钱塘江海塘风险分析和安全评估的研究（可编辑）

钱塘江海塘风险分析和安全评估的研究（可编辑） 钱塘江海塘风险分析和安全评估的研究 浙江大学工学博士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 摘要 摘 要 海塘,亦称海堤,是浙江省对修筑于沿海或用以抵御洪潮水的堤防的特定称 谓。风险分析和安全评估是海塘工程中一个有难度而富有挑战性的重要研究领 域。本文以钱塘江下沙海塘及其保护区为主要研究对象,在系统分析和总结国内 外研究现状及发展趋势的基础上,对钱塘江海塘出现的历史险情、海塘破堤原因、 破口宽度和溢流堰顶高程,钱塘江水位持续抬升的原因、变异点发生的时间、闸 口、仓前站的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 水位,海塘洪潮水越顶安全性、海塘整体稳定安全性、海 塘渗透稳定安全性、海塘安全评估,海塘破堤后洪泛区灾情、海塘失效经济风险, 以及以洪前冲淤、抛石固脚为主要内容的海塘加固技术等方面进行了比较深入的 研究和探讨,做到了理论研究与工程实践紧密结合,既评估了下沙海塘的安全性 又分析了下沙海塘失效风险,为海塘风险分析和安全评估提供了方法体系。 本文 的主要研究成果有: 提出了钱塘江海塘的主要失效模式。钱塘江海塘以越顶、整体失稳和 渗透失稳三种破堤形式为主;标准海塘修筑前的年号台风破堤调查资料 分析表明,海塘破堤破口宽度服从对数正态分布,破口宽度超越的概率为 .%。标准海塘的修筑较大程度上改善了海塘抵御洪潮水的能力,海塘一 旦发生破堤,破口宽度可控制在以内。 分析了钱塘江高水位持续抬高的原因、水位系列发生变异的年份,建 立了海塘越顶安全性分析模型。自世纪年代以来,钱塘江河口开展的大规 模治江围涂、上游建库是钱塘江河口高水位持续抬升的内因,水情条件是钱塘江 发生高水位的外因;运用信息熵理论,通过构造水位变异的比较序列的差异信息 相对测度诊断表明,年、年为水位序列的变异点;仓前站原%设计水 位.,仅相当于现状的%标准,客观上降低了下沙海塘越顶安全性,采用 法分析下沙海塘发生越顶的概率为,,敏感性分析表明,钱塘江河口 水情、工情条件改变而引起的外江水位特征改变,是钱塘江河口海塘发生越顶的 最主要因素。 结合钱塘江河床冲淤变幅大的特点,首次引入塘前滩地高程作为随机 变量,建立了海塘整体稳定安全性分析模型。当塘前滩地高程均值为.、标 准差为.时,下沙海塘整体稳定可靠指标为.,失效概率为.ב; 敏感性分析表明,对海塘整体稳定性影响最主要的是塘前滩地高程均值、方差和 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究摘要 浙江大学工学博士学位论文 土体摩擦角均值三个变量。 建立了不透水地基均质土坝渗透稳定计算模型,采用.法 进行抗渗可靠性分析。下沙海塘抗渗可靠度为.;敏感性分析表明,抗渗比 降均值、变异系数和外江高水位均值是影响海塘渗透稳定可靠性的主要因素。 海塘系统破坏事故树为串联系统。当事件与的功能函数为线性时, 条件概率/可采用以下 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 进行计算:/:一兰于鱼坦:下沙 一仃’ 海塘失效主要受渗透失稳概率所控制,系统失效概率区间范围较小,失效概率可 近似取为.%。 采用系列计算软件包中的一维非恒定流河网模型进行破堤后洪 泛区灾情分析。结果表明,下沙海塘一旦发生破堤,洪泛区成灾面积可控制在 .以下。以杭州市为例,统计分析了历史水灾经济损失与单位面积、 成灾面积的相关关系,计算了下沙海塘失效经济风险为.万元。 利用,预测模型、一维动床数学模型,从水沙比角度,分析计 算了不同河道长度放水冲淤的效果,提出了钱塘江应选择洪水前的小潮汛进行大 流量短历时冲刷,此时,水沙比为~。利用粒子在水中运动的运动学原理 和.法,建立了船抛块石随机模型,该模型能够细致模拟船抛块石水 下分布形态,是一种强有力的工具。 本文的研究工作得到了浙江省科技厅科研院所重点研发项目的资助,是浙江 省科技厅科研院所重点研发项目“堤防风险分析和安全评价系统研究”项目 批 准号:的组成部分。 关键词:钱塘江河口;海塘;安全评估:风险分析;越顶;整体失稳;渗透失稳 信息熵;差异信息相对测度;法;水位特征;塘前滩地高程;不透水地基; .法;抗渗比降;事故树;条件概率;成灾面积;水沙比;船抛块石 .?. 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究浙江大学工学博士学位 论文 ” .垂 .. .: , , 曲 , ,,,, . 船: ,, , ., .%. . . 曲 ,. ,.. 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究咖吐昕江大学工学博士学位论 文曲 . , 曲 , 出 . 曲 .% . % ..~,.,..~, .,... ,. ? . ., . 【曲 . /。滓姜塑 、『一仃 . .%.. , .?. 王卫标;钱塘江海塘风险分析和安全评估研究浙江大学工学博士学位 论文 竹 . , , ., . . .? . .. . ‘ ” . : , , ,, , ,, ,? , 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究 。.浙江大学工学博士学位论文 第章绪论 第章绪论 【摘要:本章详细地阐述了钱塘江海塘风险分析和安全评估研究的意义及国内夕研究现状 并简述了作者拟开展的主要研究内容。 关键词:河口;海塘:安全评估;风险分析;钱塘江 .课题研究背景及意义 钱塘江?是浙江省的最大河流,流域面积达,占全省面积. 万的/强。钱塘江素以江潮险峻闻名于世,杭州湾湾内潮波从东海由东南 向西北经湾口传入湾内,上溯到湾顶,继而影响到钱塘江河口,至富春江电站坝 址断面。钱塘江分为三段:富春江电站至萧山闻家堰的富春江段为河口河流段, 以径流作用为主;闻家堰至澉浦为河口近海段,受径流、湖汐的影响都较大;澉 浦以下河口潮流段称为杭州湾,主要受潮汐影响。对钱塘江河口影响较大的 控制 性工程主要有新安江水库和富春江电站。新安江水库建成于年,集水面积 为,总库容为.亿.,为多年调节水库:富春江电站为其反调节 水库,坝址以上集水面积为虹。总库容为.亿,属日调节水库。 从富春江电站到澉浦长的钱塘江河口,承接上游.万的流域来 水,区间汇入分水、浦阳、曹娥等支流,感潮河段流域面积为.万;钱塘 江河江道宽度自上而下从变化到.,平均放宽率为.:从闻家堰 向下游,河床呈倒坡向下游抬升,形成口内沙坎,其顶点在仓前附近,倒坡平 均 坡降约为.%,坎顶至乍浦顺坡坡降平均约为.‰,沙坎顺水流方向绵延约 余;钱塘江河口河床为分选性良好的细粉沙,中值粒径为.~.; 河槽极度宽浅,低潮时水深仅为~,宽涤比高达~,与黄河下游相近, 为游荡型河道,历史上主槽最大摆幅达几至几十。钱塘江河口又为冲积 性很强的河口,在潮流和径流共同作用下,易冲易淤。呈现“冬冲夏淤、洪冲 湖 淤”的自然特性,历史上河床冲淤变幅最大达几到十几;随着季节变化,及 上游径流与下游潮流消长不同,闸口至盐宫吴淞以下河床容积常以此指标 衡量钱塘江河口江道情势,以下简称为江道容积从,~.亿大幅度变化。 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究第章绪论 浙江大学工学博士学位论立 图.钱塘江水位测站分布图 曼 黜 枉匿 坞挖儿 磐 嚣 图.钱塘江沙坎形态图 在“缩窄江道、减少进潮量、加大山潮水比值”的钱塘江河口治理思想指导下, 世纪年代以来,钱塘江河口开展了大规模的治江围涂,南北两岸累计围涂 .万亩,加上杭州湾围涂工程,围涂面积合计达万多亩。至世纪年 代海宁八堡以上河段按规划治导线基本实施完成,游荡型江道基本得到控制。目 前,正在实施的尖山河段治理格局也已初步形成。结合大规模围涂的钱塘江河口 整治活动,客观上有效地控制了江道摆动、为浙江省经济社会发展提供了宝贵的 土地资源,但同时缩窄了江道,减少了过水断面面积,加强了潮波反射,再加上 上游新安江和富春江建库控制了下泄流量,增加了河口的萎缩趋势,必然引起钱 塘江河口洪潮水特性的调整,进而影响到海塘的安全性和“灾烈度”口】的变化。 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究浙江大学工学博士学位论文 第章绪论 钱塘江流域发生较大洪潮灾害的频次有不断增加的趋势。据统计,从公 元年到年的。多年间,钱塘江流域发生较大洪潮灾害达次,平 均每年发生一次;而在~年年间发生险情并出现危急局面的就达 次之多,平均每两年发生一次。同时,近年来钱塘江洪湖水位有不断增 高的趋势。如闸口站,近年来历年最高水位超过警戒水位.每年的次 数不断增加,特别是自世纪年代以来,闸口站年最高水位超过警戒水位的 次数几乎每年增加一倍,详见表.。 表.闸口站不同年代超警戒水位出现的频次 图.钱塘江海塘典型断面图 标准海塘的建设客观上增加了钱塘江海塘的安全性,但其设计方法仍存在局 限性。随着围涂工程的逐步实施,钱塘江两岸逐步形成了数道海塘,共同保护 围 区及其后方大片土地、重要城镇的安全,特别是年钱塘江发生“”大洪 。. 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究第苹绪论 浙江大学工学博士学位论文 水后,钱塘江两岸逐步兴建了~年一遇的标准海塘,各保护区防洪潮 标准有了显著提高。钱塘江海塘主要有斜坡式和直立式两种型式,为密实塘 身土 体,普遍采用水力吹填,外江侧常采用混凝土或混凝土灌砌/浆砌块石护坡, 两者之间是石碴或碎石和无纺土工布柔性垫层,塘脚普遍采用钢筋混凝土沉 井或板桩与钢筋混凝土护坦相连的垂直防冲结构,同时,结合抛石进行水平 防护。图.为钱塘江滨江海塘的典型设计断面图。目前已完成约的海塘 建设,随着钱塘江规划治导线向下游杭州湾推进,预计还有多海塘需要 建设。 钱塘江海塘的规划、设计、施工及管理都是建立在确定性分析方法基础上, 往往强调的是海塘几何尺寸堤项高程、顶宽、坡比、堤脚高程等,以满足挡 水、抗滑和防渗要求,其局限性是显然的。就洪潮水位而言,其与流域降雨、 上游水库运行调度、下游河口围垦缩窄及潮流等水情、工情密切相关,还受钱塘 江江道冲淤状况影响,显然,是一个随机不确定量。在确定性分析中,通常根据 历史水位实测资料,结合保护区重要性,取用一定频率下的常值作为设计值,该 设计值常受样本统计年限和历史最值取舍的影响很大。而在不确定性分析中,水 位作为一个随机变量,可按历史资料确定的统计规律而变化。同样,由于受地质 钻探条件、取样数量等限制,以及在施工、高程测量等客观与主观因素的共同作 用下,土的力学参数、堤顶高程几何参数等具有~定的离散性和变异性,同样也 应作为随机变量进行计算,而在确定性分析中,则常将其处理为一个常数。 另外,钱塘江河口两岸经济社会迅猛发展,“灾敏度”不断提高。钱塘江 河口两岸区域是浙江省人口最为稠密、经济社会最为发达的地区,杭嘉湖平原和 萧绍宁平原是浙江省最重要的两大平原,是浙江省的主要产粮区,集聚了杭州、 宁波、嘉兴、绍兴、湖州等重要城市,受钱塘江海塘保护的杭州、宁波、嘉兴、 绍兴四市合计土地面积为.万,占全省总面积的.%,年总人口为 .万人,占全省总人口的%,实现国内生产总值.亿元,占全省 国内生产总值的%。而钱塘江河口两岸平原地面高程普遍比钱塘江平均高潮位 低.,上游洪水、下游潮汐以及台风等自然灾害始终威胁着两岸平原和周边 城市。图.为浙江省历年水灾灾情统计。由图.可见,解放以来浙江省水灾 受灾面积和成灾面积都呈不断增加趋势,而自年以来因水灾而死亡的人数 总体上有所下降。 为改变钱塘江河口不利的防洪潮形势,浙江省每年都投入大量的人力和 物力研究钱塘江防汛预案,而对塘前滩地高程更是加强了监测,划定了预警红线。 王卫标;钱塘江海塘风险分析和安全评估研究浙江大学工学博士学位论文 第章绪论 究其原因主要还在于浙江省最发达的城市都集聚在钱塘江和杭州湾两岸,而 国外 在这方面的普遍做法则是加强洪泛区的管理实际上是限制该地区发展, 这是我国区别于国外而普遍存在的特点。 图,浙江省水灾灾情发展趋势副卜朝 因此,开展钱塘江海塘风险分析和安全评估,充分考虑钱塘江海塘安全性既 受洪潮水共同作用,又受滩地冲淤变化、波浪作用以及土的力学参数等影响 等的具体特点,分析钱塘江海塘发生破堤的原因和概率,以及破堤后的灾情,从 而对灾害的发生、发展将起到积极的控制作用,变被动为主动,其社会效益和经 济效益是明显的。正因为如此,风险分析和安全评估正迅速成为堤防安全评价技 术方面最新的研究领域【卜‘。 .国内外研究现状 风险分析是与不确定性联系在一起的。风险与可靠性问题的研究始于世 纪~年代,主要是运用概率理论研究机器设备的维修问题,后来,风险分 析与可靠度理论不断发展完善,逐渐形成一门应用科学。目前其研究应用范围已 逐渐扩展到水利、农业、国防、化工、计算机、地质灾害评估等各领域和学科。 年美国风险分析协会成立不久就组成了一个专门委员会来研究风险的 定义。经过三四年的工作,该专门委员会列出的风险定义多达种,但各领域 对于风险的定义没有取得完全统一。世纪年代末至本世纪初,随着风险分 析理论在我国水利、农业、国防、医药卫生、计算机、地质灾害评估等各领域和 学科的广泛应用,各个领域和学科根据分析对象、目的和要求不同,都提出了各 自对风险含义的理解。朱元姓【。】根据风险的自然属性和社会属性从灾烈度和灾 敏度两个方面解析洪灾风险概念;陈新民等【’】认为黄河决口风险与堤防失效概 一一 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究第章绪论 浙江大学工学博士学位论文 率、决口淹没面积、淹没区社会经济情况和受淹对象脆弱性或易损性有关;有些 则纯粹从经济分析的角度来阐述风险的概念‘。,而更多则是与水文经验频率、 工程失效概率/可靠性相联系,提出许多诸如风险、风险率等的概念圳。。 黄崇福等针对小区域内历史灾情资料不多的特点,利用模糊数学的方法, 提出了湖南省农业自然灾害风险评估;周国红根据金融系统风险的混沌特性, 利用?模型讨论了金融系统风险产生的条件、机制以及风险控制的 具体措施;郭章林等。 】针对复杂可修工程系统,应用可靠性单元法结合网络树 对输油管道系统泵站进行可靠性分析;戴树和系统介绍了压力容器系统风险 分析方法;顾晓辉等。】针对弹药系统的特点,采用费用计算法分析反直升机智 能战斗部的风险因子;赵其华等利用事故树方法,对和平沟滑坡风险进行了 分析;朱良峰等?】利用技术对全国范围滑坡地质灾害进行风险分析;游滨 等【。】从社会、经济、人口、资源、环境角度利用权重比例综合分析了三峡库区 移民风险。另外。还有计算机系统方面的安全性研究等】。 在水利方面,世纪初即开始考虑洪水发生频率等水文方面的问题,世 纪年代初期,,和】等考虑雨水排水系统设计,建立了包 括水文风险、水流风险在内的耦合风险模型,首先介绍了风险在水利工程应用的 可行性。此后,风险分析在水利工程方面的应用逐渐推广,目前已广泛应用堤坝、 海洋结构物和岩土工程等诸多领域,内容包括水文、水流、水资源规划决策和管 理等分析,涉及防洪安全、结构设计、工程施工、洪水预报以及水资源管理等方面 ~捌。朱元蚶。结合国内外研究成果,从现代防洪理念角度阐述了风险分析 的基本概念和迸行水幂?工程风险分析的必要性;等【拼】根据挪威电力工业 协会最新制定的风险评估准则,提出了一套应用于大坝、闸门和压力钢管的风险 评估新准则;详细介绍了爱尔兰电力公司在大坝安全和风险分析方面经 验;梅亚东等提出了大坝安全可接受风险及失事概率;李典庆等‘总结了 海洋结构物风险评估方法,指出灰色系统理论应与事故树结合、风险评估方法应 注意变量敏感性研究:朱元牲、冯平等】利用中心极限定理建立了二维复合 事件风险组合模型,分析了长距离输水线路工程洪水风险;吴泽宁等将灰色 系统理论与风险分析理论相结合,提出了灰色风险率、灰色风险度的概念,分析 了河道洪水风险;姜树海建立了河道水面线的随机微分方程,进行了河道行 洪风险分析;赵永军等口 】根据河道的过流能力和洪峰流量建立了防洪堤水流风 险分析方法;王才君掣】利用日流量资料序列,建立了基于历时曲线的水文风 险分析;杨玉荣等荆用混合型分布提出了洪水风险理论;等?】利用 可能最大洪水和可能最大降水设计洪水概念计算了大坝溢洪道的水文风险;胡志 王卫标;钱塘江海塘风险分析和安全评估研究浙扛大学工学博士学位论文 第章绪论 根等【“根据入库洪水的随机性和导流洞泄流能力,分析了施工期围堰挡水风险; 杜德进等【。结合事件树分析方法,提出了丰满水电站下游流域洪灾的损失 曲线; 朱元牲【研究了吴淞江年最高潮位与太湖暴雨遭遇的概率;董胜等岬建立了水 库防洪经济效益的分布模式和风险。 在堤防风险分析方面,】从过流能力角度分析了防洪堤的越顶风险; .建立了计算越顶风险的时变模型;厅掣铷结合堤防和土木 工程提出了规划和设计的概率概念;等。】系统介绍了荷兰堤防设计、 维护和安全评估的方法和实践经验:金菊良等分析了城市防洪工程经济风险; 梁在潮等【巧】根据堤防最高防洪水位与来流水位之间的数量关系,研究了不同水 位的防洪风险:何广讷、范可旭等采用条分法按圆弧滑动分析了堤防整体 稳定可靠性及失稳风险;陈新民等【‘提出了黄河下游堤坝决口风险与发生概率、 决口淹没、决口区的经济社会条件及受灾对象的脆弱性或易损性有关的概念;李 青云等.提出了开展长江堤防风险分析和安全评价的初步思路;陈进等【“探 讨了防洪工程系统风险分析方法;李义天等【。】分析了河床历史累积淤积对长江 螺山站洪水灾害风险率的影响:李国芳等分析了长江南京段防洪堤设计水位 变化的原因,并根据水情、工情阶段性变化特点,从经验频率角度提出了南京下 关站出现不同水位的风险度;朱元数【。根据水文风险和水流风险,采用随机组 合法、通过频率组合求得长江南京段超过现行设计洪水位的风险:王卓甫等 从结构可靠度分析概念上探讨了防洪堤稳定、渗透方面风险计算模型的可行性; 吴兴征等【】对防洪堤越顶、管涌、稳定三方面可靠性设计方法作了初步探讨; 。提出基于风险的防洪堤系统设计的理念,及水文、水利、结 构和经济等相关方面所应考虑的内容。 综上所述。风险分析目前已广泛应用于水利、农业、国防、化工、计算机、 地质灾害评估等各个领域和学科。由于各个领域和学科分析对象、目的和要求不 同,对风险含义的理解有所差异,但人们对风险分析概念内涵的理解却是基本一 致的,即风险与不确定性联系在一起,风险包括三个方面的内容:一是可能发 生的事故类型,二是发生该类事故的概率,三是发生该类事故将造成的后果 。 在水利工程中,目前关于水库、大坝等的风险分析研究较多。对堤防风险分 析研究的重点主要是在水文风险、水流风险等方面,仅以经验频率意义上的水位 值、或采用单一的经济指标而没有与失效概率挂钩作为衡量风险的主要指标; 而对于堤防结构方面包括渗透失稳和整体失稳的风险分析研究处于刚刚起步 阶段,相关文献只对可靠性设计问题提出一些参考性的思路,而未对越顶、整体 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究第章绪论 浙江大学工学博二学位论文 失稳和渗透失稳等主要失效形式作出系统分析,更没有与失效后果灾情有机 结合起来,灾情分析中更没有考虑到人员死亡的价值因素;而对于受潮汐和洪水 共同作用、河床冲淤变幅大的强潮河口海塘的系统风险分析在国内外研究中则鲜 有报道。 在研究方法上,一般都采用可靠度理论和风险分析的基本方法,包括 ?及其重要抽样、加速收敛方法、均值一次二阶矩法、 改进一次阶矩法、法、二次矩法等【’泓?引。在研究随机变量影 响因素较少时可应用直接采用数值积分方法而获得解析解或数值解,实际工程中 往往由于影响因素多或难以找出随机变量的概率密度函数而一般不采用该方法; 在历史资料少的条件下,可采用信息扩散方法以获得必要的基础数据,进 行风险评估;在金融、计算机等其他领域也有采用灰色理论、混沌理论及其他方 法进行相关研究。一。。在系统风险分析方面,侯纲领、欧进萍‘’根据可靠指 标的几何概念提出了计算各失效模式相关性的理论方法;工程实际应用中, 更多采用的则是事故树网络树和专家评估方法。 本文拟开展的主要研究内容 以钱塘江下沙海塘及其保护区为主要研究对象,围绕海塘的风险分析和安全 评估这一主题,在系统分析和总结国内外风险分析研究现状、存在问题和发展趋 势的基础上,对钱塘江海塘出现的历史险情、破堤原因、破堤宽度和溢流堰顶高 程,钱塘江水位持续抬升的原因、变异点发生的时间、闸口、仓前站的设计水位, 洪潮水越顶安全性、整体稳定安全性、渗透稳定安全性,海塘失效事故树、 两事件条件概率推求,破堤后洪泛区灾情,与经济损失和人的价值因素相联系的 系统风险,以及以减淤、固脚为主要内容的海塘加固技术等方面进行研究和探讨。 图.为海塘风险分析的框架思路。 压圣谭丽嘛稠 历史灾情统计舟析财产和且 海培几种主要失事形式的 广堡堕苎叁塾壁 事故树 图海塘风险分析框架思路 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究浙江大学工学博士学位论文 第章绪论 本文的研究具有很强的工程应用背景,主要研究内容体现在以下几个方面: . 钱塘江海塘险情统计分析 钱塘江河口受洪潮水共同作用,灾害发生较为频繁。有史记载以来,钱 塘江发生较大洪、潮灾害接近次,比较典型的“”洪水和年的号 台风。本文拟从钱塘江历史险情统计分析入手,归纳分析长历时钱塘江破堤 险情、 灾情,以及破堤发生的原因;并以年号台风钱塘江南北两岸大范围出现 的破堤为典型,统计分析破口宽度概率分布特征。 . 洪潮水越顶安全性分析 年钱塘江上游新安江建库蓄水运行以来,改变了流域径流和洪水特性, 钱塘江中下游自世纪年代以来开始大规模治江围涂,改变了钱塘江潮汐特 性,因此,受洪潮水共同作用的钱塘江河口设计水位必然会随之而改变。拟 分析江道冲淤对钱塘江水位影响,以闸口、仓前两站为例,分析钱塘江年最高 水 位变化趋势,拟采用信息熵理论,构造水位变异的比较序列,分析判断钱塘江 高 水位在时间上的变异点;分析不同时段和频率的水位,并采用超定量法进行不同 设计频率水位的分析论证;以下沙海塘为例,拟采用法分析计算海塘越顶安 全性,并进行敏感性分析。 。 海塘整体稳定安全性分析 钱塘江属游荡型河道,海塘整体稳定安全性除了与地基地质、堤身填土力学 参数、水位涨落等条件有关外,还与塘前滩地高程密切相关。在以往海塘整体稳 定可靠性分析的基础上,针对钱塘江塘前滩地变化特点,拟将塘前滩地高程作为 独立的随机变量引入海塘整体稳定可靠度计算中。以简化法和均值一次 二阶矩法作为基本方法,以.优选法搜寻最危险滑动面,计算海塘整体稳定 可靠指标。对相关随机变量的进行敏感性分析。 . 海塘渗透稳定安全性分析 拟采用水力学分段计算方法,推导不透水地基土堤渗流计算表达式;引入抗 渗比降、外江高水位、内水位三个随机变量,并利用法分析下沙海 塘渗透稳定安全性,通过敏感性分析,提出影响下沙海塘抗渗可靠性的主要因素。 .海塘安全性评估 根据事故树理论,分析海塘越顶、整体失稳、渗透失稳三种失效形式与海塘 失效的逻辑关系,以两段海塘和一座水闸组成的封闭区为例,建立海塘破坏 事故 壬卫标钱塘江海塘风险分析和安全评估研究第章绪论 浙江大学工学博士学位论文 树;以两个事件、为例,通过引入条件概率服从正态分布、事件功能函数为 线性关系的假定,拟从理论上推导条件概率尸丑/的计算公式和串联系统失 效 概率与相关系数的关系;并根据下沙海塘主要失效形式的破坏概率,分析、评 估下沙海塘的失效概率。 .破堤后灾情分析 在历史灾情统计分析的基础上,分析破口宽度和溢流堰项高程;以下沙海塘 为例,拟分别选定“”洪水和“”台风暴潮作为下沙破堤外江水位过程, 拟定破口宽度分别为、和,溢流堰顶高程分别为.和., 并分别考虑外江以洪水、潮水控制两种水位过程的组计算 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,拟采用国际 通用的系列计算软件包中的一维非恒定流河网的模型进行破堤后洪泛区 灾情分析。 . 海塘系统风险分析 结合可接受风险计算方法,分析浙江省历年水灾灾情与单位面积、成 灾面积的统计规律,拟提出包括考虑人的价值因素在内的风险分析计算方 法。以 下沙海塘为例,分析不同加固措施实施后海塘失效经济风险的变化,为工程 决策 提供服务。 .海塘加固技术研究 越顶和整体失稳均是海塘发生整体失效的主要形式之一,其引起海塘破坏是 无先兆信号的,具有突发性,容易造成洪泛区内的严重灾情。钱塘江海塘发生越 项往往是由于上游山水长期偏少而引起的河口江道淤积所致,拟利用余姚陶家路 水闸闸下河道冲刷现场试验资料,采用,等预测模型,研究较短河道河床 冲刷的水沙比,进一步通过动床数学模型,分析不同放水过程对闸口至盐官全河 段河床冲利的效果,不同江道条件对各站水位的影响,提出河口海塘防越顶的减 淤措施;同时,钱塘江海塘塘前滩地高程冲淤多变,是海塘整体和局部失稳的主 要原因,船抛块石是加固海塘堤脚的有效措施,拟建立粒子在水中运动的运动学 方程,通过引入水流流速、块石重量以及块石在船体中的平面位置等随机变量, 利用法模拟抛石体水下形态,并与水槽试验成果进行对比分析,为 船抛块石工艺提供借鉴。 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究浙江大学工学博士学位论文 第章绪论 参考文献 【钱塘江志.北京;方志出版社.. 】朱元姓.基于风险分析的防洪研究河海大学学报,:. ?浙江省水旱灾情汇编~年,浙江省人民政府防汛防旱指挥 部办公室,.. 】李青云、张建民.长江堤防工程风险分析和安全评价研究初论中国软科 学,:?. ?】李青云,张建民等.关于开展长江堤防工程安全评价研究的探讨岩石力学 与工程学报,增:.. 】陈进,黄薇等.防洪工程系统风险分析方法探讨?长江科学院院报, :?. ?】跨流域长距离输水工程的风险评估.浙江大学结构工程研究所,. 【陈新民,夏佳,罗国煜.黄河下游悬河决口灾害的风险分析与评价】.水利学 报,:.. 】董胜,王腾.防洪工程项目的风险评估【.水利学报,:?. 【朱元牲,韩国宏等.南水北调中线工程交叉建筑物水毁风险分析.水文, :. ?冯平,闰大鹏等.南水北调中线总干渠防洪风险评估方法的研究】水利学 报,:.. 【一】姜树海.基于随机微分方程的河道行洪风险分析【水利水运科学研究, ,:.. 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次二阶矩法:灰色理论;风险分析 关键词:钱塘江海塘;可靠度分析; .引言 风险分析与不确定性联系在一起,是以可靠性分析为基础的。在结构可靠性 理论巾,各种影响结构安全的不确定因素都用随机变量或随机过程来描述。包含 在这些随机变量中的不确定性可以分为两类?】:客观不确定性。客观不确 定性是指与基本变量有关的不确定?眭。包括 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 力学性能的不确定性、构件尺寸 的不确定性以及制造误差、建造不完善性及焊接残余应力等引起的不确定性。这 种不确定性可以通过实物或试样的测定结果进行统计分析,找到它们的分布特 性。主观不确定性。主观不确定性是指对结构强度进行分析所作的假定、环 境条件及转化为荷载的近似性、结构分析方法、结构模型化精确程度等引起的不 确定性。这种不确定性主要取决于人们对它们认识程度及人们所掌握的知识水 平。在充分考虑这些不确定性因素的基础上,一个结构安全与否,用该结构在规 定服役期内不发生破坏的概率来度量,这一概率就称为结构的可靠度。应用结构 可靠性理论处理不确定性,克服了传统的确定性方法的缺点,因而更符合客观实 际。在结构可靠度理论的研究中,还提出了同时考虑其他不确定性的可靠度分析 方法,如将随机性与模糊性相结合而形成的模糊可靠度分析方法,考虑随机变量 概率分布参数如平均值、标准差统计不确定性的可靠度分析方法。结构安全 评估是结构可靠性分析的重要内容。 风险包括可能发生的事故类型』、发生事故的概率、发生事故将造成的 后果三个方面的内容。风险分析是指充分利用有关资料、信息,定量估算各种 类型事故概率及损失,推求出事故类型、概率和损失的全集。即 ‘,,。 对于第』类事故,其风险可按下式计算” ?“?; 对于经济分析,一般取。 对于经济分析,一般取。 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安争评估研究浙江大学工学博士学位论文 第章风险分析的基本理论 第章风险分析的基本理论 【摘要.本章结合可靠度分析计算方法,着重介绍均值~次二阶矩法、法和 法等几种常用的结构可靠度计算方法,为计算钱塘江海塘安全性分析提供理论基础; 同时,介绍为分析由于工情、水情变化而引起的钱塘江水、沙运动变化所采用的灰 色理论等预测模型计算方法。 关键词:钱塘江海塘;可靠度分折;一次二阶矩法;灰色理论;风险分析 .引言 风险分析与不确定性联系在一起,是以可靠性分析为基础的。在结构可靠性 理论中,各种影响结构安全的不确定因素都用随机变量或随机过程来描述。包含 在这些随机变量中的不确定性可以分为两类‘ :客观不确定性。客观不确 定性是指与基本变量有关的不确定性。包括材料力学性能的不确定性、构件尺寸 的不确定性以及制造误差、建造不完善性及焊接残余应力等引起的不确定性。这 种不确定性可以通过实物或试样的测定结果进行统计分析,找到它们的分布特 性。主观不确定性。主观不确定性是指对结构强度进行分析所作的假定、环 境条件及转化为荷载的近似性、结构分析方法、结构模型化精确程度等引起 的不 确定性。这种不确定性主要取决于人们对它们认识程度及人们所掌握的知识水 平。在充分考虑这些不确定性因素的基础上,一个结构安全与否,用该结构在规 定服役期内不发生破坏的概率来度量,这一概率就称为结构的可靠度。应用结构 可靠性理论处理不确定性,克服了传统的确定性方法的缺点,因而更符合客观实 际。在结构可靠度理论的研究中,还提出了同时考虑其他不确定性的可靠度分析 方法,如将随机性与模糊性相结合而形成的模糊可靠度分析方法,考虑随机变量 概率分布参数如平均值、标准差统计不确定性的可靠度分析方法。结构安全 评估是结构可靠性分析的重要内容。 风险包括可能发生的事故类型,、发生事故的概率、发生事故将造成的 后果三个方面的内容。风险分析是指充分利用有关资料、信息,定量估算各种 类型事故概率及损失,推求出事故类型、概率和损失的全集。即 ,,,。 对于第,类事故,其风险可按下式计算【.】 ??“?: 对于经济分析,一般取。 .. 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究第章风险分析的基本理论 浙江大学工学博士学位论文 由此可知,风险是潜在灾害发生的概率及其发生对社会造成后果的综合度 量,工程结构风险分析是基于可靠度分析基础上的,不仅要估计工程结构发生各 种事故的概率,而且要分析其发生的原因和所造成的后果,其核心是如何在不确 定性条件下进行合理的决策。 预测分析是风险决策的基础,是风险分析的重要组成部分,这也是风险分析 与安全评估重要区别之一。对于受水情、工情影响,影响因素复杂且呈现非随机 特性的不确定性问题通常采用灰色理论卫川进行处理,该理论可有效地预测随 机变量随时问、空间而变化的结果,为风险分析和决策提供基础。 现将本文中要采用的几种结构可靠度计算方法和预测方法介绍如下: .结构可靠度基本理论 结构可靠度是在规定的时间内和规定的条件下结构完成预定功能的概率。在 结构的可靠性分析中,用可靠度、失效概率和可靠性指标等来评价结构的可靠性。 可靠度可表示为只,相反,相应的概率为结构失效概率,表示为,显然有: . 只 结构可靠指标的定义是以结构功能函数服从正态分布为基础,利用正态概率 分布函数可以建立结构可靠指标与结构失效概率间的一一对应关系。若结构 中的 基本随机变量为,:,?,。,相应的概率密度函数为厶,:,?,。,由这些 随机变量表示的结构功能函数为,,,?,以,则结构的失效概率为: . ,??厶而,,?,吒出出?。 ’ 三三 假定结构的抗力随机变量为,荷载效应随机变量为,其相应的概率密度 函数为和五,概率分布函数为和,且尺与相互独立,结构 功能函数为 . ,? 则结构的失效概率为弓 矗,咖』 ,《 或 订? ?弓盯厶厶』矗凼只厶 《,, 若与均服从正态分布,其均值和标准差分别为鳓,地和%,%,则 功能函数?也服从正态分布,其均值和标准差分别为心鳓一风及 .. 王卫标;钱塘江海塘风险分析和安全评估研究浙江大学工学博士学位论文 第章风险分析的基本理论 盯。?仃;盯;,此时,失效概率为 组, 弓叫呻吲啦珐唧筹卜 令二量,则 盯 弓尊去知叫卅 式中,巾?为标准正态分布函数值,卢一/兽为结构的可靠指标。 ?;七 对于结构功能函数为非线性函数,基本随机变量不服从正态分布的情况,结 构可靠指标不能直接计算得到,通常用近似的计算方法,主要有中心点法均值 一次二阶矩法、验算点法法、映射变化法和实用分析方法。由于用这些 方法计算可靠指标只需要随机变量的前一阶矩和二阶矩验算点法、映射变化法 和实用分析法需要考虑随机变量的分布概率,而且只需考虑功能函数泰勒级数 展开式的常数项和一次项,因而统称为一次二阶矩方法】。一次二阶矩方法以 其计算简便、在大多数情况下计算精度能满足工程应用要求而为工程界所接受。 本章主要介绍均值一次二阶矩法、法【一刀两种近似计算方法。 ..一次二阶矩法 、均值一次二阶矩法 设,:,?,。为结构中个相互独立的随机变量,其均值为 结构功能函数为 卢置,?,, 标准差为盯,?,, 置,卫,?,以,将功能函数在随机变量的均值处展开为级数并保 留至一次项,即 旺, 。%瞰一川喜悟眠训 ,的均值和方差为 肛:。犯。斗,,,,?,肛。一 . 仁坪』‘毅烈 。。, 其结构可靠指标为 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究第章风险分析的基本理论 浙 江大学工学博士学位论文 . 口:?/?: 盯, 均值一次二阶矩法的最大特点是计算简便,不需进行过多的数值计算,但也 存在着明显的缺陷:不能考虑随机变量的分布模型,只是直接取用随机变量 的前一阶矩和二阶矩;将非线性功能函数在随机变量的平均值处展开不合 理, 由于随机变量的平均值不在极限状态曲面上,展开后的线性极限状态平面可能会 较大程度地偏离原来的极限状态曲面;对有相同力学合义但数学表达式不同 的极限状态方程,求得的结构可靠指标值不同。 、法 该法由和“.、和、和等人提 出。它的特点是能够考虑非正态分布的随机变量,在计算量增加不是很大条件下, 可对可靠度指标进行精度较高的近似计算,求得满足极限状态方程的“设计验算 点”值。 设盖。:,?,。为结构中个相互独立的正态随机变量,引入标准化随机变 量。,?,,令 . ::竺?竖 则极限状态方程在标准正态坐标系墨丘?。中可表示为 . 盯置卢羔,盯也/.:,?。.且矗 此时可靠指标口是标准正态坐标系中原点到极限状曲面的最短距离,也就是设计 验算点‘沿极限状态曲面的切平面的法线方向至原点的长度,图.为三 个正态随机变量的情况,法线的垂足,为“设计验算点”。 图.三个正态随机变量时极限状态曲面与设计验算点 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究浙江大学工学博士学位论文 第章风险分析的基本理论 极限状态曲面在尸.点的法线对坐标向量的方向余弦为 黜?氓::重竺. 矗?除‰必 由方向余弦定义及可靠指标的几何意义,可知 ;一‘,,‘一, 又:墨二竺兰 ,?, 。 因而,可得设计验算点.在原坐标系五?‘的坐标,即 . ,?, 》/.? 因为,’是极跟状态曲面上的一点,自然满足 . :,?一,石: 由公式.~.,可以联立求解可靠指标口和设计验算点坐标 工;,?,。 对非正态分布随机变量的处理 当随机变量服从任意分布,在计算结构可靠指标时要对变量进行当量正态 化邮处理,其基本原理为:把随机变量,原来的非正态分布用正态分布代替, 但对于代替的正态分布函数要求在设计验算点,?,”处的累积概率分布 函数值和概率密度函数值都和原分布函数的值和值 相等,参见图。根据这两个条件可求得等效正态分布的均值‖;:和标准差仃 一 图. 法中对非正态随机变量的当量正态化 设设计验算点,,?,处原分布的概工民,代替正态 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究第章风险分析的基本理论 浙 江大学工学博士学位论文 根据处累积概率分布函数 黼蝴率卜吖轳巾等, 值相等的条件,哿 . ,。》巾二生 盯。一 设原来分布的概率罚度值为,.,,代瞀正态分布的概率密度值为 九。?, 瑚:掣卜扩掌 根据:处值相等的条件,得 沪古?警 由式.解出??。日,:】仃 代入.式,得 弘卜学 从而得到 . “。”’ 。.:型坠堕塑 ~?肃 上述各式中,以.?和氏?分别代表变量的原累积概率分布函数和概率密度 函数,中?和??分别代表标准正态分布下的累积概率分布函数和概率密度函 数。 对于服从对数正态分布的变量,式.和.还可以进一步简化。 嘿设‘为服从对数正态分布的随机变量,那么一服从正态分布,则 卜地浅, 【。丑?畦 对数正态分布的概率密度函数在设计验算点;处值为 ?赢唧阿訾 而当量正态分布的概率密度函数在工处值为 .. 王卫标:钱塘江海塘风险分析和安全评估研究