中文摘要 桃曲坡水庫(kù)漫壩風(fēng)險(xiǎn)研究 學(xué)科專(zhuān)業(yè)：水利工程 研究生：杜小洲 指導(dǎo)教師：黃強(qiáng) 洪小康 教授 簽名 簽名 教授級(jí)高工簽名： 摘要 我國(guó)已建成近9 萬(wàn)座水庫(kù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮了巨大的作用。但是，有近1 3 的水庫(kù)處于病險(xiǎn)狀 態(tài)，水庫(kù)防洪與興利矛盾十分突出。因此，研究水庫(kù)漫壩風(fēng)險(xiǎn)對(duì)水庫(kù)防洪安全具有重要的理論意義和 生產(chǎn)實(shí)用價(jià)值。 本論文研究運(yùn)用漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析理論和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合桃曲坡病險(xiǎn)水庫(kù)險(xiǎn)情加固工程，考慮影 響漫壩的洪水、風(fēng)浪、庫(kù)容、泄水能力四方面的不確定性因素，建立了桃曲坡水庫(kù)大壩在洪水與風(fēng)浪 聯(lián)合作用下的漫壩風(fēng)險(xiǎn)模型，并編制相應(yīng)的電算程序；采用了“風(fēng)險(xiǎn)是情感”理論和新經(jīng)濟(jì)學(xué)中的“前 景理論”，指出了大壩安全風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的確定要特別重視人們對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知情感，并提出了大壩安全風(fēng)險(xiǎn) 標(biāo)準(zhǔn)確定應(yīng)遵循的原則和確定程序。通過(guò)以上理論對(duì)桃曲坡水庫(kù)漫壩安全做出評(píng)價(jià)，在擬定的水庫(kù)防 洪調(diào)度方案基礎(chǔ)下，計(jì)算了大壩在洪水與風(fēng)浪聯(lián)合作用下的漫壩風(fēng)險(xiǎn)及安全可靠度，其結(jié)果表明，漫 壩風(fēng)險(xiǎn)值均小于漫壩安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，大壩是安全的。研究成果可為水庫(kù)管理部門(mén)提供科學(xué)依據(jù)，并為 充分發(fā)揮桃曲坡水庫(kù)的防洪興利效益提供技術(shù)支撐。 關(guān)鍵詞：桃曲坡水庫(kù)；漫壩風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)險(xiǎn)分析；風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)：可靠度 英文摘要 d a mo v e r t o p p i n gr i s k a n a l y s i sl nt a o q u p o r e s e r v o i r s u b j e c t ：h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g a u t h o r ：x i a o z h o ud u s u p e r v i s o r ：p r o f q i a n gh u a n g p r o f x i a o k a n gh o n g d a t e ：2 ： 二蘭! ! a b s t r a c t s i g s i g s i g n a t u r e ： t od a t e ，9 0t h o u s a n do fr e s e r v o i r sh a v eb e e nb u i l ti no u rc o u n t r y , a n dt h e yh a v ep l a y e di m p o r t a n tr o l e i nt h en a t i o n a le c o n o m y h o w e v e r , 1 3o ft h er e s e r v o i r sa r ei nd a n g e r t h er e s e r v o i ro v e rt o p p i n gr i s k m s e a r c hi so fg r e a tt h e o r ym e a n i n ga n dp r o d u c t i o np r a c t i c ef o rf l o o dc o n t r o ls a f e t y t h eo v e r t o p p i n gr i s ka n a l y s i st h e o r ya n dr i s ke s t i m a t e s t a n d a r di sa p p l i e di nt h i sp a p e r t h e o v e r t o p p i n g r i s km o d e li nt h eu n i t e de f f e c to ff l o o da n dw a v ei se s t a b l i s h e dc o m b i n e dw i t ht h er e i n f o r c e m e n t p r o j e c tf o rt a o q u p o r e s e r v o i r t h ef l o o d 、w a v e 、s t o r a g ea n dd i s c h a r g ec a p a c i t ya r ei n t e g r a t i o nc o n s i d e r e d i nt h em o d e l a n dt h ec o m p u t e rp r o c e d u r ei se s t a b l i s h e d t h e “r i s k - a s f e e l i n g t h e o r ya n d “p r o s p e c tt h e o r y i nn e we c o n o m i c sw e r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i ti s p o i n t e do u tt h a tp e o p l es h o u l da t t a c he n o u 曲 i m p o r t a n c et ot h ep e r c e i v e df e e l i n gt or i s k t h ed e t e r m i n a t i o np r o c e d u r ea n dp r i n c i p l eo fd a ms a f e t yr i s k s t a n d a r dw e r ep r e s e n t e d i nt h i sp a p e r t h eo v e r t o p p i n gr i s ko ft a o q u p o - r e s e r v o i ri se s t i m a t e do nt h e t h e o r i e sa b o v e a n dt h eo v e r t o p p i n gr i s ka n ds a f e t yr e l i a b i l i t yb a s e do nt h ep l a n n e df l o o dc o n t r o lo p e r a t i o n s c h e m eu n d e rt h eu n i t e de f f e c ti sc a l c u l a t e d t h ev a l u eo fo v e r t o p p i n gr i s ki sl e s st h a nt h es t a n d a r dv a l u e i t i n d i c a t e st h a tt h ed a mi ss a f e t h es t u d yr e s u l t sp r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h er e s e r v o i ra d m i n i s t r a t i o n a g e n c y , a n dt h et e c h n i c a ls u p p o r to fe x e r t i n gt h ef l o o dc o n t r o la n du s e f u ls t o r a g eo ft a o q u p o r e s e r v o i r s u f f i c i e n t l y k e y w o r d ：t a o q u p o r e s e r v o i r ；o v e rt o p p i n gr i s k ；r i s ka n a l y s i s ；r i s ks t a n d a r d ；r e l i a b i l i t y 獨(dú)創(chuàng)性聲明 秉承祖國(guó)優(yōu)良道德傳統(tǒng)和學(xué)校的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)鄭重申明：本人所呈交的學(xué)位論文是我 個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除特別加以標(biāo)注和致謝 的地方外，論文中不包含其他人的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本文所研究的工 作和成果的任何貢獻(xiàn)均已在論文q _ l 作了明確的說(shuō)明并已致謝。 本論文及其相關(guān)資料若有不實(shí)之處，由本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任 ，論文儲(chǔ)虢魂盛葉p 睜印月日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本人琵寸：竹在導(dǎo)師的指導(dǎo)下創(chuàng)作完成畢業(yè)論文。本人已通過(guò)論文的答辯， 并已經(jīng)在西安理工大學(xué)申請(qǐng)博士碩士學(xué)位。本人作為學(xué)位論文著作權(quán)擁有者，同意 授權(quán)西安理工大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：1 ) 已獲學(xué)位的研究生按學(xué)校規(guī)定 提交印刷版和電子版學(xué)位論文，學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印或其他復(fù)制手段保存研究生 上交的學(xué)位論文，可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索；2 ) 為 教學(xué)和科研目的，學(xué)?？梢詫⒐_(kāi)的學(xué)位論文或解密后的學(xué)位論文作為資料在圖書(shū)館、 資料室等場(chǎng)所或在校園網(wǎng)上供校內(nèi)師生閱讀、瀏覽。 本人學(xué)位論文全部或部分內(nèi)容的公布( 包括刊登) 授權(quán)話安理工大學(xué)研究生部辦 理。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后，適用本授權(quán)說(shuō)明) 論文作者簽名2 在堅(jiān)靠師簽名弛。p 年c ? 月曰 1 緒論 l 緒論 1 1 研究的目的和意義 由于客觀世界的復(fù)雜性和人類(lèi)認(rèn)識(shí)的局限性，人類(lèi)活動(dòng)和決策都不可避免地伴隨著不 確定性的影響，因而不可避免地存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。水利工程建設(shè)和運(yùn)行管理也不例外，特 別是近代水利工程建設(shè)己不再是僅求安全與經(jīng)濟(jì)的平衡，而是安全、經(jīng)濟(jì)和風(fēng)險(xiǎn)三者的統(tǒng) 一。因此對(duì)水利工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析或評(píng)估是十分必要的。 建國(guó)以來(lái)，我國(guó)己建成大中小型水庫(kù)8 6 萬(wàn)座，總庫(kù)容達(dá)4 5 0 0 多萬(wàn)億m 3 ，水庫(kù)數(shù)量 居世界之首。這些水庫(kù)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)中具有重要地位，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。而水庫(kù)大壩一旦失事，又將給 國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)不可估量的損失。例如1 9 7 5 年河南板橋土壩失事，淹沒(méi) 農(nóng)田1 1 3 3 萬(wàn)公頃，受災(zāi)人口1 1 9 0 萬(wàn)人，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。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)大壩進(jìn)行安全鑒定，是根據(jù)工程有關(guān)觀測(cè)資料、現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)結(jié)果及 現(xiàn)場(chǎng)檢查進(jìn)行，鑒定結(jié)果沒(méi)有考慮影響大壩的各種因素的不確定性。大壩設(shè)計(jì)及運(yùn)行的安 全可靠性信賴于大壩承受外部荷載的能力，而作用于大壩上的荷載和抗力均為隨機(jī)量，導(dǎo) 致大壩存在失事風(fēng)險(xiǎn)。以風(fēng)險(xiǎn)分析來(lái)對(duì)大壩失事風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究是非常合理的，因大壩失事 的各影響因素都具有隨機(jī)性，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析理論能較好地考慮這種不確定性，用概率論定 量計(jì)算大壩的失事風(fēng)險(xiǎn)，來(lái)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。但傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析，以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的知 識(shí)僅考慮了不確定性中的隨機(jī)性，而在不確定性中還包含有模糊性，由于大壩系統(tǒng)的復(fù)雜 性，許多輸入輸出關(guān)系在現(xiàn)實(shí)識(shí)別中只能表達(dá)為模糊關(guān)系，且從數(shù)據(jù)的采集到得出計(jì)算結(jié) 果，整個(gè)過(guò)程存在著大量模糊性。絕對(duì)的“非此即彼 不能準(zhǔn)確地描述大壩系統(tǒng)的客觀現(xiàn) 實(shí)，存在著“亦此亦彼”的模型現(xiàn)象，不能用1 真或0 假兩值邏輯來(lái)刻畫(huà)，而需用區(qū)間 o ， 1 的多值( 或連續(xù)值) 邏輯來(lái)表達(dá)而模糊數(shù)學(xué)理論正是適用于系統(tǒng)的這種不確定性，用隸屬 函數(shù)來(lái)描述邊界不清的過(guò)渡問(wèn)題及受多因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)的非確定性問(wèn)題。因而在進(jìn)行 大壩風(fēng)險(xiǎn)研究時(shí)，必須同時(shí)考慮各因素隨機(jī)性和模糊性，進(jìn)行大壩模糊風(fēng)險(xiǎn)分析。模糊風(fēng) 險(xiǎn)分析就是用模糊系統(tǒng)的觀點(diǎn)與模糊集的理論方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。 據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，目前世界上約1 3 的大壩失事因洪水漫壩造成的，我國(guó)從5 0 年代到9 0 年代，洪水漫壩失事的大壩共有1 1 4 7 座，約占同期大壩失事總數(shù)的4 6 6 ，國(guó)外因大壩 滑坡和塌方造成垮壩占垮壩總數(shù)的1 4 2 ，國(guó)內(nèi)因大壩滑坡和塌方造成垮壩占垮壩總數(shù)的 3 8 0 。以上資料說(shuō)明，漫壩與壩體失穩(wěn)是大壩失事的兩個(gè)最重要原因。而在大壩失事事 故中，土石壩所占比例競(jìng)高達(dá)7 0 5 ，且由于歷史原因，我國(guó)己建大壩中9 0 以上為土石 壩，且多數(shù)己達(dá)到或即將達(dá)到其正常使用年限，因而研究土壩漫壩失事和壩體失穩(wěn)模糊風(fēng) 險(xiǎn)顯得十分重要。 未來(lái)2 0 年，是我國(guó)大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的黃金時(shí)期，防洪工程體系建設(shè)在我國(guó)的治 西安理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 水方略中，仍將占據(jù)主導(dǎo)的地位。我國(guó)已建成的防洪工程體系還不完善，從全面協(xié)調(diào)可持 發(fā)展角度，人們對(duì)防洪工程體系的合理布局、科學(xué)調(diào)度運(yùn)用的要求大為提高，同時(shí)對(duì)新的 補(bǔ)償風(fēng)險(xiǎn)、更為可靠的分擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的模式呼聲高漲。防洪減災(zāi)戰(zhàn)略的調(diào)整和洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的 推進(jìn)，需要新理論和新技術(shù)的支撐，伴隨著的一系列新問(wèn)題也需要解決，例如現(xiàn)有的防洪 工程體系實(shí)際防護(hù)能力該如何評(píng)價(jià)；如何在新形勢(shì)下通過(guò)調(diào)度、運(yùn)行等方式發(fā)揮現(xiàn)有水利 工程的效益；未來(lái)系統(tǒng)防洪標(biāo)準(zhǔn)該如何制定；以及在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，如何規(guī)劃、設(shè)計(jì)、 建造有利于人與自然間良性互動(dòng)的工程體系等。這些問(wèn)題是在洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的框架下提出 的，建立在風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上。 桃曲坡水庫(kù)位于石川河支流沮河下游，在耀州城區(qū)以北1 5 公里的馬咀山峽谷。西支 沮水發(fā)源于耀縣橫嶺與長(zhǎng)蛇嶼一帶，流長(zhǎng)7 7 公里，流域面積8 3 0 平方公里。1 9 9 9 年元月 水庫(kù)開(kāi)始引用涇河支流馬欄河水，馬欄河流域面積5 0 5 平方公里，故水庫(kù)引水面積總計(jì) 1 3 3 5 平方公里。 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，桃曲坡水庫(kù)灌區(qū)水資源分配日益緊張。為此，水庫(kù)迫切希望盡 可能多地利用洪水資源來(lái)多蓄水，而又擔(dān)心多蓄水帶來(lái)的漫壩風(fēng)險(xiǎn)，這實(shí)際上體現(xiàn)了防洪 與興利的矛盾，須予以妥善解決。為此須進(jìn)行漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析與安全評(píng)價(jià)。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在二十世紀(jì)七十年代以前，安全分析只是建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，風(fēng)險(xiǎn)分析基本上還沒(méi) 有人聽(tīng)說(shuō)過(guò)人們對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的了解還只是認(rèn)為“風(fēng)險(xiǎn)管理 就是買(mǎi)保險(xiǎn)，“風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 就是對(duì) 財(cái)政支出額的模糊評(píng)判。后來(lái)由于幾場(chǎng)不幸的災(zāi)害，加上一些洲議會(huì)的大力宣揚(yáng)，以及新 聞媒介的職業(yè)興趣，“風(fēng)險(xiǎn)分析 的觀念逐漸進(jìn)入人們的意識(shí)當(dāng)中，人們開(kāi)始思考，我們 可以忍受的災(zāi)害的概率是多少，人生命的價(jià)值有多大等問(wèn)題。1 9 8 0 年，美國(guó)風(fēng)險(xiǎn)分析協(xié) 會(huì)成立，立即成為不同學(xué)術(shù)團(tuán)體交流思想的焦點(diǎn)論壇，后來(lái)又相繼成立了許多風(fēng)險(xiǎn)分析協(xié) 會(huì)的分支機(jī)構(gòu)，其中比較有代表性的有風(fēng)險(xiǎn)分析協(xié)會(huì)歐洲分會(huì)，它于1 9 8 8 年1 1 月在奧地 利成立，雖然這次成立大會(huì)吸引的仍然是以社會(huì)科學(xué)家和政策分析家為主流人群，只有少 數(shù)工程師、醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)家，毒品學(xué)家等，但是很明顯的是，大家都達(dá)成一個(gè)共識(shí)，多學(xué)科 方法在風(fēng)險(xiǎn)分析領(lǐng)域越來(lái)越重要，1 9 9 2 年歐共體形成共同歐洲市場(chǎng)，更是需要把風(fēng)險(xiǎn)分 析和安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，歐洲風(fēng)險(xiǎn)分析得到進(jìn)一步發(fā)展。相對(duì)歐洲和一些發(fā)達(dá)國(guó)家而言，風(fēng) 險(xiǎn)分析在亞洲，特別是發(fā)展中國(guó)家因其政治、經(jīng)濟(jì)等原因開(kāi)展較晚，直到八十年代，定量 的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在發(fā)展中國(guó)家?guī)缀醪淮嬖凇?風(fēng)險(xiǎn)分析和可靠性分析是從正反兩個(gè)方面去研究問(wèn)題，單從概率角度看，它們存在互 補(bǔ)關(guān)系。 風(fēng)險(xiǎn)分析是研究系統(tǒng)在定條件下完成其預(yù)定功能所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，包括確定系統(tǒng)的失 事概率和失事后果：而可靠性分析是研究系統(tǒng)在一定條件下完成其預(yù)定功能的能力，即確 定系統(tǒng)的可靠度?？煽啃缘难芯靠梢宰匪鞯降谝淮问澜绱髴?zhàn)以后，當(dāng)時(shí)由于空中交通和空 中失事增加，需要制訂飛機(jī)性能的可靠性和必要的安全規(guī)范。早期的可靠性數(shù)學(xué)模型的發(fā) 2厶 l 緒論 展是第二次世界大戰(zhàn)期間在德國(guó)開(kāi)始的，應(yīng)用于v 一1 導(dǎo)彈發(fā)射成功率的研究。五十年代， 美國(guó)成立了專(zhuān)門(mén)研究機(jī)構(gòu)，開(kāi)展對(duì)宇航、核領(lǐng)域、電子系統(tǒng)的可靠度研究。六十年代出現(xiàn) 了新的可靠性技術(shù)，更廣泛地用于各種專(zhuān)門(mén)用途。隨后，可靠性研究方興未艾，應(yīng)用日益 廣泛，可靠性分析己成為人類(lèi)生產(chǎn)實(shí)踐的一個(gè)重要組成部分。 土木結(jié)構(gòu)方面的可靠性研究始于五十年代初，在初創(chuàng)時(shí)期，美國(guó)的a m f r e a d e n t h a t 和前蘇聯(lián)學(xué)者斯特列律茨基、爾然尼采等做出了較大的貢獻(xiàn)，并在a m f r e a d e n t h a t 的倡 議下于一九六九年在華盛頓召開(kāi)了第一屆國(guó)際結(jié)構(gòu)安全性和可靠性會(huì)議，隨后又連續(xù)召開(kāi) 了幾次會(huì)議。需要指出的是：關(guān)于一次二階矩( 包括可靠性指標(biāo)的概念) 一整套分析理論和 方法的主要成就是c a c o r n e l1 ，a h - s a n g ，n c l i n d ，r r a c k w i t z 和a n s h i n o z u k u 等人所作的貢獻(xiàn)。 水利工程方面的風(fēng)險(xiǎn)研究晚于結(jié)構(gòu)可靠性研究。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，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。但在借鑒結(jié)構(gòu)可靠性研究成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)許多研究員的努力，水利工程防洪 研究取得了明顯的進(jìn)展。在此領(lǐng)域中做出重要貢獻(xiàn)的有：a h s a n g ，w o n d e f ，y e nb e n c h i e ，m a y s l w ，c a c o r n e i l ，r r a c k i n t a ，w h t a n g 等。在1 9 8 9 年國(guó)際水利學(xué)協(xié)會(huì) 大會(huì)和討論會(huì)上，這個(gè)問(wèn)題成為與會(huì)者頗為關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。1 9 9 1 年召開(kāi)的國(guó)際水利學(xué) 研究協(xié)會(huì)大會(huì)上還專(zhuān)門(mén)召開(kāi)關(guān)于可靠性和風(fēng)險(xiǎn)分析討論會(huì)，極大地促進(jìn)了這一領(lǐng)域的研究j 發(fā)展。 國(guó)內(nèi)開(kāi)展水利工程程防洪風(fēng)險(xiǎn)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。水利工程防洪風(fēng)險(xiǎn)研究包括：抗力和作用的隨機(jī)性研究。洪水、風(fēng)浪的隨機(jī)分布規(guī) 律和分布參數(shù)的研究，p m f 值的估算及其對(duì)應(yīng)的重現(xiàn)期研究，泄流能力及其影響因素的隨 機(jī)性研究，庫(kù)容不確定性研究：風(fēng)險(xiǎn)模型與估算方法研究。風(fēng)險(xiǎn)模型的建立、風(fēng)險(xiǎn)的計(jì) 算方法和數(shù)值計(jì)算手段：靈敏度分析。即各種因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響程度的分析：風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的 研究。確定恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，使其既能被社會(huì)公眾所接受又具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，含投資 一效益一風(fēng)險(xiǎn)分析，社會(huì)公眾心理調(diào)查、政策研究等：系統(tǒng)分析和事故樹(shù)分析研究。將 系統(tǒng)理論、事故樹(shù)分析手段應(yīng)用于水利工程系統(tǒng)之中，分析其結(jié)構(gòu)、組織，使總風(fēng)險(xiǎn)分解 成單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，不重疊、不遺漏。 關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)分析，國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究成果簡(jiǎn)述如下： a 國(guó)際方面 1 9 6 9 年o t t op f a s t e t t e 在論述溢洪道設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題時(shí)，提出大壩失事風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)由大 壩失事概率和失事后果來(lái)研究。 1 9 7 1 年y e nb e nc h i e 和a n ga h s 論述了風(fēng)險(xiǎn)分析方法，把不確定性劃分為主觀不 確定性和客觀不確定性，提出了在缺乏資料時(shí)處理不確定性的方法。 1 9 7 2 年w il w o n 、h t a n g 和y e nb e nc h i e 首次提出了綜合風(fēng)險(xiǎn)的概念，即同時(shí)考慮 3 西安理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 洪水及泄流不確定性，計(jì)算了排水涵洞的風(fēng)險(xiǎn)，雖然在計(jì)算過(guò)程中采用了簡(jiǎn)化手段，但在 方法論上卻向前邁進(jìn)了重要的一步。 1 9 7 3 年美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)組織的工作委員會(huì)重估了己建大壩的泄流能力，并提出 了風(fēng)險(xiǎn)費(fèi)的概念，在該委員會(huì)提交的報(bào)告中認(rèn)為確定泄流能力應(yīng)取風(fēng)險(xiǎn)費(fèi)用與年費(fèi)用之和 為最小時(shí)的泄流能力。該報(bào)告只考慮了經(jīng)濟(jì)因素和水文因素的不確定性來(lái)確定泄流能力。 而實(shí)際上，泄流能力的確定應(yīng)綜合考慮政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)等方面的因素。 1 9 7 6 年r a c k w i t z 首次把一次二階矩法應(yīng)用于防洪風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算，1 9 7 7 年c i r i a 報(bào)告對(duì) 該方法作了詳細(xì)的介紹。 1 9 7 7 年w o o d ，e f 計(jì)算了由洪水引起的堤防漫頂風(fēng)險(xiǎn)。 1 9 7 9 年f e f a h l b u s c h 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。 1 9 8 0 年和1 9 8 3 年，y e o n k o n g t u n g 、l a r r y w m a y 和h a n l i nj e e 先后提出了考慮洪 水重復(fù)發(fā)生的情況的“動(dòng)態(tài)”風(fēng)險(xiǎn)模型，首次把洪水看成是時(shí)間序列的“動(dòng)態(tài)”分布過(guò)程。 1 9 8 2 年s t c h e n g 、b c y e n 和w h t a n g 在考慮了水文、水力兩方面的不確定性情 況卜，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。 1 9 8 4 年h a i m e s y y 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、社會(huì)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，這是首次把風(fēng)險(xiǎn)分析理論應(yīng)用于水資源系統(tǒng)中去。 1 9 8 7 年l e a c h 、m r 等研究了各單目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的靈敏性，提出了處理各單目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)方法， 即分割風(fēng)險(xiǎn)的方法與界限。 1 9 8 8 年y y h a m i e s 、r p e t r a k i a n 、p 一0 k a r l s s s o n 、j m i t s i o p o u l o s 運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)分 割方法，研究了有關(guān)大壩失事的小概率后果嚴(yán)重事件的概率。此外還對(duì)洪水頻率的外推 進(jìn)行了細(xì)致的分析，提出超過(guò)1 0 0 年一遇的洪水并不全部滿足p - m 分布。 1 9 9 0 年a a f s h a r 、m a m a r i n o 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。 1 9 9 2 年5 月，在中國(guó)臺(tái)北召開(kāi)的第六屆國(guó)際隨機(jī)水力學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)上，e j p l a t e 作了題為“水力學(xué)中的隨機(jī)設(shè)計(jì)：更為廣泛應(yīng)用的概念 的主旨報(bào)告，b e nc h i ey e n 作了 題為“水力學(xué)中的隨機(jī)考慮的應(yīng)邀報(bào)告：g m e o n 發(fā)表了題為“大壩洪水漫頂?shù)母怕省钡?論文 1 9 9 5 年s a l m o n g m 和h a r t f o r d ，d n d 提出了大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的要點(diǎn)，指出了風(fēng) 險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)提供的成果，對(duì)公眾可接受的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。但沒(méi)有指出進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí) 不確定性因素的處理方法和失事概論的計(jì)算方法。 1 9 9 6 年s a l m o n g m 和h a r t f o r d ，d n d 在回顧了傳統(tǒng)的大壩安全分類(lèi)方法一增長(zhǎng)危 險(xiǎn)分類(lèi)法的基礎(chǔ)上，著重介紹了加拿大的大壩安全準(zhǔn)則和b c h y d r o 公司的容許風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn) 及其風(fēng)險(xiǎn)分析過(guò)程，并以此論述了風(fēng)險(xiǎn)在大壩安全監(jiān)測(cè)和管理中的作用。 4 1 緒論 1 9 9 7 年m a r t i n w ，m c c a n n ，j r 總結(jié)了大壩安全風(fēng)險(xiǎn)分析的歷史，闡述了大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng) 估在過(guò)去十多年里由熱變冷再由冷變熱的過(guò)程及這些變化發(fā)生的原因。對(duì)不確定性進(jìn)行了 定義。最后指出了目前在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域存在的問(wèn)題，即： ( 1 ) 缺乏經(jīng)驗(yàn)。 ( 2 ) 缺乏完成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的工程基礎(chǔ)或指導(dǎo)。 ( 3 ) 急需進(jìn)行大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)。 ( 4 ) 預(yù)測(cè)失效概率方面的困難。 ( 5 ) 指定風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)( 包括公眾風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)) 。 b 國(guó)內(nèi)方面 1 9 8 8 年，郭子中、徐祖信分析了開(kāi)敞式溢洪道水力設(shè)計(jì)中的各種不確定性，提出了 開(kāi)敞式溢洪道泄洪風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算模型，首次將結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算中廣泛采用的j c 法用于泄洪 風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算。 1 9 8 9 年，朱元蛀分析了長(zhǎng)江南京段設(shè)計(jì)洪水位的變化情況，最后用風(fēng)險(xiǎn)分析方法合 理地確定設(shè)計(jì)水位。 1 9 9 1 年3 月，陳肇和、李其軍研究了針對(duì)水文系列的土壩漫壩風(fēng)險(xiǎn)：其后，于1 9 9 1 年1 0 月，姜樹(shù)海研究了針對(duì)單場(chǎng)設(shè)計(jì)洪水的泄洪風(fēng)險(xiǎn)。 1 9 9 1 年1 2 月，吳世偉在討論風(fēng)險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)損失和風(fēng)險(xiǎn)水準(zhǔn)等等概念的基礎(chǔ)上，研究了 水工結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)分析的概率計(jì)算方法和風(fēng)險(xiǎn)損失的估算方法，較詳細(xì)地給出國(guó)際大壩安全委 員會(huì)對(duì)己建壩失效概率的統(tǒng)計(jì)成果。 1 9 9 4 年3 月，姜樹(shù)海將隨機(jī)微分方程運(yùn)用于水庫(kù)的調(diào)洪演算，該方程能正確地反映 各種不確定性因素對(duì)庫(kù)水位過(guò)程的影響，使防洪風(fēng)險(xiǎn)分析建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上。 1 9 9 5 年3 月，馮平、紀(jì)恩福、盧永蘭等探討了水庫(kù)下游保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水災(zāi)害淹沒(méi)損失 的計(jì)算方法。 1 9 9 6 年，楊百銀、陳風(fēng)蘭進(jìn)行了水庫(kù)泄洪布置方案的風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)泄洪風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算中 的j c 法與m c 法進(jìn)行了分析比較。 1 9 9 7 年4 月，謝崇寶、袁宏源、郭元裕等針對(duì)實(shí)際水庫(kù)，考慮防洪庫(kù)容的滯洪削峰 作用，研究了水庫(kù)防洪全面風(fēng)險(xiǎn)率模型的應(yīng)用問(wèn)題。 1 9 9 8 年5 月，趙永軍，馮平等把水文風(fēng)險(xiǎn)與水流風(fēng)險(xiǎn)分開(kāi)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)理論給出一種 考慮水流風(fēng)險(xiǎn)因子的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，探討了河道防洪堤壩僅因水流參數(shù)出現(xiàn)偏差而失事的 概率。 1 9 9 9 年2 月，周宜紅、肖煥雄等通過(guò)對(duì)三峽工程大江截流施工過(guò)程中水文、水力等 不確定性因素的分析，提示了施工截流的風(fēng)險(xiǎn)本質(zhì)，計(jì)算動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)率，并提出了風(fēng)險(xiǎn)控制 的措施。 1 9 9 9 年3 月，章志強(qiáng)、王卓甫、楊高升等對(duì)影響長(zhǎng)江南京段防洪堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不確定 性作了初步分析，提出了防洪堤工程失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，具體計(jì)算了長(zhǎng)江南京段防 西安理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 洪堤工程失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的大小。 1 9 9 9 年5 月，姜樹(shù)海分析了防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)涵及其對(duì)大壩防洪安全的影響，采用 事故樹(shù)分析方法逐層順序討論了漫壩失事的形成，最后定量給出相應(yīng)的防洪風(fēng)險(xiǎn)率，并在 此基礎(chǔ)上討論了合理選擇大壩防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的原則和方法。 2 0 0 1 年2 月，徐玉英、王本德將改進(jìn)一次二階矩a f o s m 法應(yīng)用于水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)子系 統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析中。對(duì)水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)做了定義和描述，并以柴河水庫(kù)為例，對(duì) 風(fēng)險(xiǎn)率進(jìn)行了定量計(jì)算。 2 0 0 1 年3 月，左其亭、吳澤寧運(yùn)用模糊概率、風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算方法，從定量的角度對(duì) 帶有模糊性的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了模糊風(fēng)險(xiǎn)率、模糊風(fēng)險(xiǎn)度的概念及計(jì)算模型， 并應(yīng)用于洪水風(fēng)險(xiǎn)分析實(shí)踐中，是對(duì)現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)分析方法難以處理模糊性的有益補(bǔ)充。 2 0 0 1 年3 月，劉俊萍、田峰巍、黃強(qiáng)在水庫(kù)洪水調(diào)度中運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)分析方法分析影響 泄洪風(fēng)險(xiǎn)的不確定性因素，給出了隨機(jī)變量的分布函數(shù)與參數(shù)。結(jié)合實(shí)例，計(jì)算了水庫(kù)洪 水最優(yōu)放水過(guò)程對(duì)下游防護(hù)對(duì)象造成的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)率。 2 0 0 1 年3 月，史世平、郝福良利用水文隨機(jī)模擬方法生成年徑流的長(zhǎng)系列，以年徑 流軟劃分聚類(lèi)方法確定其月分配，得到月徑流系列。根據(jù)生成的月徑流系列分析從庫(kù)內(nèi)內(nèi) ( k u n e n e ) 河的供水風(fēng)險(xiǎn)，可提高風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果的可靠性。 2 0 0 1 年7 月，傅湘、王麗萍、紀(jì)昌明以極值統(tǒng)計(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，研究了該方法在洪 災(zāi)損失風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算中的適用性。在已知有限的極值事件概率信息卜，確定極值風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)以評(píng) 估大洪水引起的洪災(zāi)損失期望值，揭示洪災(zāi)損失的潛在風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)，并通過(guò)實(shí)例研究驗(yàn)證該 方法的可行性。 1 3 研究的主要內(nèi)容及技術(shù)路線 運(yùn)用漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析理論和安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮影響漫壩的洪水、風(fēng)浪、庫(kù)容、泄 水能力四方面的不確定性，建立桃曲坡水庫(kù)大壩在洪水系列與風(fēng)浪系列聯(lián)合作用下的漫壩 風(fēng)險(xiǎn)模型，編制相應(yīng)的電算程序，計(jì)算在水庫(kù)擬定的防洪調(diào)度方案下，大壩對(duì)抗洪水系列 與風(fēng)浪系列聯(lián)合作用下的漫壩風(fēng)險(xiǎn)及安全可靠度，從而對(duì)桃曲坡水庫(kù)漫壩安全做出評(píng)價(jià)。 在確保大壩的漫壩安全可靠度高達(dá)9 9 9 9 9 以上的前提下，恰到好處地優(yōu)選汛限水位，使 防洪與興利達(dá)到最佳的結(jié)合，充分利用灌區(qū)寶貴的水資源。 6 2 漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析的基本理論、模型及計(jì)算方法 2 漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析的基本理論、模型及計(jì)算方法 2 1 基本概念 2 1 1 風(fēng)險(xiǎn)的定義與表示方法 a 風(fēng)險(xiǎn)的定義 雖然風(fēng)險(xiǎn)研究已經(jīng)過(guò)了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，但畢竟是一個(gè)新興的領(lǐng)域，它的各種概 念、定義、術(shù)語(yǔ)在不斷發(fā)展和完善之中。貝葉斯框架下的風(fēng)險(xiǎn)被定義為由一個(gè)精確定義 的失事事件所引起的期望損失，而按隨機(jī)水文學(xué)的觀點(diǎn)，它是一個(gè)失事事件發(fā)生的概率。 目前一般認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該包括三方面的內(nèi)容： ( 1 ) 可能會(huì)發(fā)生什么事故( 事故類(lèi)型) ? ( 2 ) 發(fā)生該事故的可能性有多大( 概率) ? ( 3 ) 發(fā)生該事故的后果如何? 我國(guó)開(kāi)展的風(fēng)險(xiǎn)研究中，更多的關(guān)注的是事故概率，而沒(méi)有包括事故的后果，這種 定義其實(shí)只包含了風(fēng)險(xiǎn)的前兩個(gè)方面，會(huì)發(fā)生什么事故及其發(fā)生事故的概率是多少。 b 風(fēng)險(xiǎn)的表示方法 ( 1 ) 生命死亡的人數(shù)； ( 2 ) 經(jīng)濟(jì)的損失； ( 3 ) 生態(tài)環(huán)境破壞的瞬損失； ( 4 ) 潛在的損失。 2 1 2 抗力與荷載 抗力是指研究對(duì)象抵抗破壞或失事的能力。荷載是指作用于研究對(duì)象之上并使研究對(duì) 象產(chǎn)生內(nèi)力、位移甚至破壞或失事的動(dòng)力，有“直接作用”與“間接作用”之分。抗力與 荷載是兩個(gè)抽象化的概念，對(duì)于不同的研究對(duì)象，不同的失事形式，抗力與荷載所代表的 物理含義是不同的。對(duì)洪水漫壩風(fēng)險(xiǎn)研究而言，荷載是指洪水與汛期有效風(fēng)浪，而抗力則 有庫(kù)容與水庫(kù)擁有的各種型式的泄水建筑物的泄水能力。而在某些結(jié)構(gòu)分析中，荷載則是 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力、位移等，而抗力則為構(gòu)件的極限內(nèi)力、極限強(qiáng)度、剛度以及抗滑力、抗 傾力矩等。 2 1 3 系統(tǒng)與失事 系統(tǒng)是指由若干個(gè)既可以相互區(qū)別又相互聯(lián)系的部分所組成并處于同一外部環(huán)境之 中，又為實(shí)現(xiàn)同一個(gè)或若干個(gè)目標(biāo)而存在的有機(jī)體。例如，水庫(kù)整體就是一個(gè)系統(tǒng)。失事 是正常系統(tǒng)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)喪失其設(shè)計(jì)功能的事件。復(fù)雜系統(tǒng)的失事可呈多種形式，每一 形式的失事又有程度的不同，例如，漫壩、潰決。系統(tǒng)的失事域就是各種不同形式、不同 程度失事事件組成的整體。 7 西安理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 2 1 4 漫壩與漫壩風(fēng)險(xiǎn) 漫壩是指壩前水位超過(guò)壩頂以致水流漫過(guò)壩頂溢流而下。設(shè)乃是壩頂高程，z ( ，) 代 表壩前水位，則漫壩失事條件為z ( t ) z c ( 這里，乏和z ( t ) 單位相同，且具有相同的基 準(zhǔn)面) 。 漫壩風(fēng)險(xiǎn)是指在某一研究時(shí)段t ( _ 般取為1 年) 內(nèi)，在規(guī)定的工作條件( 設(shè)計(jì)工作 條件) 下，發(fā)生漫壩失事的概率，即 r ( d = 尸( z ( f ) z c ) o 0 ( 2 - 2 ) 由此可以給出一定洪水重現(xiàn)期和建筑物設(shè)計(jì)規(guī)模條件下，發(fā)生漫壩事件的幾率p f ： p i = p j 【h d 】- 1 f ( z ) d z ( 2 - 3 ) 式中，f ( z ) 為洪水超高z 的概率密度函數(shù)。 若確定了h 和d 的概型及相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)，即可確定廠( z ) ，進(jìn)而求得一定洪水 重現(xiàn)期條件下的漫壩風(fēng)險(xiǎn)率p ，。因此，對(duì)壩頂高程d 和壩前水位h 不確定性的定量和分 析，是正確評(píng)估p ，的關(guān)鍵。 壩頂高程d 的不確定性一般較易分析，基本認(rèn)為它服從正態(tài)分布，其均值“d 可取設(shè) 計(jì)給定的壩頂高程，標(biāo)準(zhǔn)差仃。相對(duì)較小，計(jì)算中可視工程情況而定。 壩前水位h 的不確定性是與水庫(kù)調(diào)洪過(guò)程的隨機(jī)性聯(lián)系著的。一些重要的隨機(jī)不確 定性因素如：入庫(kù)洪水流量過(guò)程，泄洪建筑物的泄流能力、防洪庫(kù)容和防洪調(diào)度運(yùn)行規(guī) 則等，都影響著h 。因此，h 必然是具有某種分布的隨機(jī)函數(shù)。 南京水科院根據(jù)調(diào)洪過(guò)程中水庫(kù)洪量具有w i e n e r 過(guò)程特性的分析，將入庫(kù)洪水過(guò)程 q ( t ) 的水文條件( 包括洪峰、洪量和洪水過(guò)程線) 、出庫(kù)泄洪過(guò)程q ( h ，m ) 的水力條件、 庫(kù)容和水位關(guān)系w ( h ) 的邊界條件、防洪起調(diào)水位h ( t o ) 的初始條件( 受水庫(kù)調(diào)節(jié)性能 的影響) 等的隨機(jī)性，全都引入調(diào)洪演算的過(guò)程，建立了一隨機(jī)微分方程以求解壩頂高 程h 的隨機(jī)性2 1 。對(duì)這一非線性的隨機(jī)微分方程，可通過(guò)簡(jiǎn)化的f o k k e r p l a n c k 方程， 求解得整個(gè)調(diào)洪過(guò)程不同時(shí)刻的庫(kù)水位概率密度f(wàn) ( h ，t ) 和相應(yīng)的u h ( t ) ，c r h ( t ) 這一隨機(jī) 數(shù)學(xué)模型，使得h ( t ) 隨機(jī)性的模擬和分析具有較高的可信度，克服了傳統(tǒng)調(diào)洪演算方法 對(duì)h ( t ) 的隨機(jī)性難以定量的問(wèn)題。 然而，這一方法要求的資料較多，計(jì)算工作量很大，在進(jìn)行p ，一般性評(píng)估時(shí)，可考 8 2 漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析的基本理論、模型及計(jì)算方法 慮采用簡(jiǎn)化算法，即認(rèn)為d 和h 符合正態(tài)分布。根據(jù)文獻(xiàn) 水庫(kù)調(diào)洪演算的隨機(jī)數(shù)學(xué)模型 一姜樹(shù)海 如1 這一認(rèn)定應(yīng)可成立。這樣，得到( 2 - 4 ) 的簡(jiǎn)化算式： p e = ( 1 一盧) j 叫一考告) q 川 od ，o 圩 式中，( ) 為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)：1 3 為可靠指標(biāo)：k i d 和u 。分別為壩頂高程和壩前最高 水位的均值：仃。和仃分別為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。其中，仃胃可看作 h m n 一日m 面 西一廠( 2 - 5 ) h m a x n i t 3 式中，h 眥。為最高壩前水位的可能最大值。通常在調(diào)洪演算中，取最大的入流洪水過(guò) 程q ( t ) ，最小的泄流能力過(guò)程q ( h ，1 1 1 ) 、最小的調(diào)洪庫(kù)容w ( h ) 和最不利的調(diào)洪運(yùn)行方式， 以求得該值。心；。和u 。分別為最高壩前水位的可能最小值和均值。 這樣，在事故樹(shù)洪水事件的每一概率區(qū)間，選擇代表性的洪水流量及其過(guò)程，進(jìn)行調(diào) 洪演算，求得概率分布及相應(yīng)的u 。、口。，進(jìn)而根據(jù)式( 2 4 ) 或式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 計(jì)算確定每 一分支上的p ，( q ) 。 一 很顯然，在1 年的運(yùn)行期中洪水漫壩事故的概率p f 。應(yīng)為各分支洪水出現(xiàn)頻率f ( q ) 和p ，( q ) 乘積的和，即 p f i = 【f ( q ) p j ( q ) d 9 ( 2 6 ) 事故樹(shù)計(jì)算的順序結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2 1 。 b 洪水漫頂失事概率推求 洪水位超越壩頂高程，但不一定會(huì)發(fā)生失事事故，這是因?yàn)閴误w的工程和管理狀況， 決定著大壩對(duì)洪水超越事件z 常有一定的承受能力?；炷翂?、背水坡面保護(hù)較好的土石 壩都可允許小單寬流量的壩面溢流。在稀遇洪水來(lái)臨時(shí)，采取搶險(xiǎn)加固等措施，也可免除 可能發(fā)生的洪水失事事故。 這樣，就需要拓寬前述的隨機(jī)防洪風(fēng)險(xiǎn)模型，將事故樹(shù)的分支進(jìn)一步延伸，考慮模 糊因素的影響，以更全面、合理的反映大壩的防洪風(fēng)險(xiǎn)率6 1 。 9 西安理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 洪水漫頂 圖2 - 1 洪水漫壩失事 f i g2 - 1a c c i d e n to ff l o o do v e r t o p p i n g 洪水漫壩事件z 與漫壩失事事件a 是相關(guān)而不相同的，其界限是模糊的。顯然，z 愈 大，a 的可能性愈大。通常，對(duì)這兩者的關(guān)系可采用升半正態(tài)的模糊隸屬函數(shù)來(lái)描述： 啡) ：j e - k ( z 屹y o z 式中，z 為超高臨界限值；即不導(dǎo)致a 的最大允許z 值；k 為系數(shù)；常取k = 2 。隸屬度函 數(shù)既體現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)、管理人員的主觀意識(shí)對(duì)a 的判定和信度，又是客觀可能性的一種量 度，受客觀可能性的制約。 根據(jù)模糊事件概率的概率計(jì)算方法，對(duì)式( 2 - 4 ) 修正，得出一定洪水頻率下的隨機(jī)模 糊風(fēng)險(xiǎn)率： 一 力= i 。u a ( z ) f ( z ) d z ( 2 - 8 ) 對(duì)z 服從正態(tài)分布n ( u ：，仃：) 的情況，并以式( 2 8 ) 確定u a ( z ) ，則有： 咖撕去p 一等出f l - k ( z - z ) 去p 一( 2 - 9 ) 這樣，就實(shí)現(xiàn)了事故樹(shù)向最終失效事件的延伸。式( 2 9 ) 或式( 2 - 1 0 ) 計(jì)算的只是漫壩 事故概率p f 和失事事故隸屬函數(shù)u 盹，的乘積。 延伸后的最終大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)率p f ?？蓪?xiě)為： p f , = 【f ( q ) p ) ( q ) d q ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 考慮了漫壩失事的邏輯過(guò)程，兼顧了隨機(jī)性和模糊性的影響，較為真實(shí)的反映了 l o 2 漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析的基本理論、模型及計(jì)算方法 實(shí)際的大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)率。 2 1 5 風(fēng)險(xiǎn)分析方法 根據(jù)研究對(duì)象和側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行劃分，水庫(kù)防洪安全風(fēng)險(xiǎn)分析可區(qū)分為規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的風(fēng) 險(xiǎn)分析和運(yùn)行管理階段的風(fēng)險(xiǎn)決策。規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)分析側(cè)重于研究擬建或?qū)⒁ǔ?的水工建筑物和設(shè)計(jì)方案的可靠性或風(fēng)險(xiǎn)，解決的途徑是在經(jīng)濟(jì)性( 貨幣指標(biāo)、實(shí)物指標(biāo)) 和將要承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)之間權(quán)衡決策，研究的“事件 都是稀遇的小概率事件，水庫(kù)泄洪和漫 壩風(fēng)險(xiǎn)分析即歸于此類(lèi)。 水庫(kù)防洪安全風(fēng)險(xiǎn)研究方法，基本上都是先分析不確定性影響因子的概率分布，再采 用適當(dāng)?shù)姆椒ㄗR(shí)別分布函數(shù)的參數(shù)，進(jìn)而推求防洪風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)率。防洪安全風(fēng)險(xiǎn)率的 估算方法均出自于常規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)，結(jié)合于水庫(kù)防洪事件的特點(diǎn)加以整合而成，本身 并沒(méi)有獨(dú)有的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)。常規(guī)( 基本) 的風(fēng)險(xiǎn)分析方法概括起來(lái)主要有四種，即直接 積分法，統(tǒng)計(jì)參數(shù)解析法，結(jié)構(gòu)可靠度方法，隨機(jī)模擬法( m c 法) ，各方法有特定的適 用條件。 ( 1 ) 直接積分法 直接積分法理論概念明確，在研究隨機(jī)變量因素個(gè)數(shù)較少尚可應(yīng)用，但如果影響因素 較多，就難以找出影響因素的聯(lián)合概率密度函數(shù)或相關(guān)關(guān)系，即使能找到，也因?yàn)楦怕拭?度函數(shù)的復(fù)雜而難以求得分布的解析解或數(shù)值解。所以，直接積分法在使用時(shí)限制很多。 ( 2 ) 統(tǒng)計(jì)參數(shù)解析法 統(tǒng)計(jì)參數(shù)解析法的基本思路是，依據(jù)多元隨機(jī)變量的有關(guān)理論，由影響防洪安全的各 風(fēng)險(xiǎn)變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)( 均值、方差) 來(lái)推求防洪安全指標(biāo)( 期望值、方差) 。該方法對(duì)風(fēng) 險(xiǎn)變量的表達(dá)形式?jīng)]有任何要求，即無(wú)論以離散型的數(shù)據(jù)給出，還是以連續(xù)型的分布給出 均可。因此，這種方法具有廣闊的適用范圍。由于客觀情況和人們認(rèn)識(shí)的局限，有時(shí)難以 依據(jù)客觀估計(jì)的方法給出風(fēng)險(xiǎn)變量的概率分布，但根據(jù)搜集到的信息，能夠比較準(zhǔn)確地估 計(jì)各風(fēng)險(xiǎn)變量的特征值( 如最大值、最小值、最可能值) ，并概化為一些簡(jiǎn)單的分布( 如 三角形分布、梯形分布、均勻分布等) ，這種分布雖然不符合實(shí)際，但由它計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)變量 的統(tǒng)計(jì)參數(shù)還是具有一定精度的，根據(jù)影響因素的多少及變化特性，通?？捎谜龖B(tài)分布， 分段正態(tài)分布、p i l l 型分布等來(lái)描述，依據(jù)計(jì)算出的期望值、方差以及通過(guò)確定的線型， 即可求出某一評(píng)價(jià)指標(biāo)與其實(shí)現(xiàn)的累積概率的關(guān)系曲線，進(jìn)一步計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)。 統(tǒng)計(jì)參數(shù)解析法的優(yōu)點(diǎn)是不需要風(fēng)險(xiǎn)變量客觀真實(shí)的分布，可以避免因分布的不真實(shí) 而造成的誤差傳遞，這種方法為有效地利用主觀估計(jì)的數(shù)據(jù)創(chuàng)造了條件，反過(guò)來(lái)也為廣泛 地利用、推廣這種方法奠定了可行的基礎(chǔ)。 ( 3 ) 結(jié)構(gòu)可靠度方法 結(jié)構(gòu)可靠度方法包括一次二階矩法( f o s m ) 、改進(jìn)的一次二階矩法( a f o s m ) 和j c 法。 j c 法由f o s m 和a f o s m 發(fā)展而來(lái)，適用于隨機(jī)變量為任意分布的情況，克服了 l l 西安理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 f o s m 和a f o s m 只適用于正態(tài)分布的不足。f o s m 在將功能函數(shù)用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)時(shí)，線 性化點(diǎn)取在均值點(diǎn)，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)可能因?yàn)檫x擇不同形式的等價(jià)裕量方程而結(jié)果相差很大，因 而誤差很大。a f o s m 則針對(duì)f o s m 這種缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，將線性化點(diǎn)選在臨界失事面，避 免了f o s m 的問(wèn)題。f o s m 和。a f o s m 法都假設(shè)隨機(jī)變量相互獨(dú)立且服從正態(tài)分布，而 為了適用計(jì)算其它非正態(tài)分布隨機(jī)變量導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，拉格維茨一菲斯萊( r a c k w i t z f i e s s l e r ) 等人又在a f o s m 法的基礎(chǔ)上，加入了當(dāng)量正態(tài)化公式，使其應(yīng)用范圍大大增加，這種方 法被國(guó)際結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會(huì)( j o i n tc o m m i t t e eo ns t r u c t u r a ls a f e t y ，簡(jiǎn)稱(chēng)j c s s ) 所采 用，故又被廣泛稱(chēng)為j c 法。j c 法雖解決了非正態(tài)分布問(wèn)題，但仍只適用隨機(jī)變量是相互 獨(dú)立的情況，因而也有一定限制。 ( 4 ) 蒙特卡洛隨機(jī)模擬法( m c 法) m c 法則不需要考慮隨機(jī)變量之間復(fù)雜的影響機(jī)制。它的基本思路是將影響防洪安全 風(fēng)險(xiǎn)因素的隨機(jī)變量依各自的分布分別進(jìn)行隨機(jī)取樣，然后用各變量的隨機(jī)值來(lái)計(jì)算防洪 安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，這樣，對(duì)每個(gè)變量隨機(jī)地取一次樣就可以計(jì)算出防洪安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的一個(gè) 隨機(jī)值，經(jīng)過(guò)大量的重復(fù)試驗(yàn)，即可得出防洪安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的頻率分布，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可 得出風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。m c 法的優(yōu)點(diǎn)在其它方法都不能適用時(shí)，它總可以得出結(jié)果，缺點(diǎn)是計(jì)算 量大，且每次結(jié)果都不一樣，常用來(lái)和其它方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，以判斷其它方法結(jié)果 的合理性。在一定的精度要求下，m c 法仍不失為一種有效的求解風(fēng)險(xiǎn)方法。 除了上述四種基本方法，還有一些與上述方法類(lèi)似的或經(jīng)過(guò)拓展的方法，例如點(diǎn)估計(jì) 方法( p e ) 、拉丁超幾何體取樣統(tǒng)計(jì)法( l h ) ，重點(diǎn)取樣法( s c ) 等，y a n q i n gl i a n ( 2 0 0 3 ) 。 k a yd t h o m p s o n 等( 1 9 9 8 ) ) 討論了大壩失事概率和財(cái)產(chǎn)、生命損失評(píng)估不同方法的效率， 這些方法分別是簡(jiǎn)單蒙特卡洛取樣法、拉丁超幾何體取樣法、重點(diǎn)取樣法和解析分層蒙 特卡洛法，分析結(jié)果表明重點(diǎn)取樣法和解析分層蒙特卡洛法是評(píng)估大壩失事風(fēng)險(xiǎn)十分有 潛力的兩種方法6 1 。 水庫(kù)防洪安全的事故是指，由于洪水過(guò)大致使工程不能完成其預(yù)定功能的事件。荷載 是入庫(kù)洪水；水庫(kù)的最高洪水位加上風(fēng)浪爬高或溢洪道最大出流量代表荷載效應(yīng)；壩頂高 程或溢洪道泄流能力則代表承載能力。基本的風(fēng)險(xiǎn)方法僅針對(duì)荷載效應(yīng)和承載能力之間的 關(guān)系進(jìn)行求解，因此，防洪安全風(fēng)險(xiǎn)分析需要建立洪水荷載與荷載效應(yīng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系， 以反映荷載的隨機(jī)變化對(duì)荷載效應(yīng)的影響。根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系不同，防洪安全率估算方法分為 隨機(jī)微分方程方法和隨機(jī)水文學(xué)模擬方法。 隨機(jī)微分方程法是姜樹(shù)海提出的一種求解水庫(kù)防洪安全風(fēng)險(xiǎn)和河道行洪風(fēng)險(xiǎn)率的新 模型方法，該方法在確定的水庫(kù)調(diào)洪演算和河道洪水演進(jìn)方程中引入隨機(jī)的思想，建立水 庫(kù)調(diào)洪演算和河道洪水演進(jìn)的隨機(jī)微分方程模型，通過(guò)對(duì)該模型的求解，可得到不同時(shí)刻 或不同斷面的水位隨機(jī)分布概率密度函數(shù)值，進(jìn)一步可求得水庫(kù)防洪安全風(fēng)險(xiǎn)率或河道行 洪風(fēng)險(xiǎn)率1 7 1 。隨機(jī)微分方程方法的優(yōu)點(diǎn)是能考慮多種風(fēng)險(xiǎn)因素，并能反映調(diào)洪全過(guò)程的水 位離散情況，計(jì)算量相對(duì)不大，但也存在著不足，例如該模型假定水庫(kù)蓄水量圍繞其均值 1 2 2 漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析的基本理論、模型及計(jì)算方法 過(guò)程線作隨機(jī)游走，其概率密度服從正態(tài)分布，這種假設(shè)未經(jīng)過(guò)證明。 以梅亞?wèn)|、熊明“】d 1 為代表的學(xué)者提出了防洪安全風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算全面隨機(jī)模擬方法。 該模型方法通過(guò)全面表征水庫(kù)實(shí)測(cè)入庫(kù)洪水統(tǒng)計(jì)特性的大容量年最大洪水過(guò)程的生成和 調(diào)洪演算