CN107274113B - 一种新型大坝维修决策评估方法 - Google Patents

一种新型大坝维修决策评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新型大坝维修决策评估方法，针对各种待评估的维修方案，执行建立安全性目标函数，包括基于简化毕肖普法，将除孔隙压力以外的因子去除，从而得出大坝的安全系数与孔隙压力成反比例关系，安全系数与水坝的水位成反比例关系，安全系数与流量成反比例关系，得到安全性目标函数；建立经济性目标函数，包括针对水坝的经济性，基于发电量得到经济性目标函数；建立多项约束条件，根据安全性目标函数、经济性目标函数和约束条件，得到决策结果，使得两个目标达到权衡最优解，得到水坝防水能力最强的决策结果。本发明支持分析各方案的灌溉效益、防洪效益和社会效益，能够解决卡里巴大坝等实际问题。

Description

一种新型大坝维修决策评估方法
技术领域
本发明涉及水利建设工程技术领域，尤其涉及一种新型大坝维修决策评估方法。
背景技术
当使用中的大坝出现风险，怎样采取最经济合理效益最高的措施，决定进行维修或重建，是一个复杂的问题。
一份由南非风险管理研究所制作的报告包含了卡里巴大坝迫切需要维修的警告。赞比西河管理局(ZRA)可以采用的解决这一状况的选项有很多。ZRA对其中三个尤其感兴趣：
(选项一)修复现有的卡里巴大坝
(选项二)重建现有的卡里巴大坝
(选项三)拆除卡里巴大坝，并以十到二十个沿着赞比西河的小水坝代替。
现有技术中，缺乏有效的技术方案提供最佳方案获取评估选择结果。
发明内容
本发明为解决现有技术的问题，提供一种新型大坝维修决策评估方法。
本发明的技术方案为一种新型大坝维修决策评估方法，针对各种待评估的维修方案，执行包括以下步骤，
步骤1，建立安全性目标函数，包括基于简化毕肖普法，将除孔隙压力以外的因子去除，从而得出大坝的安全系数与孔隙压力成反比例关系，安全系数与水坝的水位成反比例关系，安全系数与流量成反比例关系，得到安全性目标函数如下，
Figure BDA0001361522880000011
式中，F1表示安全系数，
Figure BDA0001361522880000012
表示第i电站第t时段的发电引用流量；t表示时段变量，Δt表示时段长度，T表示一年中的时段数；i表示水坝编号变量；
Figure BDA0001361522880000013
表示第i电站第t时段的弃水流量；
Figure BDA0001361522880000014
表示第i电站第t时段的来水流量；
步骤2，建立经济性目标函数，包括针对水坝的经济性，基于发电量得到经济性目标函数如下，
Figure BDA0001361522880000021
式中，F2为经济性因子，表示发电量；N表示水坝的电站数目；Ai表示第i电站的综合出力系数；
Figure BDA0001361522880000022
表示第i电站第t时段的发电引用流量；
Figure BDA0001361522880000023
表示第i电站第t时段的平均发电净水头；Mt表示第t时段的小时数；
步骤3，建立多项约束条件如下，
(1)水量平衡约束
Figure BDA0001361522880000024
(2)水坝出力约束
Figure BDA0001361522880000025
(3)水库蓄水量约束
Figure BDA0001361522880000026
(4)水库下泄流量约束
Figure BDA0001361522880000027
式中，
Figure BDA0001361522880000028
为第i电站在第t时段末的水库蓄水量，
Figure BDA0001361522880000029
为第i电站在第t-1时段末的水库蓄水量，
Figure BDA00013615228800000210
为第i-1电站在第t-1时段的弃水流量，
Figure BDA00013615228800000211
为第i-1电站在第t-1时段的发电引用流量；Δt为时段长度；
Figure BDA00013615228800000212
表示第i电站允许的最小、最大出力限制值；
Figure BDA00013615228800000213
表第i电站第t时段允许蓄水量的最小、最大值；
Figure BDA00013615228800000214
表示第i电站第t时段允许下泄流量的最小、最大值；
步骤4，根据安全性目标函数、经济性目标函数和约束条件，得到决策结果，使得两个目标达到权衡最优解，得到水坝防水能力最强的决策结果。
而且，步骤4采用粒子群算法使得两个目标达到权衡最优解。
本发明的技术效果如下：
(1)支持建立合适的模型以确定新坝的数量和地址。基于本发明提供方案，设计的新的水坝系统拥有的整体水资源管理能力应与现有的卡里巴大坝相同，并且在取代现有的大坝之后，能够给赞比西河带来同等或更高程度的保护与水资源管理。
(2)本发明支持建立完善的多重水坝系统的水量调节策略，为安全与支出创造一个合理的平衡。除了要解决已知或预测的正常水循环，该策略还包括紧急水流情况的应对措施(如洪泛以及/或者长期的低水位情况)，以及当地任何限制因素的应对措施，并包含赞比西河不同流域经受极端条件下的有害影响的时间长度，最后加以论证。同时，支持对极端水流提供具体的指导，包括最大预计水流量与最小预计水流量。
(3)支持分析各方案的灌溉效益、防洪效益和社会效益。
具体实施方式
以下结合实施例详细说明本发明的技术方案。
本发明实施例对卡里巴大坝的维修方案提供了分析评估实现方法。
埋在混凝土的钢弦应变计系统的资料分析，表明卡里巴大坝中央坝段沿垂直方向其值每年高达18微米/米。而根据34年以上定期精密水平测量，提供的明显的情况是，在卡里巴大坝中央坝段建筑物顶部每年不断地上升，年平均上升率达2.3mm/年。顶部的不断上升引起了卡里巴大坝闸门启闭困难、闸门与混凝土面，以及闸门的导向块与导轨磨擦等问题，且这些问题不断加剧。产生这些问题的原因是混凝土中存在骨料的碱性反应引起的混凝土的膨胀效应。
小水坝选址的影响因素有很多。这里本发明实施例主要考虑赞西比河流域的地质情况、库区蓄水量、水位落差等自然因素，以及人口居住地、大坝修建的成本等社会经济因素，并对它们进行综合评价分析。具体的，可采用高精度卫星图片、数字高程模型、历史水文资料等数据以及地理信息系统对选址流域的人口居住地、地质情况、汇水区域、水位落差等条件进行综合分析，并将分析结果按需求权重进行分类，最后模拟计算出各个可行方案的水库汇水的面积、坝宽、坝高、年平均发电量、以及建设成本等结果，为水电项目大坝选址提供直观的对比和依据。
首先以自然因素作为主导，将地质条件、历史水文数据、流域坡度、河网密度和河道维持常数、水位落差、坝体长度及高度等影响因子作为考量因素，结合数据进行计算选址。在计算结果中再引入社会经济因素及一部分自然因素进行方案评估，反复以上处理确定最后方案。
实施例根据Google earth、Golden Surfer、利用Arcgis从Google earth提取高程数据，然后采用GoldenSurfer软件对数据进行处理，并使用克里金插值算法对范围内的所有像素点高程进行赋值，生成赞比西河的等高线图，3D Surface和3D Wireframe。
降水量计算，采用距离平方倒数加权法(In-verse Distance Weighted)对区域内的历史降水量进行计算，并根据径流数据得出地表径流分布。然后估算河流流量：
Figure BDA0001361522880000041
式中：Q1表示河流流量，Q3表示地表径流量，单位均为m3/s，Q2表示降水量。
多重水坝系统的水量调节策略需要尽可能提高发电量并降低成本以达到更好的经济效益，同时应尽可能提高其安全性。因此，多重水坝系统的水量调节是一个多目标优化问题。本发明建立两个目标函数，实施例实现如下：
1.建立安全性目标函数
水坝的安全性本发明用简化毕肖普法进行计算分析，计算公式如下：
Figure BDA0001361522880000042
式中：W为土条重量；u为作用于土条底的孔隙压力；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b为土条宽度；c′、
Figure BDA0001361522880000043
为土条底面有效应力抗剪强度指标。K为水坝安全系数。
为方便计算本发明将除孔隙压力以外的因子去除，从而得出安全系数与孔隙压力成反比例函数关系，即：
K＝-ku+b
K为水坝安全系数。
可能滑动面上的孔隙水压力u按照下式计算：
u＝ywh
式中：yw表示水的容重，kN/m3(单位)；h为渗透压力水头。
因此，其安全性系数与水坝的水位成反比例，即：
K＝-k'h+b
式中：k'和b均为常数。
考虑到压力水头和流量的正比例关系，因此安全系数K与流量成反比
目标函数可表示为：
Figure BDA0001361522880000051
式中，F1表示安全系数，
Figure BDA0001361522880000052
表示第i电站第t时段的发电引用流量；t表示时段变量，Δt表示时段长度，实施例中为一个月；T表示一年中的时段数，实施例中T＝12(月)；i表示水坝编号变量；
Figure BDA0001361522880000053
表示第i电站第t时段的弃水流量；
Figure BDA0001361522880000054
表示第i电站第t时段的来水流量。
2.建立经济性目标函数
水坝的经济性主要从发电量进行考虑，因此可以得到其目标函数如下：
Figure BDA0001361522880000055
式中，F2为经济性因子(发电量)；N表示水坝的电站数目；Ai表示第i电站的综合出力系数；
Figure BDA0001361522880000056
表示第i电站第t时段的发电引用流量；
Figure BDA0001361522880000057
表示第i电站第t时段的平均发电净水头；Mt表示第t时段的小时数。
3.建立约束条件如下：
(1)水量平衡约束
Figure BDA0001361522880000058
(2)水坝出力约束
Figure BDA0001361522880000059
(3)水库蓄水量约束
Figure BDA00013615228800000510
(4)水库下泄流量约束
Figure BDA0001361522880000061
式中，
Figure BDA0001361522880000062
为第i电站在第t时段末的水库蓄水量，
Figure BDA0001361522880000063
为第i电站在第t-1时段末的水库蓄水量，
Figure BDA0001361522880000064
为第i-1电站在第t-1时段的弃水流量，
Figure BDA0001361522880000065
为第i-1电站在第t-1时段的发电引用流量；Δt为时段长度；
Figure BDA0001361522880000066
表示第i电站允许的最小、最大出力限制值；
Figure BDA0001361522880000067
表第i电站第t时段允许蓄水量的最小、最大值；
Figure BDA0001361522880000068
表示第i电站第t时段允许下泄流量的最小、最大值；
4.根据目标函数得到决策结果：本发明选取
Figure BDA0001361522880000069
作为决策变量，由于
Figure BDA00013615228800000610
越大，安全系数F1越小，经济性F2越大。因此安全性F1和经济性F2是两个相互冲突的目标，不可能同时达到最优。因此本发明优选利用粒子群算法对两者进行协调和权衡，在约束条件下使得两个目标达到权衡最优解即水坝防水能力最强。粒子群算法为现有技术，本发明不予赘述。
具体实施时，可采用计算机软件技术实现以上方法的自动运行。
为了保证汛期水库能够起到防洪作用，达到削减洪峰，降低下游的防洪压力的目的，水坝应在汛期洪水未到时，腾出库容，以准备迎接洪水的到来。防洪限制水位即为汛期洪水未到前允许蓄水的上限水位，即汛限水位。这个水位以上的库容是作为滞蓄洪水的库容，只有在发生洪水时，为了滞洪，水库水位才允许超过防洪限制水位。当洪水消退时，如汛期未过，水库应尽快地泄洪，使水库水位迅速回降到防洪限制水位。赞比西河梯级坝系建设从上游到下游是循序渐进，层层相扣的过程。

Claims (2)

1.一种新型大坝维修决策评估方法，其特征在于：采用高精度卫星图片、数字高程模型、历史水文资料数据以及地理信息系统对选址流域的人口居住地、地质情况、汇水区域、水位落差条件进行综合分析，并将分析结果按需求权重进行分类，最后模拟计算出各个可行方案的水库汇水的面积、坝宽、坝高、年平均发电量以及建设成本结果，为水电项目大坝选址提供直观的对比和依据；
首先以自然因素作为主导，将地质条件、历史水文数据、流域坡度、河网密度和河道维持常数、水位落差、坝体长度及高度影响因子作为考量因素，结合数据进行计算选址；在计算结果中再引入社会经济因素及一部分自然因素进行方案评估，反复以上处理确定最后方案；
包括提取高程数据，然后采用GoldenSurfer软件对数据进行处理，并使用克里金插值算法对范围内的所有像素点高程进行赋值，生成赞比西河的等高线图，3D Surface和3DWireframe；
降水量计算，采用距离平方倒数加权法对区域内的历史降水量进行计算，并根据径流数据得出地表径流分布，然后估算河流流量：
Figure FDA0002672655620000011
式中：Q1表示河流流量，Q3表示地表径流量，单位均为m3/s，Q2表示降水量；
针对各种待评估的维修方案，执行包括以下步骤，
步骤1，建立安全性目标函数，包括基于简化毕肖普法，将除孔隙压力以外的因子去除，从而得出大坝的安全系数与孔隙压力成反比例关系，安全系数与水坝的水位成反比例关系，安全系数与流量成反比例关系，得到安全性目标函数如下，
Figure FDA0002672655620000012
式中，F1表示安全系数，
Figure FDA0002672655620000013
表示第i电站第t时段的发电引用流量，N表示水坝的电站数目；t表示时段变量，Δt表示时段长度，T表示一年中的时段数；i表示水坝编号变量；
Figure FDA0002672655620000014
表示第i电站第t时段的弃水流量；
Figure FDA0002672655620000015
表示第i电站第t时段的来水流量；
步骤2，建立经济性目标函数，包括针对水坝的经济性，基于发电量得到经济性目标函数如下，
Figure FDA0002672655620000021
式中，F2为经济性因子，表示发电量；N表示水坝的电站数目；Ai表示第i电站的综合出力系数；
Figure FDA0002672655620000022
表示第i电站第t时段的发电引用流量；
Figure FDA0002672655620000023
表示第i电站第t时段的平均发电净水头；Mt表示第t时段的小时数；
步骤3，建立多项约束条件如下，
(1)水量平衡约束
Figure FDA0002672655620000024
(2)水坝出力约束
Figure FDA0002672655620000025
(3)水库蓄水量约束
Figure FDA0002672655620000026
(4)水库下泄流量约束
Figure FDA0002672655620000027
式中，Vt i为第i电站在第t时段末的水库蓄水量，
Figure FDA0002672655620000028
为第i电站在第t-1时段末的水库蓄水量，
Figure FDA0002672655620000029
为第i-1电站在第t-1时段的弃水流量，
Figure FDA00026726556200000210
为第i-1电站在第t-1时段的发电引用流量；Δt为时段长度；
Figure FDA00026726556200000211
表示第i电站允许的最小、最大出力限制值；
Figure FDA00026726556200000212
表第i电站第t时段允许蓄水量的最小、最大值；
Figure FDA00026726556200000213
表示第i电站第t时段允许下泄流量的最小、最大值；
步骤4，根据安全性目标函数、经济性目标函数和约束条件，得到决策结果，使得两个目标达到权衡最优解，得到水坝防水能力最强的决策结果；
为了保证汛期水库能够起到防洪作用，达到削减洪峰，降低下游的防洪压力的目的，水坝应在汛期洪水未到时，腾出库容，以准备迎接洪水的到来；防洪限制水位即为汛期洪水未到前允许蓄水的上限水位，即汛限水位；这个水位以上的库容是作为滞蓄洪水的库容，只有在发生洪水时，为了滞洪，水库水位才允许超过防洪限制水位；当洪水消退时，如汛期未过，水库应尽快地泄洪，使水库水位迅速回降到防洪限制水位；梯级坝系建设从上游到下游是循序渐进，层层相扣的过程。
2.根据权利要求1所述新型大坝维修决策评估方法，其特征在于：步骤4采用粒子群算法使得两个目标达到权衡最优解。
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