施工導(dǎo)截流系統(tǒng)風(fēng)險分析研究

摘 要：施工導(dǎo)截流系統(tǒng)受到來流量水文隨機(jī)因素、分流建筑物分流量水力隨機(jī)因素，以及其它多種不確定性因素的影響。本文從分析各種影響施工導(dǎo)截流系統(tǒng)風(fēng)險的隨機(jī)因素入手，確定出施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的風(fēng)險變量，建立起施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的風(fēng)險率模型，然后采用隨機(jī)模擬的方法進(jìn)行了風(fēng)險率計算。通過結(jié)合某水電站工程實(shí)例進(jìn)行風(fēng)險研究，驗證了該方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)截流系統(tǒng) 風(fēng)險分析 風(fēng)險變量 風(fēng)險率模型

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0043-02

1 問題的提出

在施工導(dǎo)截流系統(tǒng)中存在許多不確定性因素，這些不確定因素對施工導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)的選擇、工程安全性的評估影響很大。施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的風(fēng)險來源于滲流量的不確定性、河道水位流量、庫容水位流量關(guān)系、來流量水文隨機(jī)因素以及分流建筑物分流量水力隨機(jī)因素等諸多方面的不明確因素所致，工程管理人員必須通過認(rèn)真的分析研究，預(yù)先對導(dǎo)截流工程存在的風(fēng)險大小有一個清楚的認(rèn)識，以便編制詳細(xì)完整的導(dǎo)截流施工組織設(shè)計方案，對導(dǎo)截流的施工機(jī)械及人員配置作好周密的部署，確保導(dǎo)截流工程成功。如何較好地實(shí)現(xiàn)綜合考慮水文、水力不確定性及其它不確定性因素來分析施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的風(fēng)險，是本文要解決的問題。

2 風(fēng)險因素識別

在施工導(dǎo)截流中存在的不確定因素可以歸類為：（1）水文不確定性。（2）水力不確定性。（3）其他不確定性。下面就這些不確定性因素及其分布作一簡略的闡述。

2.1 水文不確定因素

水文隨機(jī)性主要體現(xiàn)在來流量上。對于確定頻率的洪水，它的來流過程線具有隨機(jī)性，表現(xiàn)出來在任意時間洪水流量是具有某種分布的隨機(jī)變量。

對來流量的描述，工程界一般采用P-Ⅲ型分布，也有的采用對數(shù)正態(tài)分布或極值-Ⅰ型分布。P-Ⅲ型分布的概率密度函數(shù)為：

上兩式中：；；

其中：為年洪峰流量系列均值，；Cv變差系數(shù)，CS偏態(tài)系數(shù)。

2.2 水力不確定因素

施工導(dǎo)截流主要是利用泄水建筑物來對下游進(jìn)行泄流的，泄流能力是由該導(dǎo)流時段采用的泄流建筑物相互結(jié)合而決定的。然而在泄水建筑物在運(yùn)行時和施工時還會存在參數(shù)不精確，計算時所運(yùn)用的水力模型不是很合理以及各方面的誤差等，都會使下游在進(jìn)行泄流時出現(xiàn)不確定性的因素。

施工導(dǎo)截流時，導(dǎo)流泄水建筑物通常是導(dǎo)流明渠或隧洞。對于隧洞過流，其流態(tài)有明流和有壓流之分。下面以斷面為圓形的導(dǎo)流隧洞情況為例進(jìn)行分析。

在有壓恒定淹沒出流時的計算公式采用：

其中，Q為導(dǎo)流洞泄流量；A為隧洞斷面面積；m為淹沒出流時的流量系數(shù)；g為重力加速度；Z為上下游水位差。當(dāng)隧洞的斷面為圓形時，上式可寫成：

式中，n為糙率；L為隧洞長度；為局部水頭損失系數(shù)之和。

對以上各水力因子，可以認(rèn)為服從三角形分布，相應(yīng)的有：

其中，分別為的最小值，最可能值和最大值，各水力因素的平均值用表示。

則泄流量Q服從位置參數(shù)和尺度參數(shù)的正態(tài)分布，。其中均值為：

變差系數(shù)為：

在來流量較小時，隧洞過流又會出現(xiàn)明流狀況。對于圓形斷面隧洞，計算采用下式：

式中，A為過水?dāng)嗝婷娣e；χ為濕周；S為底坡；n為糙率。

隧洞導(dǎo)流過程中就會出現(xiàn)混流態(tài)的現(xiàn)象。這個時候泄流能力的計算就必須運(yùn)用推求水面線的方式來實(shí)現(xiàn)這種情況。而這時的泄流能力的不確定性更顯復(fù)雜。

2.3 其它不確定因素

除了上面提到的不確定因素外，施工導(dǎo)截流中還存在其它一些不確定性因素，比如滲流量不確定性、水位庫容關(guān)系的不確定性、下游水位與流量關(guān)系的不確定性等。

由于滲流是一個復(fù)雜的過程，滲流量的計算公式、參數(shù)的選擇等都作了許多近似，滲流量的不確定性比其它不確定因素更復(fù)雜。但是，由于滲流量在整個施工導(dǎo)截流工程中所占的比重較小，因此，可對它作簡化處理。水位庫容關(guān)系的不確定性對于工程在施工導(dǎo)流期的風(fēng)險產(chǎn)生影響。下游水位與流量關(guān)系曲線對隧洞泄流時流態(tài)是淹沒流的泄流量產(chǎn)生影響，從而間接對施工導(dǎo)截流的風(fēng)險產(chǎn)生影響。

3 施工導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險率模型

在導(dǎo)流模式下導(dǎo)流工程易發(fā)生失效的事件概率就是各個導(dǎo)流模式下的施工導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險。通過建立堰前水位分布風(fēng)險的模型和施工導(dǎo)流調(diào)洪演算，使系統(tǒng)中的各個不確定因素利用隨機(jī)模擬的方法來進(jìn)行模擬仿真的計算，進(jìn)而統(tǒng)計出來施工導(dǎo)流系統(tǒng)中的堰前水位所超過設(shè)計檔位的水位高程的機(jī)率，故而確定出設(shè)計導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)所要承受的相應(yīng)風(fēng)險概率。

施工難易度和導(dǎo)流風(fēng)險都是施工中認(rèn)為的定性指標(biāo)。對于這些可以采取模糊隸屬度函數(shù)來進(jìn)行量化的，讓其轉(zhuǎn)變?yōu)槎康闹笜?biāo)。在其標(biāo)準(zhǔn)確定的情況下，導(dǎo)流風(fēng)險R由圍堰擋水風(fēng)險RY、大壩臨時擋水風(fēng)險Rb以及隧洞導(dǎo)流風(fēng)險Rd三者組合而成，上述這些定性指標(biāo)可用隸屬度函數(shù)來評價，即R=。

隧洞導(dǎo)流風(fēng)險取決于洞內(nèi)流速的大小問題，而洞內(nèi)的流速很大時，就會對洞內(nèi)中的抗沖能力造成威脅；而隧洞的斷面很大時，泄流的能力就是很大，而庫水水位就很低，洞內(nèi)的流速相對來說很小，則風(fēng)險上就很小。因此為避開復(fù)雜的調(diào)洪演算計算流速，隧洞風(fēng)險度可由隧洞斷面（）來定量，即斷面越大，導(dǎo)流風(fēng)險越小，隸屬度越小，隸屬度函數(shù)構(gòu)造如下式：

對于多條隧洞布置，風(fēng)險率以所有洞的最大風(fēng)險為準(zhǔn)，即以所有洞的最大隸屬度為準(zhǔn)。隸屬度函數(shù)的變量X為至于隸屬度函數(shù)上下限的選取，可采用變量值域的上下界各內(nèi)縮5%來確定，因此有必要依據(jù)經(jīng)驗較準(zhǔn)確地確定變量的上下界，從而盡可能地減少由于選取變量值域的變化所帶來的對導(dǎo)流風(fēng)險分析的影響。

圍堰擋水風(fēng)險對不過水圍堰而言，主要考慮圍堰的結(jié)構(gòu)可靠性。當(dāng)圍堰越高時，堰前水頭越高，潛在的潰堰可能性越大，則對應(yīng)越大的隸屬度，以堰高H為變量構(gòu)造的圍堰擋水風(fēng)險隸屬度函數(shù)，見下式：

大壩臨時擋水風(fēng)險取決于隧洞的泄流能力，當(dāng)泄流能力大時，壩前水位低，大壩臨時擋水的風(fēng)險小。取隧洞泄流量為隸屬度函數(shù)變量，泄流量越大，隸屬度越小。泄流量的上下限選取主要依靠經(jīng)驗，用（9）式構(gòu)造隸屬度函數(shù)，其中，，為j時段末的總泄流量，由調(diào)洪演算得出。

4 截流系統(tǒng)風(fēng)險率模型

根據(jù)上面對于風(fēng)險因素的識別，可以建立以龍口流速或落差為風(fēng)險變量的截流系統(tǒng)風(fēng)險模型。設(shè)功能函數(shù)（或）；式中：為考慮了水文、水力不確定因素的截流過程中龍口最大流速，它是具有某種概率分布的隨機(jī)變量；為設(shè)計截流龍口最大流速。（為考慮了水文、水力不確定因素的截流過程中龍口最大落差，它是具有某種概率分布的隨機(jī)變量；為設(shè)計截流龍口最大落差。）利用功能函數(shù)可以反映以下關(guān)系：

設(shè)系統(tǒng)的風(fēng)險率為R，則R可用下式計算：

其中，為的概率密度函數(shù)（為的概率密度函數(shù)）。在表達(dá)中也可以將其轉(zhuǎn)化為保證率P的概念：

5 導(dǎo)截流系統(tǒng)風(fēng)險率計算方法

施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的風(fēng)險率計算一般采用蒙特卡羅（Monte-Carlo）模擬計算方法，該方法采用Monte-Carlo方法對模型進(jìn)行隨機(jī)抽樣，通過統(tǒng)計分析，獲得風(fēng)險率的估計值。具體細(xì)節(jié)可以參考肖煥雄[4]、周宜紅[5]、鐘登華[6]等所著施工導(dǎo)截流風(fēng)險分析中的方法部分。

6 實(shí)例

某水電站位于云南省瀾滄江上，計劃截流安排在枯水期的11～12月間，設(shè)計采用兩導(dǎo)流洞分流（1#、2#導(dǎo)流洞），單戧立堵截流的方式。

該工程中期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用P=0.5%、P=0.33%兩種方案進(jìn)行比較。兩方案的導(dǎo)流規(guī)模相同，擋水泄水建筑物均相同，由于壩體可擋水高程遠(yuǎn)高于上游水位，對于30年一遇導(dǎo)流方案，考慮隨機(jī)因素時，上游水頭為67.60 m，比設(shè)計水位低約5.15 m，200年一遇的設(shè)計洪水位對應(yīng)的風(fēng)險率為0.32%；300年一遇的設(shè)計洪水位對應(yīng)的風(fēng)險率為0.20%。兩方案的風(fēng)險率差別不大，且200年一遇洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，保證率已達(dá)99.62%，按規(guī)范規(guī)定可采用200年一遇洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

在同一截流設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下，對不同截流時段實(shí)施的風(fēng)險率采用蒙特卡羅方法進(jìn)行了計算。根據(jù)計算結(jié)果可以看出相同標(biāo)準(zhǔn)下截流時段的選擇對于截流風(fēng)險率的影響很大，且龍口的最大流速指標(biāo)和龍口最大落差指標(biāo)在歷史同類工程中均屬偏大，從截流時段選擇來講，11月上、中旬最大龍口流速和最大落差均偏大，11月下旬和12月上旬的截流風(fēng)險率均較低，鑒于圍堰搶工時間的安排，選擇11月下旬截流比較合適。

7 結(jié)論

施工導(dǎo)截流系統(tǒng)包含了各種不確定性（水文、水力等）影響因素，為了確定合理的導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的導(dǎo)截流方法，考慮受這些不確定性因素影響的施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的風(fēng)險率大小是很有必要的。本文較全面地分析了施工導(dǎo)截流系統(tǒng)中存在的各種不確定因素，探討了這些不確定因素的分布及其參數(shù)的確定方法，建立了施工導(dǎo)截流風(fēng)險率模型，并運(yùn)用蒙特卡羅方法計算了施工導(dǎo)截流風(fēng)險率。本文的研究成果有助于提高工程管理人員對施工導(dǎo)截流系統(tǒng)風(fēng)險的認(rèn)識，也為人們選擇適當(dāng)?shù)膶Σ吆痛胧﹣頊p小或預(yù)防施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的較大風(fēng)險發(fā)生提供科學(xué)依據(jù)。

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