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代写工程论文精选:某土石坝安全综合评价方法研究

时间:2017-09-06 16:01来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是水利工程论文,本文对土石坝安全的评价采用了一种无需确定权重的突变评价法,并且针对突变评价法评价结果过于集中这一特点进行了改进,研究出了改进后的突变评价法。
1 绪论 
 
1.1 研究的背景和意义 
从水利发展的历史来看,大坝这一水工建筑物有着十分重要的地位,通过大坝在河流中拦截水流使水位得到提升从而获得较高的势能,在一些核心领域例如水力发电、城市农村人口供水、河势的调整、拦截洪水、航道运输以及农田灌溉等。水工建筑物中有很多重要的坝形,土石坝属于其中的一种,由于土石坝的构造主要由土和石头等天然材料构成,取材方便,施工成本低,所以在历史发展过程中得到了广泛的应用,目前土石坝的数量在世界范围内数量十分庞大,通常土石坝修建在狭窄的河谷以及江河中。根据国际大坝的会议给出的数据,在世界的范围内已经建成 41413 座坝高 15m 以上的水库大坝,其中有 33958 座大坝都属于土石坝,占据大坝总体数量 82.7%;在这里面,坝高在300 米以上的土石坝仅存两座[1],这两座土石坝位于前苏联的努列克坝(317m)大坝和罗贡坝(325m)大坝。在中国,这种坝形也受到了人民群众普遍的应用,在大致的统计数据中,我国在建成的大约 85000 多座大中小型水库中,土石坝的比例达到了 95%,这其中有 24 座坝高在 100 米以上的土石坝正在设计评审、施工以及达到完成的状态,当以高263 米苗家坝、高 261.5 米糯扎渡的心墙堆石坝和高 233 米水布垭的面板堆石坝作为代表[2],由此可见,土石坝在我国的社会、经济发展以及工农业生产等诸多领域都发挥了重要的作用。 随着岁月的流逝,人类建造的土石坝不断的增加、已建成的土石坝坝龄增长,土石坝在运行过程中自身的因素以及周围环境不断的影响着土石坝的安全,同时由于早期技术水平的限制以及运行过程中管理的缺失,使得现存的大坝都存在安全隐患。所以,土石坝发生事故的概率也日益的增长,这些隐患严重影响了土石坝本身正常的运行,以及运行过程中多得到的收益。根据 Jason 的统计,在世界范围内发生事故的大坝大约超过15 万座[3]。尽管大坝在兴利、防洪方面给人类提供了巨大的收益[4],但是,如果大坝发生事故,同时也将给人类带来毁灭性的破坏。 溃坝事故的发生给我们以深思。土石坝失事前往往是没有任何的征兆,其庞大水量如果剧烈释放出来,将会造成非常大的人员伤亡以及巨大的经济损失。那么,怎么样才能降低或抑制这样的事故发生,我们需要通过对土石坝进行安全可靠的安全评价分析来实现降低或抑制事故发生。 
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1.2 国内外研究现状 
目前对于土石坝工程安全综合评价还没有一个统一的定义。通常所谓的安全评价是指分析和评估一个工作系统所具有的潜在的或固有的危险及其严重程度,揭示安全水平和系统薄弱环节,采用概率值、既定指数或等级作出定量表示,然后根据定量值的大小分析其安全性并采取相应的措施及对策。鉴于评价对象的复杂性,目前还没有通用的评价方法对各个系统进行安全评价,往往是对需要评价的对象分析其潜在的及固有的危险,探究其影响因素,再根据安全标准进行分级,从而采取相应措施来预防和消除危险[5],所以建立一个全面而合理的安全评价体系是必要和急迫的。上世纪的 50~60 年代,在全世界的范围引发了强烈反响的法国已修建马尔巴塞(Malpasset)坝以及意大利已修建瓦依昂 Vajont 坝发生的接二连三的事故,使得人们不得不清楚地认识到对大坝进行安全检测并对其安全性进行评价的重要意义。自第 3 届国际大坝会议开始,每次会议都会针对土石坝的安全问题进行讨论分析,这足以说明委员会在土石坝的安全这一问题上的重视程度。例:在 2009 年的第 23 届会议上安排讨论的关于“大坝安全管理”问题,和在 2012 年的第 24 届会议上专门进行讨论的“水库大坝事故的近期案例分析研究”[6]。 Tung[7]等综合考虑水文与水力条件不确定性,分静态和动态两种情况,提出堤防漫顶风险模型;Duckstein[8]等基于蒙特卡罗法分析交汇河段防洪堤漫顶失事问题;USACE(美国陆军工程师团)通过采用相对风险指数对大坝的安全进行判断[9]。美国的土木工程学会其下属水文委员会就提出只考虑洪水本身的一种不确定性的一整套水文评价程序,用于水库的防洪安全设计,这个程序忽略了水工建筑物本身泄流能力的一种不确定性[10]。Leach  等通过研究各个单项目标对风险的敏感程度,从中分析得到对风险进行分割的研究方法。A.Afshar,M.A.Marino 提出了将风险分析方法引入到溢洪道的设计上,从而达到其最优的泄流能力。加拿大 BC Hydro[11][12][13],是世界上首个在大坝的安全管理中应用了概率的风险分析方法,之后很多的国家对其做法进行了借鉴。关于大坝的风险评估导则由澳大利亚的大坝安全委员会(ANCOLD)[14]制定出来;2003  年,ANCOLD  基于原来的导则,进一步分析研究,对大坝的风险评估导则又进行了修订。
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2 土石坝工程安全综合评价指标体系 
 
2.1 本章概述 
土石坝工程的安全关系着人民的生命财产,对于社会的稳定和经济持续发展意义重大。我国现有的土石坝项目存在严重的隐患。因为在土石坝的修建时期由于缺乏资料,大多工程属于“三边”工程。因此,对土石坝工程的安全做出评估是刻不容缓的。但是,影响土石坝安全因素众多,且具有多样性、随机性等,给土石坝工程造成了一定的困难,使人们很难对土石坝安全的状况做出客观、全面的评价;由于受到现有监测技术的限制,目前我国土石坝安全评价工作的进行主要还是根据隐患探测和安全检查,没有建立成熟的土石坝工程安全综合评价理论体系。因此,土石坝工程的安全评价是多层次多因素的具有系统性的工程问题,需要对影响土石坝安全的因素惊醒合理的分析来构建土石坝综合评价体系。 至此,本章针对土石坝工程特点,分析影响土石坝安全的因素,并且对土石坝失事的模式进行了研究;与此同时,开展土石坝工程安全综合评价体系的构建,对土石坝工程中典型的体系来进行分析和阐述。 
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2.2 影响土石坝安全的因素分析 
土石坝工程的安全受众多因素的影响,不仅有内在的因素而且有外在的因素,既有人为的因素又有自然的因素,基于土石坝工程溃坝的类型,对影响土石坝工程安全的因素进行了分析。根据历史溃坝资料的统计可以知道,溃坝的类型有很多,按照土石坝破坏的内部机制和成因可分为三种:洪水漫顶、渗透破坏、坝体失稳。洪水漫顶的原因可能是因为大坝设计高度不够、洪水过大。溢洪道堵塞等;渗透破坏的原因可能是因为坝身或坝基产生管涌、流土破坏;坝体失稳的原因可能是由于滑坡、地震、地基不均匀沉降等原因造成的。本章从洪水漫顶、坝体失稳、渗透破坏以及复合破坏模式来分析影响土石坝安全的因素[32]。所谓洪水漫顶主要是指洪水从坝顶漫出的现状,对于洪水漫顶的形成原因根据历史失事资料可归结为:坝顶的设计高度不够、泄洪能力不足、超标的洪水、调洪调蓄不合理。其中坝顶高度的不足主要是由于设计洪水标准不够以及坝体或者坝基的沉降;泄洪能力的不足主要是由于起初设计些泄洪的能力不够,现状溢洪道堵塞,以及闸门损坏等状态;超标洪水主要是由于降雨强度过大及地面的径流量;调洪蓄洪导致漫顶原因由于大坝管理不当,调度方案不合理以及汛前蓄水等因素。漫顶对土石坝而言,因其破坏性极大,需要及时的进行加高或提高防洪标准,以排除安全隐患。洪水漫顶的结构图见下图 2-1: 
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3 土石坝安全评价方法 ..........13 
3.1 本章概述 ....13 
3.2 突变评价法 ............14 
3.2.1 基本原理 ........14 
3.2.2 突变评价法特点 ............14 
3.2.3 状态变量选取准则 ..........15 
3.2.4 算法基本步骤 ....16 
3.3 突变评价法的改进 ......16
3.4 工程实例分析 ..........19 
3.5 本章小结 ....24 
4 土石坝失事风险评价方法 ......25 
4.1 本章概述 ....25 
4.2 模糊故障树评价法 ......25 
4.3 工程实例分析 ..........36
4.4 本章小结 ....41 
5 病险水库的除险加固及效果研究 ..........43
5.1 本章概述 ....43 5.2 除险加固设计 ..........43 
5.3 基于除险加固效果的量化评价 ......47 
5.4 除险加固的效应评价 ....48 
5.5 工程实例分析 ..........51 
5.6 本章小结 ....52 
 
5 病险水库的除险加固及效果研究 
 
5.1 本章概述 
本章首先根据前两章的分析,对病险土石坝做出了除险加固设计。然后,根据设计方案对病险水库除险加固前后效果进行对比分析,首先通过量化分析对病险水库除险加固的程度做出评价,其次借助生命质量指数从经济角度对除险加固做出评价,为以后的其他工程进行除险加固的设计和评价提供了依据。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)和《防洪标准》(GB50201—94),水库属小(1)型水库,水库枢纽工程等别为Ⅳ等,永久建筑物级别:主要的建筑物为 4 级、次要的建筑物为 5 级,临时的建筑物级别为 5 级。根据水库库容及所处位置,确定该水库的设计的洪水标准为 30 年一遇;校核洪水标准为 300 年一遇。大坝总长 131m,溢洪道布置在大坝左岸长 162m,分为引水渠段、控制段、泄槽段、开挖疏通段,由于溢洪道地层为石英砂岩不设消能设施,疏通斜卧式输水洞位于上游大坝右岸处。根据土石坝薄弱环节的分析提出加固措施为:对坝基采用帷幕灌浆。 坝基结合槽渗漏处采用帷幕灌浆,灌浆孔设一排,孔间距 2m,沿坝顶中心线布置;灌浆范围为坝顶桩号 0+051.5~0+083.5,灌浆布孔长度为 32m。帷幕共设灌浆孔 17 个,孔径 5~10cm,造孔总进尺 485m,封孔长度 380m,  灌浆深度 105m。帷幕灌浆分三序孔施灌,灌浆材料全部采用水泥浆,灌浆前,应先进行灌浆试验,以确定各灌浆参数。 帷幕灌浆范围为穿过级配不良砾,向上伸入坝体填筑土 2m,向下伸入坝基 3m,要求灌浆后透水率不大于 5Lu。 
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总结 
 
土石坝工程由于影响其安全的因素众多且具有随机性和多样性,以及长时间运行在复杂多样的环境中。因此,对土石坝工程安全的研究越来越受到人们的重视。目前对土石坝工程安全的研究多集中在单一的模式下,并且多是对某几个因素进行分析,没有考虑各因素之间的联系,综合安全评价研究较少,同时对病险水库除险加固后的效果也没有相对完整的评价。本文运用多种评价方法,结合相关理论知识对某土石坝进行了安全评价以及失事风险研究,同时根据研究分析结果对该土石坝进行了除险加固设计,最后对除险加固方案做出了科学的评价。本文主要研究内容如下所述:  
(1)在对影响土石坝工程安全因素的分析的基础上,构建了土石坝工程失事模式结构图如洪水漫顶、失稳破坏、渗透破坏、复合破坏;介绍了构建土石坝工程安全评价指标体系的基本原则;同时,本文针对《水库大坝安全评价导则》不能对大坝安全的风险程度作出判断进行了改进,制定了土石坝指标的五级划分标准。 
(2)对于传统的综合评价方法。首先要人为的对权重做出判断,以至于评价结果受主观人为因素影响过大。本文对土石坝安全的评价采用了一种无需确定权重的突变评价法,并且针对突变评价法评价结果过于集中这一特点进行了改进,研究出了改进后的突变评价法,使评价结果更符合客观实际。 
(3)从工程风险观念的角度出发,首先对故障树方法的基本原理进行了介绍,利用层次分析法及解模糊数来确定底层评价指标的的模糊概率,借助模糊故障树法对土石坝工程失事概率进行了分析研究,同时利用模糊重心法对个因素的重要度做出判断,分析出薄弱环节。 
(4)从加固的程度以及合理投资的角度对病险水库除险加固方案进行评价,对除险加固效果进行了量化处理,同时将生命质量指数这一指标应用到土石坝除险加固方案决策中,研究构建了基于生命质量指数的除险加固方案评价模型,为制定后续方案提供一定的参考。 
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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