土石壩漫壩與壩坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)分析分析與應(yīng)用

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1、第一章緒論1．1研究背景及意義水利水電工程系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，投資巨大，影響面廣，受自然和社會(huì)的不確定性因素影響眾多，工程一旦失事，將會(huì)給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成極其嚴(yán)重的損害。因此，在水利水電工程的建設(shè)和運(yùn)行管理活動(dòng)中，應(yīng)注意進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)，來(lái)避免風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生或減輕風(fēng)險(xiǎn)的損失。我國(guó)已建成大、中、小型水庫(kù)8．6萬(wàn)座，這些水庫(kù)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)中占有重要地位，為防洪、發(fā)電、灌溉、供水、及水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面創(chuàng)造了巨大的社會(huì)財(cái)富和經(jīng)濟(jì)效益；然而大壩一旦失事，又將給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)不可估量的損失。例如，197

2、5年河南板橋土石壩失事，淹沒(méi)農(nóng)田113．3萬(wàn)km2，受災(zāi)人口1190萬(wàn)，死亡2．6萬(wàn)人。因此大壩安全問(wèn)題，一直受到國(guó)內(nèi)外壩工界的普遍關(guān)注。大壩設(shè)計(jì)及運(yùn)行的安全可靠性依賴于大壩承受外部荷載的能力，而作用于大壩上的荷載和大壩的抗力均隨時(shí)間改變而改變，即存在隨機(jī)性，因而大壩存在失事風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)榇髩问碌母饔绊懸蛩囟季哂须S機(jī)性，而應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)理論能較好地反映這種不確定性，所以應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析方法對(duì)大壩失事進(jìn)行研究是非常合理的。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)：目前世界上約l／3的大壩失事是因洪水漫壩造成的【11，我國(guó)在20世紀(jì)50,-,90年代，洪

3、水漫壩失事的大壩共有1147座，約占同期大壩失事總數(shù)的46．6％；國(guó)內(nèi)因大壩滑坡和塌方造成垮壩的占同期垮壩總數(shù)的38％【2】，國(guó)外因大壩滑坡和塌方造成垮壩的占同期垮壩總數(shù)的14．2％。這說(shuō)明，大壩失事的兩個(gè)最主要原因是漫壩和壩體失穩(wěn)。而在大壩失事事故中，土石壩所占比例高達(dá)70．5％，且由于歷史原因，我國(guó)已建大壩中土石壩占90％以上，．絕大部分土石壩已運(yùn)行了50年，已經(jīng)達(dá)到或即將達(dá)到其正常使用年限，病險(xiǎn)水庫(kù)量大面廣，且逐年增多，因此，加強(qiáng)對(duì)土石壩水庫(kù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究，為土石壩水庫(kù)工程的除險(xiǎn)加固提供科

4、學(xué)的決策依據(jù)，具有很大的理論意義與實(shí)際意義。本文將以于橋水庫(kù)為例進(jìn)行研究。于橋水庫(kù)建成于1960年，大壩為均質(zhì)土壩，到現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)行了將近50年，工程老化，且水庫(kù)處于京津唐三角經(jīng)濟(jì)帶的中心位置，肩負(fù)著防洪和供水兩項(xiàng)重大任務(wù)。在防洪上，于橋水庫(kù)的安危直接影響到下游四條鐵路、引灤入津引水線路、河北玉田、天津市腹地和京哈、邦喜、津圍等公路干線的存亡；在供水上，于橋水庫(kù)總庫(kù)容15．59億m3，從潘家VI水庫(kù)引過(guò)來(lái)的灤河水，都要進(jìn)入于橋水庫(kù)第～章緒論進(jìn)行調(diào)蓄，再經(jīng)由州河、引灤明渠、引灤暗渠而流入天津市區(qū)。如果失事，其后果

5、是非常嚴(yán)重的。因此本文通過(guò)對(duì)大壩進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，來(lái)評(píng)價(jià)于橋水庫(kù)大壩的安全性以便決定是否需要采取提高安全性的措施，進(jìn)而為風(fēng)險(xiǎn)決策和風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。1．2國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析在國(guó)外的研究開(kāi)始于六十年代末、七十年代初。當(dāng)時(shí)由于幾起嚴(yán)重的大壩失事，促使許多國(guó)家如美國(guó)、前蘇聯(lián)等開(kāi)展大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)研究。1973年美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)發(fā)表了一篇用風(fēng)險(xiǎn)分析方法對(duì)溢洪道設(shè)計(jì)進(jìn)行重新評(píng)估的檢查報(bào)告，由此拉開(kāi)了風(fēng)險(xiǎn)分析的序幕。現(xiàn)在己經(jīng)有一批受過(guò)良好培訓(xùn)、具有研究和應(yīng)用能力的工程師工作在這一領(lǐng)域。他們不僅應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析方法來(lái)處理

6、由不確定性帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，而且更重要的是將這些方法帶入工程和經(jīng)濟(jì)決策之中。水利工程方面的風(fēng)險(xiǎn)研究起步較晚，主要是由于水利工程防洪系統(tǒng)涉及的自然因素較多，無(wú)法通過(guò)人工試驗(yàn)測(cè)驗(yàn)其隨機(jī)性，并且受歷史資料限制，不易獲得其隨機(jī)性規(guī)律，而且變量之間多為非線性、非解析函數(shù)關(guān)系，系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系復(fù)雜，難以用數(shù)學(xué)模型精確描述。但經(jīng)過(guò)許多研究人員的努力，水利工程防洪研究取得了明顯的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)開(kāi)展水利工程防洪可靠性的研究是八十年代才開(kāi)始的，盡管如此也取得了一批成果。國(guó)內(nèi)外取得的主要成果如下：(1)國(guó)際方面【3J【4J：Raekwitz

7、首次把一次二階矩法應(yīng)用于防洪風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算。WoodE．F計(jì)算了由洪水引起的堤防漫頂風(fēng)險(xiǎn)。EEFahlbusch對(duì)大壩的失事風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，認(rèn)為大壩所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)依賴于下游居民的稠密程度與失事后的財(cái)產(chǎn)損失。S．TCheng，B。C．Yen和WH．Tang在考慮了水文、水力兩方面的不確定性情況下，估計(jì)了漫壩風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)作了進(jìn)一步的研究。HaimesYY等運(yùn)用多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)分割方法對(duì)水資源規(guī)劃進(jìn)行了研究，把政治、法律和社會(huì)等因素看作約束條件考慮在內(nèi)，對(duì)工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)效益損失的綜合研究以確定工程的規(guī)模和泄流能力，并首

8、次把風(fēng)險(xiǎn)分析理論應(yīng)用到水資源系統(tǒng)規(guī)劃中去。KarlssonP．O．和HaimesY．Y．以“分塊多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)方法”對(duì)大壩安全問(wèn)題進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，使用了5種類型的概率分布函數(shù)并對(duì)得出的各種結(jié)果進(jìn)行比較。A．Afshar，M．A．Ma．rillo在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，闡述了利用風(fēng)險(xiǎn)分析設(shè)計(jì)溢洪道最優(yōu)泄流能力的方法。SalmonG．M．和HartfordD．N．D．介紹了目前國(guó)外較為盛行的“允許風(fēng)險(xiǎn)分