堤防工程風(fēng)險分析理論和實踐研究.pdf

1、堤防安全評價是堤防設(shè)計和堤防除險加固的重要組成部分，是對所研究堤段防洪能力的綜合檢驗和評價。但堤防工程是賦存于一定水環(huán)境中受水文和水力條件作用的巖土工程結(jié)構(gòu)，而風(fēng)險作為一種用來考慮和評價工程實踐中諸多不確定和無法預(yù)測因素而導(dǎo)致工程失事的一種手段時，是所有巖土工程中先天固有的(Casagrande，1965)。傳統(tǒng)定值設(shè)計方法由于很難考慮到堤防工程實際存在的不確定性，因而已不足以確切地表征工程的安全程度。將以概率論和可靠度為基礎(chǔ)的風(fēng)險分析

2、方法引入堤防工程安全評價實踐中具有重要意義。本文在廣泛參閱國內(nèi)外大量文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，對堤防工程風(fēng)險分析的理論、模型、方法以及應(yīng)用進(jìn)行了探討研究，取得了以下研究成果： (1)采用故障樹分析方法對單元堤段失事破壞類型進(jìn)行了分析，將單元堤段失事模式分為以下3個層次8種分項失事模式：LevelⅠ：水文失事模式和結(jié)構(gòu)失事模式；LevelⅡ：將水文失事模式分為洪水漫溢失事模式和洪水漫頂失事模式，將結(jié)構(gòu)失事模式分為滲透破壞失事模式、岸坡失穩(wěn)模式和

3、地震險情失事模式；LevelⅢ：將地震險情失事模式分為岸坡地震失穩(wěn)和地震液化，岸坡失穩(wěn)模式分為臨水面岸坡失穩(wěn)模式和背水面岸坡失穩(wěn)模式，岸坡地震失穩(wěn)模式同樣亦分為臨水面岸坡地震失穩(wěn)模式和背水面岸坡地震失穩(wěn)模式。 (2)依據(jù)所進(jìn)行的單元堤段失事模式分析，分別推導(dǎo)建立了單元堤段分項失事模式風(fēng)險率計算模型，并提出了分項失事模式功能函數(shù)及其功能函數(shù)中隨機(jī)變量的估計方法；同時在建立分項失事模式的風(fēng)險率計算模型時考慮了分項失事模式的失事后果嚴(yán)

4、重程度，在洪水漫頂失事模式和地震液化失事模式的風(fēng)險率計算模型中引入貢獻(xiàn)權(quán)重函數(shù)K(h)來考慮其風(fēng)險對綜合失事風(fēng)險的貢獻(xiàn)；然后對單元堤段分項失事模式的風(fēng)險率計算模型中的洪水位概率密度函數(shù)和分項失事風(fēng)險率的表述方式進(jìn)行了詳細(xì)闡述，提出了風(fēng)險率計算模型中積分計算方法(基于高斯—勒讓德節(jié)點的離散化積分求解方法和函數(shù)擬合方法)，給出了分項失事模式條件失事概率計算中隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)差估計方法，并建議將失事風(fēng)險率計算結(jié)果用風(fēng)險率與洪水位關(guān)系曲線來表示，

5、以更好地表征堤防工程安全程度。 (3)對單元堤段綜合失事風(fēng)險率計算的解析解、界限估計和近似估計方法進(jìn)行了描述；建立了單元堤段失事事件之間的相關(guān)函數(shù)，以及堤防系統(tǒng)綜合失事風(fēng)險率計算的公式，并提出了堤防系統(tǒng)綜合失事風(fēng)險率計算步驟；分析了堤防失事后果估算方法，建立了堤防系統(tǒng)失事風(fēng)險的評價方法，并對堤防系統(tǒng)失事風(fēng)險表述進(jìn)行了必要說明；定義了超標(biāo)洪水的概念，并給出了超標(biāo)洪水下堤防系統(tǒng)失事風(fēng)險的計算方法。 (4)指出了MonteCa

6、rlo抽樣法在實際工程中容易出現(xiàn)的誤用，并給出了相關(guān)情況下的MonteCarlo抽樣求解步驟；對傳統(tǒng)求解可靠指標(biāo)的幾何法進(jìn)行改進(jìn)，提出了相關(guān)情況下非正態(tài)隨機(jī)變量的擴(kuò)展幾何法求解可靠指標(biāo)和失效概率的求解步驟，并設(shè)計程序進(jìn)行驗證；同時將擴(kuò)展幾何法與二次多項式序列響應(yīng)面法相結(jié)合，并給出了其求解可靠指標(biāo)和失效概率的求解步驟，并設(shè)計程序進(jìn)行驗證。 (5)針對單元堤段分項失事模式的特點，分別提出并建立了適合于單元堤段分項失事模式條件失事概率

7、的計算方法；提出基于與擴(kuò)展幾何法相結(jié)合的響應(yīng)面法形成響應(yīng)面隨機(jī)滲流有限元來計算滲透破壞失事條件概率的程序流程；指出臨界概率滑面與臨界確定性滑面的區(qū)別，給出了一種實用高效的岸坡失穩(wěn)模式的條件失事概率計算方法，該方法可同時求解得到臨界概率滑面及其相應(yīng)可靠指標(biāo)βmin;最后，基于所建立的堤防工程單元堤段失事風(fēng)險率計算模型，以及所提出的單元堤段分項失事模式條件失事概率的計算方法，研制開發(fā)了堤防工程單元堤段失事風(fēng)險率計算程序LeveeRisk。

8、 (6)結(jié)合板橋河左岸堤防加固工程，基于所提出和建立的風(fēng)險分析理論、方法和程序，分別對板橋河左岸堤防失事風(fēng)險率和失事風(fēng)險進(jìn)行了計算估算；根據(jù)1995年破圩實例，對板橋河左岸堤防失事風(fēng)險進(jìn)行了分析，并建立起板橋河堤防失事風(fēng)險率和風(fēng)險的臨界值和容許值，對外板橋河左岸堤防工程具有重要意義，對同類工程具有重要參考價值；同時，提出堤防風(fēng)險管理理念，并針對板橋河左岸堤防提出了降低風(fēng)險措施，并對堤防汛期洪水位運行管理提出了建議。 (7)

9、結(jié)合南京市外秦淮河整治工程，放棄傳統(tǒng)的水位頻率曲線線型，根據(jù)實測日洪水系列資料采用頻率統(tǒng)計分析確定了外秦淮河堤防潮位頻率曲線的線型和分布；然后計算分析了外秦淮河堤防綜合失事風(fēng)險率以及超標(biāo)準(zhǔn)洪水下堤防失事風(fēng)險率；并基于分析成果，對外秦淮河堤防汛期管理提出了若干建議。 (8)以外秦淮河河道整治工程為背景，分別從確定性分析角度和概率風(fēng)險的不確定性分析角度，就臨水面設(shè)置防滲土工膜對堤防穩(wěn)定性影響的利弊問題進(jìn)行了探討，形成了一些有益的結(jié)論