CN113887074B - 一种水库大坝上游边坡最优坡角确定的方法 - Google Patents

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Abstract

一种水库大坝上游边坡最优坡角确定的新方法，涉及安全风险评估技术领域，包括步骤1、建立水库大坝数学模型，获得不同库容下、库水位的高度随不同上游边坡设计坡角变化曲线；步骤2、利用Geo‑studio中Seep/w模块计算获取水库大坝稳态库水位浸润线位置，绘制水库大坝上游边坡设计坡角值与失效概率关系曲线；步骤3、确定水库上游边坡最优设计坡角。本发明提供了完备的水库大坝上游边坡最优坡角设计方案，经工程验证，该方法准确可靠，可有效解决大坝上游边坡失稳的问题，防止由于边坡失稳导致的灾害发生。

Description

一种水库大坝上游边坡最优坡角确定的方法
技术领域
本发明涉及安全风险评估技术领域，特别是涉及一种水库大坝上游边坡最优坡角确定的方法。
背景技术
随着我国经济的不断发展，水利设施的建设越来越多，大型水库的数量在快速的增长，但在过去几十年中，因水库大坝边坡失稳而发生的灾难正在逐年增加，造成了极大的人员伤亡和经济损失。
在水库大坝边坡实际工程中，水库大坝边坡坡角的设计通常要考量水库库容与边坡稳定性的影响。在所需水库库容、坝高一定的前提下，上游边坡设计坡角越小，库水位高度越低，反之，上游边坡设计坡角越大，库水位高度越高。在所需不同水库库容下，当上游边坡坡角变化时，由于库水位高度不同，坝体内孔隙水压力分布是不同的，当坝体内孔隙水压力较高时，此时大坝边坡将极易发生失稳。
目前结合水库库容与边坡稳定程度对水库大坝上游边坡坡角进行设计的方法还不够全面，水库大坝边坡上游坡角的设计仍然面临挑战，因此亟需一种确定水库大坝上游边坡最优坡角的方法。
发明内容
本发明提供了一种水库大坝上游边坡最优坡角确定的方法，目的是解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种水库大坝上游边坡最优坡角确定的方法，包括步骤1、建立水库大坝数学模型，获得不同库容下、库水位的高度随不同上游边坡设计坡角变化曲线；步骤2、利用Geo-studio中Seep/w模块计算获取水库大坝稳态库水位浸润线位置，绘制水库大坝上游边坡设计坡角值与失效概率关系曲线；步骤3、确定水库上游边坡最优设计坡角。
优选的，所述的步骤1中，建立水库大坝数学模型的方法为：设计M个所需水库库容，B1,B2,B3,......BM，给出K个大坝上游边坡坡角设计值，记为Z1,Z2,Z3,.......Zk。
优选的，所述的步骤1中，建立水库大坝数学模型后，在某一水库库容Bi下，改变大坝上游边坡设计坡角，获取Z1,Z2,Z3,.......Zk分别对应的库水位高度Hi，利用(Zi，Hi)i＝1,2,…K，绘制库水位的高度随不同上游边坡设计坡角变化曲线，通过改变库容，重复上述计算直至获得不同库容下，库水位的高度随不同上游边坡设计坡角变化曲线。
优选的，所述的步骤2包括如下具体步骤：
具体步骤1、在给定某一水库库容Bi和大坝上游设计坡角Zi下，利用Geo-studio中Seep/w模块计算获取水库大坝稳态库水位浸润线位置，将土体黏聚力c、内摩擦角视为随机变量，利用Matlab软件产生N个土层参数样本A1,A2,……,AN，用响应面法计算出A1,A2,……,AN对应的安全系数Fs1,Fs2,……,FsN；若Fsi<1，则称Ai为失效样本，如此重复进行共获取p个不稳定样本，计算出大坝失效概率Pfi＝p/N；
具体步骤2、保持水库库容Bi不变，改变大坝上游边坡设计坡角，利用具体步骤1获得水库大坝上游设计坡角值Z1,Z2,Z3,.......Zk分别对应的失效概率Pf1,Pf2,Pf3,......Pfk，利用(Zi，Pfi)i＝1,2,…K，绘制水库大坝上游边坡设计坡角值与失效概率关系曲线。
优选的，所述的步骤3中，通过改变水库库容，重复具体步骤1和具体步骤2，直至获得在不同水库库容B1,B2,B3,......BM下，水库大坝上游边坡设计坡角值与失效概率关系曲线，根据所需水库库容和期望失效概率，查询曲线确定水库上游边坡最优设计坡角。
本发明一种水库大坝上游边坡最优坡角确定的方法的有益效果是：本发明提供了完备的水库大坝上游边坡最优坡角设计方案，经工程验证，该方法准确可靠，可有效解决大坝上游边坡失稳的问题，防止由于边坡失稳导致的灾害发生。
附图说明
图1、本发明流程图；
图2、大坝模型图(上游设计坡角为35°)；
图3、大坝模型图(上游设计坡角为30°)；
图4、大坝模型图(上、下游设计坡角为25°)；
图5、大坝库水位高度随上游边坡设计坡角变化曲线图；
图6、水库上游边坡设计坡角值与失效概率曲线图。
具体实施方式
以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参考图1所示：
一种水库大坝上游边坡最优坡角确定的方法，包括步骤1、建立水库大坝数学模型，获得不同库容下、库水位的高度随不同上游边坡设计坡角变化曲线；步骤2、利用Geo-studio中Seep/w模块计算获取水库大坝稳态库水位浸润线位置，绘制水库大坝上游边坡设计坡角值与失效概率关系曲线；步骤3、确定水库上游边坡最优设计坡角；
所述的步骤1中，建立水库大坝数学模型的方法为：设计M个所需水库库容，B1,B2,B3,......BM，给出K个大坝上游边坡坡角设计值，记为Z1,Z2,Z3,.......Zk；
所述的步骤1中，建立水库大坝数学模型后，在某一水库库容Bi下，改变大坝上游边坡设计坡角，获取Z1,Z2,Z3,.......Zk分别对应的库水位高度Hi，利用(Zi，Hi)i＝1,2,…K，绘制库水位的高度随不同上游边坡设计坡角变化曲线，通过改变库容，重复上述计算直至获得不同库容下，库水位的高度随不同上游边坡设计坡角变化曲线；
所述的步骤2包括如下具体步骤：
具体步骤1、在给定某一水库库容Bi和大坝上游设计坡角Zi下，利用Geo-studio中Seep/w模块计算获取水库大坝稳态库水位浸润线位置，将土体黏聚力c、内摩擦角视为随机变量，利用Matlab软件产生N个土层参数样本A1,A2,……,AN，用响应面法计算出A1,A2,……,AN对应的安全系数Fs1,Fs2,……,FsN；若Fsi<1，则称Ai为失效样本，如此重复进行共获取p个不稳定样本，计算出大坝失效概率Pfi＝p/N；
具体步骤2、保持水库库容Bi不变，改变大坝上游边坡设计坡角，利用具体步骤1获得水库大坝上游设计坡角值Z1,Z2,Z3,.......Zk分别对应的失效概率Pf1,Pf2,Pf3,......Pfk，利用(Zi，Pfi)i＝1,2,…K，绘制水库大坝上游边坡设计坡角值与失效概率关系曲线；
所述的步骤3中，通过改变水库库容，重复具体步骤1和具体步骤2，直至获得在不同水库库容B1,B2,B3,......BM下，水库大坝上游边坡设计坡角值与失效概率关系曲线，根据所需水库库容和期望失效概率，查询曲线确定水库上游边坡最优设计坡角。
下面结合图2-6进行实例说明。
该水库大坝高为28m,坝基厚6m，大坝底是不透水边界，上、下游边坡高度为22m，大坝是由均质土体组成，其土体抗剪强度内摩擦角平均值为28°，标准差为8.4，黏聚力c平均值为7kpa，标准差为2.1，容重γ为20kN/m3，图2大坝边坡上游坡角设计值为35°，下游坡角为28.22°，保持下游坡角(28.22°)不变，改变上游坡角，如图3、4所示，上游坡角设计值分别为30°、25°。
采用本发明提出的新技术:
利用Geo-studio软件中Seep/w模块建立水库大坝数值模型，设计三个水库库容分别为：B1＝515m3,B2＝360.5m3,B3＝206m3,保持大坝边坡下游坡角不变，改变大坝上游边坡坡角且设计值分别为：Z1＝35°，Z2＝30°，Z3＝25°，在水库库容B1＝515m3下，改变大坝上游边坡坡角，获取Z1＝35°，Z2＝30°，Z3＝25°分别对应的库水位高度为：H1＝26m，H2＝19.26m，H3＝17.71m；改变水库库容B2＝360.5m3，重复上述步骤直至获得库水位高度分别为：H4＝20m，H5＝15.4m，H6＝14.24m，同理可得水库库容B3＝206m3下，重复上述步骤获得库水位高度分别为：H7＝14m，H8＝10.68m，H9＝9.95m；在所需不同水库库容下，利用(Zi，Hs)i＝1,2,3，s＝1,2,3...9,绘制不同水库库容下，库水位的高度随不同上游边坡设计坡角变化曲线，如图5所示；
在给定某一水库库容Bi和大坝上游设计坡角Zi下，利用Geo-studio中Seep/w模块计算获取水库大坝稳态库水位浸润线位置，由于考虑到大坝土体参数的不确定性，将其粘聚力c和内摩擦角视为对数正态随机变量，利用Matlab软件随机产生105个土体参数样本A1,A2,......,A100000,基于响应面法来计算105个土体参数样本对应的N＝105个安全系数，记为Fs1,Fs2,……,Fs10000。在N＝105个安全系数中，若安全系数Fsi<1，则称Ai为失效样本，如此重复进行共获取p个不稳定样本，根据公式Pfi＝p/105计算出大坝对应的失效概率，保持水库库容不变，改变大坝上游边坡设计坡角，重复上述步骤直至获得水库大坝上游边坡设计坡角值与失效概率关系曲线；改变水库库容，重复上述步骤可以获得不同水库库容下，水库大坝上游边坡设计坡角值与失效概率关系曲线。如图6所示，在水库库容B1＝515m3下，当水库大坝上游边坡设计坡角分别为Z1＝35°，Z2＝30°，Z3＝25°，其对应的失效概率分别为Pf1＝0.07％,Pf2＝1.79％,Pf3＝1.01％；在水库库容B2＝360.5m3下，当水库大坝上游边坡设计坡角分别为Z1＝35°，Z2＝30°，Z3＝25°，其对应的失效概率分别为Pf1＝12.18％,Pf2＝5.04％,Pf3＝0.2％；在水库库容B3＝206m3下，当水库大坝上游边坡设计坡角分别为Z1＝35°，Z2＝30°，Z3＝25°，其对应的失效概率分别为Pf1＝28.95％,Pf2＝4.83％,Pf3＝0.11％；在不同设计水库库容下，利用(Zi,Pfi)i＝1,2,3，分别绘制水库大坝上游设计坡角与边坡失效概率关系曲线，根据所需水库库容和期望失效概率，查询图6关系曲线，确定水库大坝上游边坡的最优设计坡角；譬如当所需库容为360.5m3，期望失效概率为5％，水库大坝上游边坡最优坡角设计值为30.3°。
因此，对比发现：坡角对水库大坝边坡安全性的影响往往常被忽略，导致对坝体的稳定性考虑不够全面，而本发明通过设计不同的水库库容，改变水库大坝上游边坡坡角，获得大坝不同的库水位高度，考虑土体参数的变异性，来获得不同的水库库容下，大坝上游边坡坡角对应的失效概率，根据所需水库库容和期望失效概率来获得水库大坝上游边坡最优坡角。通过工程实例验证了当水库库容一定时，库水位高度随着大坝上游边坡设计坡角的增大而增大，在水库库容分别为206m3，360.5m3时，大坝失效概率随着上游边坡设计坡角增大而减小，当水库库容为515m3时，大坝失效概率随着上游边坡设计坡角的增大呈现先增大后减小的现象，这充分验证了坡角对边坡稳定性的影响，最终可以根据所需库容和期望失效概率来查询曲线确定水库大坝上游边坡最优设计坡角，通过实例对比分析验证了本发明的有效性。

Claims (3)

1.一种水库大坝上游边坡最优坡角确定的方法，其特征为：包括步骤1、建立水库大坝数学模型，获得不同库容下、库水位的高度随不同上游边坡设计坡角变化曲线；步骤2、利用Geo-studio中Seep/w模块计算获取水库大坝稳态库水位浸润线位置，绘制水库大坝上游边坡设计坡角值与失效概率关系曲线；步骤3、确定水库上游边坡最优设计坡角；
所述的步骤1中，建立水库大坝数学模型的方法为：设计M个所需水库库容，B1,B2,B3,......BM，给出K个大坝上游边坡坡角设计值，记为Z1,Z2,Z3,.......Zk；
所述的步骤2包括如下具体步骤：
具体步骤1、在给定某一水库库容Bi和大坝上游设计坡角Zi下，利用Geo-studio中Seep/w模块计算获取水库大坝稳态库水位浸润线位置，将土体黏聚力c、内摩擦角φ视为随机变量，利用Matlab软件产生N个土层参数样本A1,A2,……,AN，用响应面法计算出A1,A2,……,AN对应的安全系数Fs1,Fs2,……,FsN；若Fsi<1，则称Ai为失效样本，如此重复进行共获取p个不稳定样本，计算出大坝失效概率Pfi＝p/N；
具体步骤2、保持水库库容Bi不变，改变大坝上游边坡设计坡角，利用具体步骤1获得水库大坝上游设计坡角值Z1,Z2,Z3,.......Zk分别对应的失效概率Pf1,Pf2,Pf3,......Pfk，利用(Zi，Pfi)i＝1,2,…K，绘制水库大坝上游边坡设计坡角值与失效概率关系曲线。
2.如权利要求1所述的一种水库大坝上游边坡最优坡角确定的方法，其特征为：所述的步骤1中，建立水库大坝数学模型后，在某一水库库容Bi下，改变大坝上游边坡设计坡角，获取Z1,Z2,Z3,.......Zk分别对应的库水位高度Hi，利用(Zi，Hi)i＝1,2,…K，绘制库水位的高度随不同上游边坡设计坡角变化曲线，通过改变库容，重复上述计算直至获得不同库容下，库水位的高度随不同上游边坡设计坡角变化曲线。
3.如权利要求2所述的一种水库大坝上游边坡最优坡角确定的方法，其特征为：所述的步骤3中，通过改变水库库容，重复具体步骤1和具体步骤2，直至获得在不同水库库容B1,B2,B3,......BM下，水库大坝上游边坡设计坡角值与失效概率关系曲线，根据所需水库库容和期望失效概率，查询曲线确定水库上游边坡最优设计坡角。
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