 尤其对影响防洪安全的小概率事件 专家也缺乏经验本文试图从大坝安全等

4、级划分的有关规定出发 根据风险率计算近似方法 建立防洪安全等级划分与风险概率的对应关系 给出不同等级划分的风险率阈值 从而实现大坝安全鉴定分级的定性评估与风险率定量计算的衔接 这实质上是对传统防洪安全系数和安全超高安全富余 的半概率校核防洪安全等级的评定和划分安全等级评定的一般原则防洪安全是人们对大坝的基本要求 尽管对这一要求的理解和认识往往是含糊的 不一致的 但总存在着社会普遍可接受的大坝安全水平要求水库大坝安全评价导则以下简称 导则等对大坝安全等级的划分就体现了这一要求这一方法实用可行 在水库大坝的安全评估中得到了广泛应用大坝的安全等级一般划分为三级 其中级大坝处于安全理想状态 它满足国家

5、现行设计规范要求 具有足够的承载能力 不必采取除险加固措施级大坝处于不安全状态 它不能满足有关规范的要求 抵御破坏的承载能力不足 必须采取相应的除险加固措施级大坝的安全状态处于级与级之间这三级标准的评定都没有直接与风险率相联系事实上级大坝不一定绝对安全 不存在失事风险 同样级大坝也不一定就会发生溃坝失事 只是失事的可能性较高导则 对大坝安全分级评定时 沿用了传统的安全度表达方式本文仅以影响防洪安全的主要失事模式 洪水漫顶 渗流破坏和滑坡失稳 具体讨论其安全度的表达方式安全超高在大坝防洪标准的复核即大坝抵御洪水漫溢能力的安全性分析中 常取安全超高作为允许安全度指标式中为坝顶高程 或设计 校核等特

6、征水位为设计 校核洪水过程下的最高坝前水位为不考虑风浪作用的安全超高安全系数在大坝结构安全等的评估中 常取安全系数作为允许安全度指标对坝坡的抗滑稳定而言 有?式中为抗力 即抵御坝坡下滑的抗滑力为荷载 即坝坡滑体自重 渗流力等产生的滑动力为安全系数同样导则 在对大坝渗流安全的评估中 虽未给出显式的安全系数 但提出了要求式中为渗流比降为允许比降 该值由临界比降除以安全系数而得显然 式中隐含了安全系数的概念在大坝防洪安全标准 抗渗稳定和抗滑稳定分析中 诸多不确定性因素的作用 导致了难以预料和控制的安全变异性所以 从工程经验和常识上都必须给出一定的安全储备 以满足工程安全性的要求传统设计标准中给出的安

7、全系数等提供了广泛可以接受的信心水平 但它不能定量考察不确定性因素的作用 带有一定的局限性安全等级与风险率的关系用传统安全度表达方式给出的安全等级对应的风险率是多少 现行标准未能给出需要通过校核计算 给出随机量在一定变异范围条件下的安全等级与风险率之间的对应关系为此 需依据安全等级划分的有关标准 通过可靠度分析方法 给出相应的风险率阈值显然 当时 为级 当时 为级 当时 则为级为使表达效果更好 以风险率的对数来描述安全性状况则有式中为安全指数 是安全性等级划分的参数由式计算得出相应阈值从而 当时 为级 当时 为级 当时 为级安全等级的风险率校核随机特征参数的简化计算方法风险率校核计算的困难在于

8、对各主要不确定因素的定量分析 包括确定概型和随机特征参数 如均值标准差等在难于取得相关统计资料的情况下 为便于工程实用 可采用适当的简化计算方法在影响防洪安全的主要随机量作正态分布的假设条件下 构置统计量则式中为单侧置信水平由此 从一定置信区间下的可求得?在实际运用中 可按最不利 或最有利 工况条件 计算求得或根据专家经验按一定的置信水平 选取该值常在之间选择美国工程师团的有关手册推荐 在某一特定流量下对库水位可采用不同计算方法和参数 求得其最高水位和最低水位 取其差值除以以估计标准差在均值以上倍和以下倍的标准差 包含了的随机分布防洪安全设计的洪水标准和工程标准为了有效地控制防洪风险率 规划

9、设计和建造大坝时 必须考虑两个标准一是设计洪水标准 它是对大坝工程设计起控制作用的洪水 在某种程度上影响着保护区的防洪安全 二是工程设计标准 它决定着设计洪水条件下大坝工程所留有的防洪安全富余大坝工程的防洪安全受诸多不确定因素的影响 如水文 水力等随机不确定性作用 导致设计者在水库调洪演算过程中 在对泄洪建筑物设计规模 坝顶高程的决策中 常取偏保守的设计 水力 土力等随机不确定性作用 导致设计者在土工结构计算 如渗流控制分析 边坡稳定分析中 给出一定的安全系数因此 工程设计标准的选择 决定着堤坝自身承受各级洪水的安全可靠程度这两个标准的概念和作用不同 它们共同制约着大坝等水利工程的防洪安全性

10、可以统称 防洪设计标准因此 大坝的设计防洪风险率可写为?式中为设计洪水重现期为设计洪水重现期发生条件下的风险率 它可以是洪水漫顶 渗流破坏和滑坡失稳等事故引发的各种防洪工程的安全设计都必须考虑这样两个标准 如 美国对堤防工程的设计 普遍采用了年一遇洪水或概率不超越堤顶高程的规定其中年一遇洪水提出了设计洪水标准的要求 而或概率强调了工程设计标准的要求从这一观点出发 设计洪水重现期与相应的设计洪水过程包括洪峰 洪量和洪水过程线 决定着堤坝工程的防洪设计规模为增加大坝的防洪安全性 可选择较大的即较高的洪水设计标准而在设计洪水重现期确定条件下 发生洪水漫顶 渗流破坏和滑坡失稳等事故的机率通常由工程设计

11、标准所制约 设计者往往通过安全富裕的选择来控制各种随机模糊不确定性因素对防洪风险率的影响防洪安全风险阈值的校核洪水漫顶风险率的校核在一定的洪水重现期条件下 发生洪水漫顶概率式中为标准正态分布函数为可靠指标和分别为坝前最高水位和坝顶高程的随机量和分别为和的均值和分别为和的标准差按式可写作式中为坝前水位的可能最大值通常在调洪计算中 取最大入流洪水过程最小泄洪能力过程最小调洪库容和最不利调洪运行方式 求得该值 其中为库水位按最不利条件组合进行调洪计算 求得的常作为重要工程设计参数 直接取为坝顶高程不再增加安全超高若忽略取则有代入式求得相应的若取则相应的导则 规定 大坝的防洪标准复核需满足设计洪水和调

12、洪演算后的安全超高要求表给出了山区 丘陵的和级土坝 堆石坝抵御洪水频率 重现期 年的分级标准以最不利的增值代替求得在一定设计洪水条件下的和这样 对防洪标准复核的级坝而言 要求同时满足洪水重现期和安全超高的规定 其阈值?表山区 丘陵区的土石坝抵御洪水频率 重现期年大坝级别且且且满足但不满足要求 或满足但不满足要求 则为级坝 阈值可为多值其极限状态为均值水位超过均值坝顶高程极大在多值的中选小值作为阈值 有?表为山区 丘陵区的和级土石坝洪水漫顶风险率和安全指数的阈值随着大坝级别和安全等级的提高 相应的临界风险率减小 安全指数的阈值增大大坝级别和安全等级每提高一个档次增大表大坝洪水漫顶风险率阈值 山区

13、 丘陵区的土石坝大坝级别可靠指标失效概率安全指数失效概率安全指数滑坡失稳风险率的校核在设计洪水位条件下 发生滑坡失稳事件的概率以均值和表达的中心安全系数与可靠指标有相关关系?式中为抗力变异系数?为荷载变异系数?为中心安全系数可按传统的毕肖普法 或瑞典圆弧法求得相应的以及从式可得表正常运用条件下土石坝结构的抗滑稳定安全系数简化毕肖普法大坝级别且且且导则 给出了级土石坝在正常运用条件下 采用简化毕肖普法计算的抗滑稳定安全系数的分级标准 表将的阈值代入式中 并取和两种工况 求得相应的和限值同时认定在相应大坝级别和防洪安全等级要求的重现期条件下 出现的水位即为滑坡失稳设计洪水位 则仍以式和式求得和列于

14、表显然 大坝级别和安全等级的提高 相应减少了临界风险率增大了安全指数的阈值变异系数和的增大 使得影响边坡稳定的不确定性增加 从而减小了边坡稳定的可靠性 安全指标的阈值不得不有所降低渗流破坏风险率的校核在设计洪水位条件下 发生渗流破坏事件的概率同样 在和确定的情况下 即可求出相应的可靠指标?式中为渗流比降变异系数为临界比降变异系数表正常运用条件下大坝滑坡失稳风险率阈值 简化毕肖普法大坝级别变异系数可靠指标风险率安全指数可靠指标风险率安全指数由于渗流破坏较为复杂 变形形式多样 如流土型 管涌型等导则 未能给出分级的具体安全系数标准 只是以规范规定允许比降的上 下限作为临界阈值表列出了无黏性土抗流土

15、和管涌破坏的允许比降的经验值 作为无试验资料时的参考考虑一般情况 规范较为笼统地建议安全系数宜取为从前述与的关系式出发 以安全系数取值的上 下限率定求得不同安全等级的和的阈值取和三种工况条件 考虑大坝相应防洪安全等级洪水重现期的要求 计算得到和列于表其中为临界比降变异系数与洪水漫顶和滑坡失稳风险率阈值率定结果类似 随大坝级别和安全等级的提高 其防洪风险率减小 安全指数增大上述风险校核计算结果表明 土石坝三种主要失事模式的可靠指标风险率和安全指数的分级阈值 大体维持在相同的水平上 略有差异随机量变异系数的选取 会影响这些阈值的大小如规范规定的抗渗流破坏安全系数的取值 似略大于抗滑坡失稳的从而导致

16、大坝的抗渗安全性总体上有偏高的趋势这可能是规范编制者考虑到影响抗渗稳定的各种随机因素较难把握 变异性相对较大 必须留有较大的安全富余从表和表的比较可见 若抗滑稳定分析中选取的较小 而抗渗稳定分析中较大 则两者的风险率和安全指数阈值就能大致相当表无黏性土允许坡降渗透变形型式流土型过渡型管涌型级配连续级配不连续允许比降注为土的不均匀系数 数值适用于渗流出口无滤层的情况导则 等规范规定的安全度水准是在大量工程经验基础上得到的 总体上应该可以接受在继承导则 等规范规定的安全水准基础上 确定的风险率阈值和安全指数阈值就成为了最具说服力的大坝安全控制准则这样 根据具体大坝安全鉴定分级的有关结论 就能大致确

17、定影响其防洪安全的主要失事风险所处的概率区间 从而为进一步的风险决策创造条件表大坝渗流破坏风险率阈值大坝级别变异系数安全系数可靠指标风险率安全指数安全系数可靠指标风险率安全系数结论本文从 水库大坝安全评价导则 对水库大坝安全等级评定和划分的有关规定出发 讨论了防洪安全度的不同表达方式 建立了防洪安全分级与风险概率的对应关系在此基础上 采用风险率近似计算方法 校核率定了不同安全等级划分的风险率阈值和安全指数阈值计算结果表明 土石坝的三种主要失事模式 包括洪水漫顶 滑坡失稳和渗流破坏 其安全等级划分的风险率阈值和安全指数阈值大体维持在相同的水平上 略有差异随大坝级别和安全等级的提高 风险率阈值减小 安全指数阈值相应增大影响大坝安全的诸多不确定因素包括水力 土力 水文等有关随机量的变异系数对安全阈值的影响较为显著这种半概率的风险率校核方法 为实现大坝安全鉴定分级的定性评估与风险率定量计算的衔接创造了条件参考文献水库大坝安全评价导则李雷 王仁钟 盛金宝 等 大坝风险评价与风险管理北京 中国水利水电出版社刘西拉 刘闯 结构安全性等级的实用计算建筑结构学报姜树海 防洪设计标准和大坝的防洪安全水利学报姜树海 范子武 堤防渗流风险的定量评估方法水利学报姜树海 范子武 吴时强 洪灾风险评估和防洪安全决策北京 中国水利水电出版社堤防工程设计规范责任编辑 王冰伟