CN113962583A - 混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法 - Google Patents

混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法 Download PDF

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周小录
杨松林
桑兴旭
陈建康
裴亮
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Wuling Power Corp Ltd
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Hunan Wuling Power Technology Co Ltd
Wuling Power Corp Ltd
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Abstract

本发明公开了混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法，其包括以下步骤：S1：采集目标重力坝的洪峰流量Q、防洪起调水位h0和目标重力坝的泄洪量系数mn；S2：根据洪峰流量Q、防洪起调水位h0和泄洪量系数mn计算目标重力坝所在水库的水位hw；S3：根据水库的水位hw和风速v0计算水库的波浪高度δ；S4：利用水位hw和波浪高度δ参数建立洪水漫坝风险分析模型G(X)；S5：计算出每个数据采集点上的风险G(X)值；S6：利用若干采集点上的G(X)值计算混凝土重力坝当前洪水漫坝的风险概率Pf。本发明风险评估的精度高，能够提高大坝前期泄洪调度决策的可靠性，为不确定性环境下的水库调度、泄洪提供必要的风险信息和决策支撑。

Description

混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法
技术领域
本发明涉及水坝安全技术领域，具体涉及混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法。
背景技术
漫坝是诱发大坝失事的常见失事模式，重力坝失事案例中，主要由漫坝造成的洪水冲击、结构振动、坝趾与坝基淘刷等所致。相对于长时间、大流量漫坝过程的危害，虽然短时小流量的坝体过流过程对重力坝坝体结构的安全威胁较低，可能不会造成大坝的直接失事，但漫坝水体对大坝附属结构及发电设施的安全威胁依然存在，同样是各国重力坝设计规范、运行要求所不允许的。结合已有案例资料及坝工设计和大坝安全运行要求，本文在研究过程中，认为坝前水位一旦超过坝顶高程即形成大坝漫顶风险。
作为威胁大坝安全运行的风险模式之一，关于漫坝风险的研究一直是国内外学者关注的重点，取得了丰富的研究成果，诸如考虑起调水位、洪峰流量变化条件下的漫坝风险及对洪峰和洪量进行联合随机模拟的漫坝可能性分析等。但随着高坝大库水电工程开发的快速推进，其运行与赋存环境日趋复杂,滑坡泥石流等自然灾害频发，加之人为运行管理的失误等原因，仅独立考虑库区超设洪水、地震涌浪等原因造成的漫坝风险分析难于准确评估诸如重力坝枢纽等此类大型复杂枢纽系统的漫坝风险。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种同时考虑洪峰流量、起调水位和流量系数等不确定性因素对洪水漫坝影响的混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法，其包括以下步骤：
S1：采集目标重力坝的洪峰流量Q、防洪起调水位h0和目标重力坝的泄洪量系数mn；
S2：根据洪峰流量Q、防洪起调水位h0和泄洪量系数mn计算目标重力坝所在水库的水位hw；
S3：根据水库的水位hw和风速v0计算水库的波浪高度δ；
S4：利用水位hw和波浪高度δ参数建立洪水漫坝风险分析模型G(X)：
G(X)＝hw+δ-hd
其中，hd为目标重力坝的高程；
S5：根据不同的洪峰流量、起调水位和流量系数取值，在目标重力坝上设定N个数据采集点，计算每个数据采集点上的波浪高度δ、水位hw和高程hd，代入洪水漫坝风险分析模型G(X)中，计算出每个数据采集点上的风险G(X)值；
S6：利用若干采集点上的G(X)值计算混凝土重力坝当前洪水漫坝的风险概率Pf：
Figure BDA0003327796290000021
其中，Num{G(x)>0}为N个数据采集点中计算出的G(x)>0的次数。
进一步地，水库水位hw的计算模型为：
Figure BDA0003327796290000022
其中，a0、ai、bi、ci、di、eij、fij和gijk均为系数，xi为洪峰流量Q值，xj为防洪起调水位h0值，xk为泄洪量系数mn值；S为泄洪闸孔数，i、j、k表示第i个、第j个和第k个随机变量。
进一步地，波浪高度δ的计算方法为：
δ＝h1％+hz
其中，h1％为累积频率为1％的波浪高度，hz为波浪中心线与库水位hw之间的高差。
进一步地，累积频率为1％的波浪高度h1％的计算方法为：
Figure BDA0003327796290000031
其中，D为水库的风力的吹程，v0为水库的最大风速，g为重力加速度。
进一步地，波浪中心线与库水位hw之间的高差hz的计算方法为：
Figure BDA0003327796290000032
其中，Lm为平均波长，hc为河床的高程；
平均波长Lm的计算方法为：
Figure BDA0003327796290000033
本发明的有益效果为：本发明针对高坝大库复杂调度环境下，坝前水位非线性变化显著等特点，建立水库水位关于洪峰流量、防洪起调水位值和泄洪量系数的高阶响应函数方程，并结合动态水位与动态波浪高度的影响关系，估算洪水漫坝的风险值，并同时结合水库多个数据采集点采集的数据，对洪水漫坝的风险进行综合评估，解决了坝前水位描述难以同时考虑洪峰流量、起调水位、流量系数等不确定性因素影响的难题。并且风险评估的精度高，能够提高大坝前期泄洪调度决策的可靠性，为不确定性环境下的水库调度、泄洪提供必要的风险信息和决策支撑。
附图说明
图1为混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法的流程图。
图2为实施例中大坝表孔、中孔设计泄洪能力曲线。
图3为实施例中大坝典型洪水过程线。
图4为实施例中大坝水库水位-库容关系曲线。
图5为实施例中大坝库水位与调洪演算对比曲线。
图6为实施例中大坝坝前水位概率分布示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本方案的混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法包括以下步骤：
S1：采集目标重力坝的洪峰流量Q、防洪起调水位h0和目标重力坝的泄洪量系数mn；
S2：根据洪峰流量Q、防洪起调水位h0和泄洪量系数mn计算目标重力坝所在水库的水位hw；水库水位hw的计算模型为：
Figure BDA0003327796290000041
其中，a0、ai、bi、ci、di、eij、fij和gijk均为系数，xi为洪峰流量Q值，xj为防洪起调水位h0值，xk为泄洪量系数mn值；S为泄洪闸孔数，i、j、k表示第i个、第j个和第k个随机变量。
S3：根据水库的水位hw和风速v0计算水库的波浪高度δ；波浪高度δ的计算方法为：
δ＝h1％+hz
其中，h1％为累积频率为1％的波浪高度，hz为波浪中心线与库水位hw之间的高差。
累积频率为1％的波浪高度h1％的计算方法为：
Figure BDA0003327796290000051
其中，D为水库的风力的吹程，v0为水库的最大风速，g为重力加速度。
波浪中心线与库水位hw之间的高差hz的计算方法为：
Figure BDA0003327796290000052
其中，Lm为平均波长，hc为河床的高程；
平均波长Lm的计算方法为：
Figure BDA0003327796290000053
S4：利用水位hw和波浪高度δ参数建立洪水漫坝风险分析模型G(X)：
G(X)＝hw+δ-hd
其中，hd为目标重力坝的高程；
S5：根据不同的洪峰流量、起调水位和流量系数取值，在目标重力坝上设定N个数据采集点，计算每个数据采集点上的波浪高度δ、水位hw和高程hd，代入洪水漫坝风险分析模型G(X)中，计算出每个数据采集点上的风险G(X)值；
S6：利用若干采集点上的G(X)值计算混凝土重力坝当前洪水漫坝的风险概率Pf：
Figure BDA0003327796290000061
其中，Num{G(x)>0}为N个数据采集点中计算出的G(x)>0的次数。
以下以一个具体的实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明：
某水电站枢纽水库正常蓄水位1330.00m，设计洪水位1330.18m，校核洪水位1330.44m，总库容7.6亿m3。设计洪水流量14000m3/s(p＝0.2％)，校核洪水流量15900m3/s(p＝0.02％)。该工程拦河大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程1334.00m，最大坝高168m，坝轴线长516m。大坝泄洪系统采用5个溢流表孔和2个中孔的坝身泄洪方案，其中表、中孔进口尺寸分别为15m×19m(宽×高)及5m×10m(宽×高)，表孔2.5m、5m、7.5m开度及表孔、中孔全开状态下的设计泄洪能力曲线见附图2。大坝各频率洪水设计值、水库典型洪水过程线和水位-库容关系曲线分别如表1、附图3和附图4所示。
水库防洪调度方案见下表2。由表2可知，大坝汛期主要泄洪方式为机组过流、表孔及中孔不同开度组合等，在此考虑机组流量为确定值，表孔2.5m、5m、7.5m开度及全开泄洪量系数m2.5、m5、m7.5、mb，中孔全开泄洪量系数mz，以及起调水位h0、风速v0为随机变量。
根据该水电站水文专项报告、水工水力学模型试验结果及该工程运行以来坝前水位监测数据，经统计分析及参考相关文献获得各随机参数概率分布特征见下表3。
表1大坝各频率洪水设计值统计表
Figure BDA0003327796290000062
表2大坝汛期防洪规则统计表
Figure BDA0003327796290000063
Figure BDA0003327796290000071
表3某大坝洪水漫坝风险分析随机参数统计特征
Figure BDA0003327796290000072
其中洪峰流量Q为3345m3/s-20931m3/s，对应洪水频率p＝100％～0.0002％，起调水位h0按照大坝汛期防洪要求设定为1328m-1330m，泄洪量系数mn以其统计特征设定。根据hw的计算模型，共设计3组共计153种数值试验方案，通过调洪演算及统计回归分析，可获得水位hw模型方程的待定系数，相关试验及拟和精度参数等见下表4及附图5。
将hw的计算模型代入洪水漫坝风险分析模型G(X)中，计算出该大坝洪水漫坝风险为6.87×10-6，坝前水位概率分布见附图6。
表4试验参数取值范围及响应面检验结果
Figure BDA0003327796290000081
综上所述，某重力坝枢纽在其现行洪水调度规则下，仅由入库洪水造成漫坝的风险很低。由此表明，在保证泄洪系统及近坝库岸等安全的条件下，重力坝洪水调度运行是安全可靠的。
本发明针对高坝大库复杂调度环境下，坝前水位非线性变化显著等特点，建立水库水位关于洪峰流量、防洪起调水位值和泄洪量系数的高阶响应函数方程，并结合动态水位与动态波浪高度的影响关系，估算洪水漫坝的风险值，并同时结合水库多个数据采集点采集的数据，对洪水漫坝的风险进行综合评估，解决了坝前水位描述难以同时考虑洪峰流量、起调水位、流量系数等不确定性因素影响的难题。并且风险评估的精度高，能够提高大坝前期泄洪调度决策的可靠性，为不确定性环境下的水库调度、泄洪提供必要的风险信息和决策支撑。

Claims (5)

1.一种混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集目标重力坝的洪峰流量Q、防洪起调水位h0和目标重力坝的泄洪量系数mn；
S2：根据洪峰流量Q、防洪起调水位h0和泄洪量系数mn计算目标重力坝所在水库的水位hw；
S3：根据水库的水位hw和风速v0计算水库的波浪高度δ；
S4：利用水位hw和波浪高度δ参数建立洪水漫坝风险分析模型G(X)：
G(X)＝hw+δ-hd
其中，hd为目标重力坝的高程；
S5：根据不同的洪峰流量、起调水位和流量系数取值，在目标重力坝上设定N个数据采集点，计算每个数据采集点上的波浪高度δ、水位hw和高程hd，代入洪水漫坝风险分析模型G(X)中，计算出每个数据采集点上的风险G(X)值；
S6：利用若干采集点上的G(X)值计算混凝土重力坝当前洪水漫坝的风险概率Pf：
Figure FDA0003327796280000011
其中，Num{G(x)>0}为N个数据采集点中计算出的G(x)>0的次数。
2.根据权利要求1所述的混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法，其特征在于，所述水库水位hw的计算模型为：
Figure FDA0003327796280000012
其中，a0、ai、bi、ci、di、eij、fij和gijk均为系数，xi为洪峰流量Q值，xj为防洪起调水位h0值，xk为泄洪量系数mn值；S为泄洪闸孔数，i、j、k表示第i个、第j个和第k个随机变量。
3.根据权利要求1所述的混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法，其特征在于，所述波浪高度δ的计算方法为：
δ＝h1％+hz
其中，h1％为累积频率为1％的波浪高度，hz为波浪中心线与库水位hw之间的高差。
4.根据权利要求3所述的混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法，其特征在于，所述累积频率为1％的波浪高度h1％的计算方法为：
Figure FDA0003327796280000021
其中，D为水库的风力的吹程，v0为水库的最大风速，g为重力加速度。
5.根据权利要求3所述的混凝土重力坝洪水漫坝风险分析方法，其特征在于，所述波浪中心线与库水位hw之间的高差hz的计算方法为：
Figure FDA0003327796280000022
其中，Lm为平均波长，hc为河床的高程；
所述平均波长Lm的计算方法为：
Figure FDA0003327796280000023
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