防洪安全风险评估论文

防洪安全风险评估论文（精选7篇）

防洪安全风险评估论文 第1篇

1 工程概况

木兰溪防洪工程为福建省“五江一溪”防洪工程项目之一,华林段是其中的堤段之一。堤防工程从莆秀高速公路木兰溪大桥的14#~15#墩之间穿过,堤坝位置如图1所示。桥梁跨度为19.0m,上部结构采用预应力钢筋混凝土现浇连续箱梁,下部结构采用柱式墩,肋式台,冲孔灌注桩基础,为端承桩。堤防工程外墙边线距离桥桩中心线距离最小约为3.8m。为了确保新建堤防堤身断面在一个桥梁跨度范围内全断面穿过,堤防工程在桥梁下穿路段采用U型钢筋混凝土整体式结构,两侧为C25钢筋混凝土悬臂式挡墙;底板为C25钢筋混凝土结构。U槽内回填土至设计堤顶高程,设计堤顶宽度为9.5m,并布置有6m宽的沥青混凝土防汛道路。

堤防穿越木兰溪大桥段的堤身高度6~7m,为消除上部堤身荷载对桥下地基土层产生压缩变形,设计采用单管高压旋喷桩对基底进行处理,高压旋喷桩直径为Ф0.6m,桩距1.4m,矩形布置。

2 U型钢筋混凝土堤防对桥梁的影响

U型钢筋混凝土堤防下穿高速公路对桥梁的潜在风险主要存在以下几个方面:

(1)堤防顶距离U型槽底高度约7.0m,新建堤防产生的竖向荷载会在土体中会产生侧向挤压效应,引起两侧桥桩产生附加侧向变形及桥柱、支座倾斜,导致支座破坏、桥面开裂等工程事故。

(2)新建堤防使地基土产生竖向压缩变形,对桥桩产生向下的负摩阻力,使得桥桩桩身轴力增加,桩底压力增加,有可能导致因桩身抗压强度不足或桩端承载力不够而破坏。

(3)桩身因新建路堤引起侧向变形后,在桩身产生拉应力,导致桥桩或桥柱开裂。

针对下穿桥梁存在的潜在风险,根据相关规范采用以下标准来对桥梁的安全性进行评价:①桥柱墩身结构绝对沉降量小于10mm;②桥柱顶顺桥方向水平位移不大于24.5mm。

3 有限元计算模型

华林段堤防穿越木兰溪大桥技术方案采用全球通用的大型商业有限元软件MI-DAS/GTS软件进行数值模拟分析。该软件将通用的有限元分析内核与岩土隧道结构的专业性要求有机的结合,集合了目前岩土隧道分析软件的优点,能很好地求解整个结构的位移场和应力场。

3.1 数值模型

根据堤防工程下穿高速公路桥梁设计方案,建立数值模型,堤防工程外墙边线距离桥桩中心线距离最小约为路堤北侧3.8m,路堤南侧3.8m;最大约为路堤北侧4.7m,路堤南侧5.2m。数值分析时,桥桩至路堤的距离取最小距离进行分析。模型平面布置图及地层分布如图2所示。

3.2 模型参数

桥桩、桥柱和连梁全部选取线弹性模型,采用Beam单元,泊松比取0.2,弹性模量取3×1010Pa,重度取25k N/m3。U型混凝土槽选取弹性模型,采用Solid单元,泊松比取0.2,弹性模量取3×1010Pa,重度取25k N/m3。

各岩土体全部选取成熟的Mohr-Coulomb模型,采用Solid单元,相关参数按表1选取。

3.3 工况分析

为评价新建路堤穿越木兰溪大桥时对木兰溪大桥的影响,需先进行荷载和作用分析。

工况1:桥桩柱竖向力7000k N(已考虑汽车冲击荷载)。

工况2:路堤修建(考虑路堤自重)。

工况3:路堤路面均布超载30k Pa(考虑防汛车辆等交通工具)。

工况4:桥柱最不利制动力,15#、23#桥墩的每根桥柱顶分别受水平制动力55k N、42k N。

根据工况分析,数值模拟分析时选取的最不利荷载荷载组合为工况1~4的组合,分别采用6个模拟步骤分别对上述工况进行模拟。

STEP1:木兰溪大桥桥桩及桥柱施工完毕;

STEP2:施加桥柱顶竖向力;

STEP3:旋喷桩处理地基;

STEP4:U型混凝土槽及槽内外填土施工;

STEP5:施加路堤路面超载;

STEP6:施加桥柱柱顶水平力。

4 数值模拟结果

数值模拟结果对桥桩及桥柱顺桥方向变形、桥桩及桥柱横桥方向变形、桥桩及桥柱竖向方向变形以及桥桩及桥柱轴力进行评估。

(1)桥桩及桥柱顺桥方向变形(DX)。14#、15#号墩桥柱顶在各施工阶段的顺桥方向位移如表2所示。路堤修建完毕及施加堤顶超载后引起的桥柱顶顺桥方向变形都很小。考虑汽车制动力后,15#墩桥柱顶最大顺桥位移为+15.9mm,为桥柱地面高度的0.9‰。考虑极端情况时的桥桩顶最大顺桥位移分别-47.2mm和+31.9mm,分别为桥柱地面高度的2.8‰和1.9‰,且变形值均满足支座位移控制值150mm的要求。STEP5-STEP6的顺桥变形分布图如图3所示。

(2)桥桩及桥柱横桥方向变形(DY)。15#号墩桥柱顶部横桥方向位移最大,但位移量很小,在极端工况下的位移仅约0.17mm。因此,可以忽略新建路堤穿越木兰溪大桥时对路堤两侧桥柱横桥位移的影响。

(3)桥桩及桥柱竖向方向变形(DZ)。桥柱顶在STEP4-STEP7时的竖向位移均仅约3.9mm,桥桩顶在STEP4-STEP7时的竖向位移均仅约2.0mm。因此,可以忽略新建路堤对两侧桥桩、桥柱竖向位移的影响。

(4)桥桩及桥柱轴力。桥桩、柱在各阶段的最大轴力及桩端轴力如表3所示,STEP4和STEP5时的轴力图如图4所示。可以看出,路堤修建完毕后,引起土层产生竖向压缩变形,导致桥桩受到负摩擦阻力影响,使得桩身轴力增加。桩身最大轴力位11699k N,桩身混凝土的轴向压力为11.699÷(3.14×0.92)=4.6MPa,小于桩身混凝土(C30)抗压强度设计值14.3MPa。桩端承载力满足要求。

k N

(5)桥桩及桥柱应力。在STEP6的桥桩、桥柱及连梁应力分布分别如图5所示。从图中可以看出,压应力均满足混凝土抗压强度要求。STEP6时在桥桩桥柱交界处出现拉应力,最大拉应力为0.35MPa,小于混凝土的抗拉强度设计值1.43MPa。极端情况下,桩柱交界处最大拉应力为1.48MPa,接近混凝土抗拉强度设计值,小于混凝土抗拉强度标准值2.01MPa。各阶段最大拉应力为0.35MPa。因此,桥桩桥柱及连梁均不开裂。

(6)桩土塑性应变。桩土最大主塑性应变分布如附图6所示。14#桥桩地表附近可能会因桩周土出现拉应变导致桩与桩周土局部深度(约1.0m)范围内产生分离。

5 结论与建议

5.1 结论

根据对木兰溪防洪工程华林段堤防穿越福泉高速公路莆田至秀屿支线公路木兰溪大桥工程设计方案进行数值模拟和结果分析,评估堤防对木兰溪大桥穿越段影响如下:

(1)顺桥变形:影响很小,极端情况下的桥柱桥桩顺桥变形均满足要求。

(2)横桥变形:无影响。

(3)竖向变形:满足要求。

(4)桥柱桥桩轴力:满足要求。

(5)桩底压力:满足要求。

(6)桥桩柱应力:左岸拉应力略大于抗拉强度设计值,左右岸桥桩柱都不开裂。

(7)连梁应力:右岸第3道连梁在桩梁交界处局部拉应力略大于抗拉强度设计值,但都不开裂。

(8)14#桩周土局部深度可能出现桩土分离,但不影响正常使用。

5.2 方案建议

针对木兰溪防洪工程华林段堤防穿越福泉高速公路莆田至秀屿支线公路木兰溪大桥设计方案,结合数值模拟分析结果,对原堤防穿越木兰溪大桥方案提供以下几点建议:

(1)应重点监测并严格控制路堤回填施工引起的木兰溪大桥桥桩侧向变形。

(2)建议监测路堤两侧尤其是桥桩两侧地表的隆起变形,及桥桩外侧土体深层水平位移。

(3)如条件允许,建议对旋喷桩处理地基进行深层沉降监测,同时布置适当监测点进行U型混凝土槽底板钢筋内力监测。

(4)建议采用轻质填筑减少土体压力。

摘要：针对新建防洪堤下穿高速公路桥梁设计方案,采用MIDAS/GTS软件对设计方案进行安全评价,根据安全评估结果提出建议,减少桥梁在堤坝施工以及运营期间的安全隐患。

防洪安全风险评估论文 第2篇

1梯级水库群联合防洪调度风险评价指标体系

梯级水库群联合防洪调度一般都具有共同防护对象, 并兼有水文补偿、库容补偿效益, 需要根据各水库大坝的设计标准及下游共同防护对象的防洪标准, 研究如何由各水库联合调控, 以达到在保证大坝安全前提下最大限度地满足下游的防洪要求, 同时获得尽可能大的兴利效益。梯级水库群联合防洪调度的目标主要涉及如下三个方面:确保大坝安全、使下游防洪保护区损失最小、防洪调度期末水库水位在控制范围内。其中防洪调度期末水库水位在控制范围内是指当参加联合防洪调度的各水库的汛期不尽相同时, 调节一次洪水过程后各水库水位可能位于汛前期、汛中期、汛末期 (假设有分期) 、蓄水期中或蓄水期末等各种不同的水位控制区间内。

对于一个包含m个水库的联合防洪调度系统, 则可建立如下图1所示的风险评价指标体系。

(1) 水库自身防洪调度风险率。水库自身防洪风险率是指水库库水位超越水库防洪安全水位的概率, 对于第i个水库而言, 一般可以表示为:

式中:Zi (t) 是第i水库t时刻的水库水位;Za-i是第i水库的防洪安全水位。

(2) 梯级水库群自身防洪风险率。由于水库垮坝会造成严重损失, 水库本身安全是防洪调度首先要保证的前提条件, 对于梯级水库群自身防洪风险率可以认为是各个水库自身防洪调度风险率的最小者。因此, 可以表示为:

(3) 共同防护区防洪风险率。梯级水库群联合防洪调度的目的在于控制共同防洪保护区控制点 (如果仅有一个) 的流量qcq不超过安全流量qacq, 或水位不超过安全水位。而对于各个水库所具有的自身防洪保护区的任务可以作为联合防洪调度的约束条件考虑。因此, 共同防护区防洪风险率为:

(4) 梯级水库群蓄水不足风险率。由于梯级水库调度运行期划分不尽相同, 在梯级水库群联合防洪调度过程中, 尤其是在一场洪水调节期末, 有的水库可能已经到蓄水期或蓄水期已经结束, 此时水库应该蓄到规定的水位才能保证后期兴利效益不受影响, 因此, 如果有m1 (

(5) 梯级水库群控制水位不达标风险率。对于某一场洪水调节期末未到蓄水期的水库, 比如有m2个 (m1+m2=m) , 则应保持这些水库的水位回落至规定的水位, 以迎接后续洪水的到来。如果第i个水库的调节期末的水位控制下限和上限分别为ZL-i, ZM-i (i=1, 2, …, m2) , 则该水库的控制水位不达标风险率为:

则梯级水库群控制水位不达标风险率可取其中的最大者, 即:

2梯级水库联合防洪调度风险估计模型

2.1入库洪水过程的模拟

根据统计学原理, 可认为预报误差主要分为系统误差和偶然误差, 前者是受预报系统模型和方法的影响, 一般可以掌握其大致规律, 例如, 入库洪水预报值的修正就是在参考前一阶段预报值的基础上完成的。如果调度人员能够很好掌握系统误差的大致分布规律, 那偶然误差将是预报误差分析的主要困难。工程数学分析中, 偶然误差一般可作为正态分布处理, 所以在修正系统误差的基础上, 将预报误差作为正态分布变量来考虑是符合统计规律的。

以Q实测和Q预测分别表示入库洪水的实测值与预报值, 并定义X= (Q实测-Q预测/Q实测为预报误差, 则X与0的接近程度反映了预报误差的大小, 设x1, x2, …, xn为X的样本, 则有:

则易知, 参数μX, σX的极大似然估计分别为:

在上述参数求解基础上, 可以采用随机模拟方法 (比如蒙特卡洛) 随机产生预报误差的样本系列X, 而后依据式Q实测= Q预测/ (1-X) 可以获得入库洪水过程的系列, 再按照本地洪水的特点分别采用同倍比、同频率或其他方法进行缩放, 从而可以获得指定频率的入库洪水过程系列Qi模拟 (i=1, 2, …, n) 。

2.2梯级防洪调度风险估计模型

2.2.1模型建立

梯级水库群联合防洪调度的目的主要是为了满足防洪目标安全的条件下, 尽可能多地利用水库进行兴利, 而由于流域洪水过程的频率大小不一, 有时相差甚远, 如果按照同一级别进行控制, 不仅防洪效能得不到提高, 而且可能造成大量洪水资源的浪费, 难以最大化地发挥兴利效益。为了更好地发挥水库的综合利用功能, 提出三级控制措施, 当水库群遭遇流域洪水量级处于大坝设计标准及以上时, 要重点保证大坝安全;当洪水频率小于或等于下游设计标准时要重点保护下游防洪保护区安全;当洪水频率小于某一指定标准, 不会给下游防洪造成压力时, 要尽可能利用洪水多兴利。因此, 对于上述所建立的梯级水库群联合防洪调度评价指标体系, 一般应该满足如下关系Pcqr>Pcqd>Pcqdb>Pcqxs。同时, 可建立如下梯级水库群联合防洪调度风险估计模型:

式中:ZMi为第i水库的最高库水位;qm为共同防洪保护区控制点下泄流量最大值;ZLi为第i水库洪水调节期末水位;p= (p1, p2, …, pm) 为各水库遭遇洪水频率向量;pds (pds1, pds2, …, pdsm) 为各水库设计标准洪水频率向量;pxy= (pxy1, pxy2, …, pxym) 为各水库下游设计标准洪水频率向量;fr (·) 、fd (·) 、fxy (·) 、fdb (·) 为各变量的分布密度函数。

2.2.2模型求解

多数情况下梯级水库群遭遇大坝设计标准以上的洪水是极为少见的, 有时在面临下游设计标准洪水时也尽量控制各种风险事件的发生, 所以上述模型中所包含的各个风险评价指标都可以看作是小概率事件。如果要想得到相对精确的风险估计结果, 运用随机模拟方法 (比如蒙特卡洛) 往往需要进行大量的计算, 尤其是梯级水库群联合防洪调度涉及的因素和变量众多, 计算更为耗时, 为了提高模型求解速度, 以便增加防洪调度风险决策的时效性, 这里将联合调度看做一个系统, 引入一种改进的蒙特卡洛方法[10], 如下图2所示。

基于改进的蒙特卡洛方法框架下的模型求解步骤如下:

(1) 随机模拟得到n场洪水过程系列:

式中:T为调度期。

(2) 结合流域地区洪水特点应用同频率或同倍比等方法对[Qij (t) ]进行缩放得到[q′ij (t) ];

(3) 基于缩放的洪水系列, 按照联合调度规则进行调度, 得到各个水库库水位变化过程Zij (t) 、下泄流量过程qj (t) 和各水库调度期末水库水位值ZLij;

(4) 对于任意一个水库, 求解ZMij=maxZij (t) 和qMj=maxqj (t) , 则得到其对应上述模拟洪水系列的样本点为ZMij、qMj、ZLij (i=1, 2, …, m1) 、ZLij (i=1, 2, …, m2) ;

(5) 应用模拟最大熵理论[11], 求解fr (· ) 、fd (· ) 、 fxs (·) 、fdb (·) ;

(6) 将各密度函数表达式带入模型 (8) , 得到梯级水库群联合防洪调度风险率。

3算例分析

3.1工程概况

选取了长江中上游的两座大型水库 (三峡和溪洛渡) 进行算例分析, 两个水库都是按照一千年一遇的设计标准和一万年一遇的校核标准进行规划, 三峡作为长江中下游地区防洪的关键工程, 是对上游洪水进行调节的重要关卡, 汛期溪洛渡水库在三峡上游直接拦蓄金沙江洪水, 减少进入三峡水库的洪量, 两库联合运行使枝城防洪控制点和城陵矶防洪控制点流量或水位控制在安全流量或水位以下, 达到共同防护下游荆江等地区防洪安全的目的。两个水库的主要参数如表1所示。

3.2溪洛渡与三峡梯级入库洪水过程模拟

梯级水库洪水过程的模拟可以在参考历史洪水过程相关关系基础上, 依据典型水库入库洪水过程的模拟为基准进行同倍比缩放得到。这里采用三峡水库入库洪水预报误差进行控制, 对预报误差的标准差在可行范围内进行分析试算, 从而模拟得到三峡和溪洛渡两个水库的洪水过程样本系列, 模拟流程如下图3所示。

为了符合实际预报调度的需求, 在采用上述方法对三峡入库洪水过程进行模拟的基础上, 经统计分析, 模拟得到的洪水过程的洪峰误差小于1 000m3/s, 最大三十天洪量的误差小于1%, 并在此条件下进行梯级联合防洪调度的风险估计。表2是三峡入库洪水过程模拟分析表。

3.3溪洛渡与三峡梯级联合防洪调度风险估计

溪洛渡水库配合三峡水库进行联合防洪调度曾有专家提出了多种方式, 这里选取了1998年典型洪水过程为例, 时段为6月初到9月末四个月长的洪水过程样本, 洪水过程假设为百年一遇, 洪峰误差小于1 000m3/s, 洪量误差小于1%。经统计分析, 预报误差的标准差大于某一值a≈2时, 模拟的洪水过程样本系列的洪峰和洪量就不再满足上述误差控制条件, 因此, 将预报误差的标准差分为两部分μX∈ (0, a]和μX∈ (a, +∞], 后一部分由于不满足误差控制条件可以认为是一种不合格的预报, 只需对μX∈ (0, a]范围内的进行分析, 调度结果如表3所示。

按照已有调度规程三峡和溪洛渡的蓄水时间不相同, 从上表可以看出, 在联合调度期末溪洛渡水库都能蓄满, 且三峡水库水量也蓄到一定水位范围内, 不会影响后期水库蓄满率。同时, 在遭遇此洪水量级时的, 枝城分洪量随着预报误差标准差的增大而变化, 在预报误差标准差小于0.05时基本不分洪, 但是当预报误差标准差大于0.05时, 分洪量随其增大而增大, 这是由于预报误差的影响使得宜~ 枝区间流量与三峡泄流量之和大于枝城安全泄量的原因。而且在预报误差标准差为0.05时的期望分洪量为0.33, 说明此时存在一定的分洪可能性, 所以要想使得枝城分洪量为0, 需保证预报误差标准控制在 μX∈ (0, 0.05) 的范围内。依据模型 (9) 中表达式计算得到风险率如表4所示。

从表4可以看出, 溪洛渡蓄水不足的可能性较小, 三峡控制水位不达标风险随着预报误差标准差的增大而增大, 且在 μX∈ (0.15, 0.2]时不达标的可能性非常大;枝城分洪风险率也存在着随着预报误差标准差增大而逐渐递增的趋势, 但是存在0.05和0.15两个明显的分界点, 预报误差标准差小于0.05时, 枝城分洪可能性很小, 大于0.05小于0.15时存在一定的分洪可能性, 但是, 当其大于0.15时分洪的可能性很大。因此, 预报误差的大小是下游防洪风险的重要影响因素。

4结语

梯级水库群联合防洪调度是一个非常复杂的过程, 随着现有预报水平的不断提高, 已经基本上可以掌握短期洪水预报的规律, 并在实践过程中逐步得到验证。虽然利用预报结果作为调度的参考依据可以收到很好的效果, 但是预报误差的存在对于调度决策却是一种潜在的威胁, 由于其不可避免性, 需要更深层次地研究, 本文首先提出以防洪目标和约束的破坏概率为要素的风险评价指标体系, 建立了考虑洪水频率大小的梯级水库联合防洪调度风险估计模型, 可以很快确定此频率洪水条件下库群联合防洪调度所面临的风险情况, 在概率意义下了解其形式和影响, 对防洪调度决策具有一定的参考价值。但是这仅是一次有意义的尝试, 选取的水库群和影响因素都在一定程度上进行了概化, 实际水库群调度过程涉及的不确定性因素更多、更为复杂, 需要有兴趣的研究学者结合水库群的特点进一步的探索分析。

参考文献

[1]李伟楠, 周研来, 张代青.基于SAR-Copula模型和Monte Carlo法的防洪调度风险分析[J].中国农村水利水电, 2011, (3) :164-166, 170.

[2]杨百银, 王锐琛.水库泄洪布置方案可靠度及风险分析研究[J].水力发电, 1996, (8) :54-59.

[3]纪昌明, 张验科.基于随机模拟的水库泄洪风险分析[J].人民黄河, 2009, 31 (5) :36-37.

[4]付湘, 王丽萍.防洪减灾中的多目标风险决策优化模型[J].水电能源科学, 2001, 19 (1) :36-39.

[5]李万绪.水电站水库运用的风险调度方法[J].水利水电技术, 1997, 28 (3) :34-38, 46.

[6]王栋, 朱元甡.风险分析在水系统中的应用研究进展及其展望[J].河海大学学报, 2002, 30 (2) :71-77.

[7]冯平, 徐向广, 温天福, 等.考虑洪水预报误差的水库防洪控制调度的风险分析[J].水力发电学报, 2009, 28 (3) :47-51.

[8]钟平安, 曾京.水库实时防洪调度风险分析研究[J].水力发电, 2008, 34 (2) :8-9, 42.

[9]冯尚友.水资源系统工程[M].武汉:湖北科学技术出版社, 1991.

[10]张验科.综合利用水库调度风险分析理论与方法研究[D].北京:华北电力大学, 2012.

防洪安全风险评估论文 第3篇

1InfoWorksICM介绍

InfoWorks ICM(Integrated Catchment Management)模型, 即城市综合流域 排水模型。由英国Wallingford软件公司 开发,是专为污水和雨水模型设计的仿真软件,可以模拟城市雨水循环过程,雨污水收集系统的工作状态以及排水管网系统与地表收纳水体之间的相互作用。特别是,InfoWorks ICM具有城市洪涝灾害的预测评估及解决方案的决策支持功能,能够对降雨事件、水工构筑物运行状态和边界条件进行仿真模拟,为用户提供管渠流量、水位、流速、充满度以及泵的启闭状态等信息,从而对雨天排水系统的运行进行描述[4]。

InfoWorks ICM包含排水管网系统水力模型,河道系统水力模型和二维城市/流域洪涝淹没模型。系统模拟城市雨水循环过程,能实现城市排水管网系统模型与河道模型的整合,有效地模拟地下排水管网系统与地表收纳水体之间的相互作用。

2模型建立

2.1研究区域概况

武汉长江隧道武昌段所在区域是以建筑为主的主城区,研究面积约为44.3hm2,区域内包括建筑、道路、草地等地表类型。武汉长江隧道武昌段止于友谊大道东侧,接线道路为楚汉路,沿友谊大道南北方向设有进出匝道两条。

参考《武汉长江隧道应急排水工程可行性研究报告》[3]中汇水区域划分情况,并在实地调研的基础上,确定模型的模拟范围(见图1)为:西至武九铁路,北至理工大河校小区,南至环湖路中,东至美城清芷园小区。

2.2建模过程

2.2.1排水系统数据库建立

参考《长江隧道给排水总平面图》和《武汉长江隧道武昌线路平面图(终稿)》,从《武汉长江隧道排水管网施工图》上将检查井和管道的相关信息录制成CSV格式的文件,以便导入 至模拟软件中。

2.2.2研究区域地面模型建立

为了对研究区域的地面积水情况进行模拟,需要建立该区域的地面模型。由于缺乏地形图资料,采用的是将CAD中排水管网图上的地 面高程点 的信息录 制成TXT格式文件,在ICM软件中生成TIN地面模型[4],并通过实 地调研进 一步核实了地面模型的准确性。

2.2.3综合流域排水模型建立

在Arcgis平台下[5],将属性数据输出为InfoWorks ICM所需的.shp格式,导入排水模型,进行拓扑结构分析和检查后,进行模型模拟。将现状下的研究区概化为子汇水区85个,雨水管道88根,检查井92个;规划研究区概化为子汇水区136个, 雨水管道137根,检查井145个。

隧道主通道入口处雨水泵房和江中废水泵房在模型中概化为3台雨水泵(单泵流量1 265m3/h)和3台废水泵(单泵流量为151.2m3/h),泵的启闭水位根据实际进行相应设置。

2.3模型参数

对于汇水区的参数设定,经过实地调研,可以将该区域地表产流类型归纳为沥青道路、屋面和其他区域三类,根据实际情况,参考Infoworks ICM帮助手册中有关内容和室外排水设计规范[6](GB50014-2006),确定沥青 道路的径 流系数设 置为0.9,汇流参数设为0.01,屋面的径流系数设为0.85,汇流参数设为0.01,其他区域的径流系数设为0.6,汇流参数设为0.03。

2.4降雨事件

降雨过程是暴雨模型最主要的输入数据,所需的降雨过程可以是实测降雨资料,也可以是人工合成设计降雨过程线,即合成降雨模型。

实测降雨资料可通过气象部门或自建的雨量记录设备获取;合成暴雨模型则是用统计数学的方法获取。目前常用的合成暴雨模型方法有Huff法、KC法、PC法和YC法,国内适用 性较好的芝加哥合成暴雨过程线即KC法是由Keifer和Chu在芝加哥进行雨水管网系统研究时提出的。该过程线可以根据某一特定重现期的强度-历时曲线制定出来,将当地暴雨强度公式中的各参数代入设计暴雨过程线即可获得反映当地暴雨特征的设计暴雨过程线[7]。

在本模拟研究中,均采用2h历时合成的芝加哥雨型[8]来描述降雨事件,模拟时间为4h。设计暴雨强度采用2000年修编汉口地区暴雨强度公式[9]:

式中:q为暴雨强度,L/(s·hm2);P为设计降雨重现期,年;t为降雨历时,min。

式中:i为降雨强度,mm/min。

则暴雨过程线可分为峰前上升段和峰后下降段。

峰前上升段:

峰后下降段:

式中:ia,ib为瞬时暴雨强度;a,b,n为暴雨强度公式 中的地方 参数;t1、t2分别为峰前与峰后的时间;r为雨峰系数(峰前历时与总历时之比),本模型取r=0.4[7,10]。

3模拟结果及分析

3.1 2013年7月7日隧道渍水事件重现

根据武汉市水务局监测统计,2013年7月5日下午5时至7日下午10时,武汉市遭遇持续强降雨,部分地区降雨达到特大暴雨级别,中心城区最大降雨量达到337.5mm,武昌地区最大小时降雨量约50mm,约为5年一遇水平。因此,在模型中将运用芝加哥雨型合成武汉市5年一遇的降雨过程线,降雨过程线如图2。

事故过程中,江中废水泵正常工作,雨水泵房有一台雨水泵未能正常工作,在模型中进行相应设置。

模拟结果如下:

(1)主要积水点对比。图3显示了模拟过程中的积水点和积水区域。与渍水事件过程中的实际积水点基本吻合。

(2)隧道内积水量对比。模型能否准确模拟隧道内渍水情况对验证模型可靠性至关重要。根据《关于7月5-7日暴雨期间的工作情况汇报》,东线江中泵房积水长度约480m(估算积水1 600m3);此外,武昌工作井地下三层也有部分积水(估算积水250m3),故实际的总积水量约为1 850m3,而模拟结果中隧道内积水为1 900m3,故与模拟结果十分相近。

以上两个方面模拟结果基本反映了渍水事件的实际情景, 说明所建立的模型能反映隧道排水系统的实际情况。

3.2匝道入口垫高路面龟背对隧道积水量影响

为了说明各匝道入口处路面龟背加高0.2m(如图4)后防止积水倒灌的效果,至此按照2013年7月7日水灾模拟重现中的相关设置对龟背垫高后的现状管网进行了模拟。模拟结果显示各匝道均无倒灌流量。对比之前龟背未加高的情况,隧道积水量为420m3相比渍水事件中减小了近80%,可知加高龟背对减小隧道积水起到了十分有效的作用。

在隧道雨水泵房和江中废水泵房正常工作的情况下,通过试算法,对现状管网进行了多个降雨重现期下的模拟,结果显示在降雨重现期为4.6年一遇的情景下,隧道的积水量刚好达到江中废水泵房集水池的最大容积约94m3,即隧道能承受的最大积水量;在降雨重现期为22年一遇的情景下,隧道的积水量与2013年7月7日水灾的积水量相当。

3.3隧道高区排水系统改造后模拟结果

3.3.1改造方案简介

根据《武汉长江隧道应急排水工程可行性研究报告》[3]中的描述,隧道改造方案如下:

在长江隧道F匝道旁布置一排DN1 500mm排水管道,该管排入环湖路在建排水箱涵BH=2.2m×2m后汇入新生路雨水泵站抽排出江;在C匝道南侧友谊大道路边设置一体式盖板沟BH =400 mm×400 mm,最终汇入E匝道一侧 新增DN1 500mm雨水管;在C匝道西侧车行道边上增设一排BH =300mm×400mm~500mm×600mm的截水沟,最终汇入F匝道一侧新增DN1 500mm雨水管。在长江隧 道D匝道入口处设置DN1000mm雨水管接现状DN1 500mm管;在D匝道北侧人行道边设置BH=300mm×400mm~500mm×600 mm的截水沟收集沿线雨水接入F匝道一侧新增DN1 500mm雨水管;友谊大道南侧路边新增一排DN600 mm管接入F匝道一侧新增DN1 500mm雨水管。新增管道如图5所示。

对隧道高区排水系统的改造是为了通过提高隧道周边区域管网的排水能力来间接改善隧道的排水环境,降低或者消除因周边区域排水不畅导致积水倒灌入隧道的可能。

3.3.2改造管网排水能力评估

为了解隧道高区排水系统改造后的排水管网的排水能力, 在隧道雨水泵房和废水泵房运行正常的情况下,通过试算法, 对改造后的管网进行了多个降雨重现期下的模拟,在此仅罗列出有代表性的重现期为40年,50年和100年的降雨模拟结果, 如表1。

从以上模拟结果看出,重现期为40年一遇的降雨情景下, 隧道积水量远小于 隧道江中 废水泵房 集水池的 容纳体积94 m3,即没有超出隧道积水量的最大承受能力;在重现期50年一遇的降雨情景下,积水量刚好达到隧道江中废水泵房集水池的容纳体积;遭遇百年一遇 降雨,隧道积水 量也不及 改造之前5年一遇降雨隧道内的积水体积。

4结论

本文以武汉长江隧道武昌段及其周边的雨水排水系统为研究对象,使用InfoWorks ICM软件建立雨水排水系统模型, 利用2013年7月7日隧道渍水事件验证了模型及相关参数选取的正确性。

对隧道各匝道口路面龟背垫高后的现状雨水管网进行了与“7.7”渍水事件重现相同设置的模拟,隧道积水量由渍水事件中的1 850m3减少为420 m3,表明隧道匝道入口路面龟背增高0.2m可减少该情景下隧道积水量近80%,是十分有效的减少隧道积水的措施。而后,通过试算法对雨水泵和废水泵正常工作情景下的现状管网进行了多个降雨重现期下的模拟,结果显示降雨重现期为4.6年一遇时,隧道积水量刚好达到其最大承受力,经改造后,当重现期为22年一遇时,隧道积水量与2013年7月7日渍水事件中隧道积水量相当。这既进一步证明了在匝道口垫高路面龟背可有效减少隧道积水,也得出了现状管网所能承受的最大降雨。

防洪安全风险评估论文 第4篇

水库防洪调度风险[1]泛指在特定时空环境条件下, 水库防洪调度运用过程中所发生的非期望事件。水库防洪调度风险分析是指对水库防洪调度中存在的各种风险进行识别、估计、评价, 并在此基础上优化组合各种风险管理技术, 做出风险决策。

水库大坝的安全事故不仅会带来经济损失, 甚至酿成灾难。大坝安全风险[2]总是客观存在, 无论大坝的防洪标准有多高, 总存在着一定的防洪风险。防洪风险率作为防洪安全水平的指标可以作为防洪安全标准的合理决策的基础。因此, 研究大坝防洪安全风险率, 定量大坝防洪安全度, 有很重要的现实意义。

在贝叶斯框架下, “风险”[2]被定义为一个精确失事事件所引起的期望损失;在随机水文学中它被定义为一个失事事件发生的概率。目前一般认为风险定义应包括以下3个方面的内容:失事事故类型、失事事故概率以及事故后果。

水库防洪分类预报调度方式风险是指水库在实施防洪分类预报调度方式时, 失事事件发生的可能性或概率[3]。基于调洪最高水位或下泄流量确定风险率的方法, 水库防洪分类预报调度方式的风险率可以定义为实施防洪分类预报调度方式时, 由于预报误差等不确定性因素造成的水库调洪最高库水位超过相应设计防洪标准, 或下泄流量超过下游安全泄量的概率。计算公式见式 (1) :

式中:Pf为风险率;Z为调洪最高水位;Z防为水库各设计防洪标准水位;Q为水库泄量在防护点的组合流量;Q安是防护点的安全泄量。

本文所指的风险概率即实际调度过程线位于预测调度过程区间外的概率, 计算公式为:

式中:Z下为预测区间上限水位值;Z下为预测区间下限水位值;Q上为预测区间上限流量值;Q下为预测区间下限流量值。

2 水库防洪调度风险分析模型

本模型风险分析主要包括3个模块:①基于MMGLUE方法的RROMM模块;②用于不确定性水文预报的新安江模型;③水库优化调度模型DDDP。

2.1 RROMM模型

在基于马尔科夫链-蒙特卡洛算法的改进通用似然不确定性估计方法[4]基础上, 进一步提出了RROMM (Reservoir Risk Operation Model based on MMGLUE) 方法结合MMGLUE不确定性水文研究方法与水库调度模型, 采用区间预报代替原先的确定性预报。量化了预报调度区间的风险, 并且能够分析多目标调度的风险。

RROMM方法步骤如下, RROMM方法结构流程图如图1所示。

(1) 通过随机取样n组参数组, 输入水文模型, 从而得到若干组组流量过程, 采用MMGLUE方法[4]从获得入库流量最优预测区间, 设区间内可行流量序列为n组。

(2) 分别以各个目标函数单独运行水库调度模型, 从而获得相应的n组相应的调度过程B[1:m, 1:n, q:l]。其中, m表示目标函数个数;l表示预报调度时段长。

(3) 设预测调度过程, 计算调度过程区间, 具体步骤如下:

①将所得的可行模拟调度序列B[1:m, 1:n, 1:l]以各时段为单位, 由高到低排序, 预报区间的上下界由如下公式计算:

式中:Bi, up, t为预测调度区间上限;Bi, low, t为预测调度区间下限。

②由于多种目标函数推求的预测区间的交集分别满足其相应的目标函数, 因此决策者可以根据实际需要在交集区 (B[1, low:up, 1:l]∩B[2, low:up, 1:l]∩…B[m, low:up, 1:l]) 或并集区 (B[1, low:jp, 1:l]∪B[2, low:up, 1:l]∪…B[m, low:up, 1:l]) 进行决策。

2.2 入库流量预报模型———新安江模型

本文入库流量预报模型采用新安江模型。作为我国应用最广泛的概念性水文模型[5], 主要特点是认为湿润地区主要产流方式为蓄满产流, 模型的核心为流域蓄水容量曲线, 该模型由原河海大学赵人俊于1973年对新安江水库作入库流量预报工作中提出。该模型主要由流域三层蒸散发模型, 蓄满产流模型、流域三水源划分模型构成。流域的产流部分采用蓄满产流法, 地面径流汇流过程计算采用纳希 (Nash) 瞬时单位线, 壤中流和地下汇流采用地下水库调蓄演算的方法。

2.3 水库优化调度模型-DDDP方法

本文采用DDDP方法作为水库防洪调度方法。

DDDP方法的原理及步骤见参考文献[6], 结构流程图见图2。

3 RROMM模型的实践与应用

3.1 七一水库概况

七一水库校核洪水位96.19m, 设计洪水位96.11m, 正常蓄水位94.0m, 防洪水位95.41m, 防洪标准是按照《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准 (山区、丘陵区部分) SDJ12-78》规定, 各主要建筑物采用的设计洪水标准为300年一遇。大坝和副坝的保坝洪水标准为可能最大洪水, 溢洪道及其他建筑物采用千年一遇的洪水标准校核。

3.2 1998年特大洪水调度情况

1998年7月23日8时至24日8时, 七一水库库区普降大暴雨, 各站点降雨情况如下:金沙站261mm, 大树坞站270mm (人工测量) , 七一坝址站205mm (人工测量) , 其他各站点当时有小故障。其中金沙站12时至18时降雨达到160mm。

在“7.23”特大洪水调度中拦蓄洪水2 000多m3, 为下游鳗鱼养殖基地避免直接经济损失1.2亿元, 以及下游五县二市人民的生命财产和社会经济效益达十几亿元。

本文以7.23特大洪水作为模拟对象, 检验RROMM方法的应用效果。

3.3 目标函数与约束条件

3.3.1 目标函数

对于下游有防洪点的单库防洪问题, 洪水调度关心3个主要指标[7]:水库的最高水位, 最大下泄量与调度期末的水库控制水位。

但从现状看, 准确获取洪灾损失信息有很大困难, 以至该法难以在实际中应用[7]。传统的处理方法是权重协调法, 即通过确定水库最高水位与最大下泄量的权重, 将多目标问题转化为单目标问题:

式中:Zmax为水库最高水位;Qmax为防洪断面最大过水流量 (无区间补偿则为水库最大下泄量) ;α1、α2为权重。权重的确定方法很多, 如层次分析法, 专家评分法, 模糊数学方法等;这些方法对无响应时间要求的多目标决策问题具有重要价值, 尤其在规划设计 (如流域规划、防洪规划) 中, 为协调各目标 (反映不同部门利益) 之间的矛盾提供了实用技术手段。

3.3.2 约束条件

(1) 水量平衡。

式中:Ii为时段i的水库入流;Vi为时段i的水库库容;t为计算时段长。

(2) 库容限制。

式中:Vl为水库蓄水量下限;Vu为水库蓄水量上限, 根据不同的来水情况取值。

(3) 泄洪流量约束。一般情况下, 只考虑水库在某一水位Z的最大泄流能力[8]Omax, 即:

4 结果与讨论

4.1 入库流量区间预报

采用MMGLUE方法对水库32h内可能来水过程估计一个预测区间, 结果见图3。

如图3所示, 采用MMGLUE方法估计的入库流量预测区间对实际入库流量覆盖良好, 为进一步准确估计调度过程预测区间打下良好基础。

4.2 风险分析

图4、图5中黑色实线部分表示1998年特大洪水过程的七一水库的实际调度过程线。由图4、图5可明显看出, 采用RROMM方法预报的基于各种不同风险概率的调度预测区间对实际调度过程拟合较好。

实验结果表明, 采用RROMM模型, 能够在准确预报水库未来来流不确定的情况下, 较为恰当的预测水库的调度过程, 分析水库调度的风险。

综合分析以上结果, 证明RROMM方法, 能够较为准确的预报水库防洪调度区间及其相应的风险概率, 并能够对多水库防洪多目标调度风险进行估计。

5 结语

本章将不确定性水文预报直接输入到水库调度模型中, 构建了RROMM模型, 从而提出了考虑水文预报误差的水库风险调度模型。得出了如下结论:

(1) 由于水文预报误差是最主要的风险源, 直接将多个预报过程输入调度模型, 可充分考虑流量的相关关系, 保持了预报误差的统计特性, 为水库风险调度提供了思路和途径。

(2) RROMM方法可估计防洪调度过程的区间分布, 为调度决策提供了更多的信息和选择余地。

RROMM方法存在如下缺陷尚待改进:RROMM方法预报的预测防洪调度过程区间仅分析了由入库流量不确定性的引发的风险, 即狭义风险[9], 分析的风险诱因不全面, 有待进一步完善。

参考文献

[1]管新建, 张文鸽.水库防洪调度风险分析研究进展与发展趋势[J]中国水利, 2004, (9) .

[2]肖义.水库大坝防洪安全标准及风险研究[D].武汉:武汉大学, 2004.

[3]刁艳芳, 王本德, 董洁, 等.防洪预报调度方式综合特性风险率计算方法研究[J]水力发电, 2010, (10) .

[4]卫晓婧, 熊立华, 万民, 等.融合马尔科夫链-蒙特卡洛算法的改进通用似然不确定性估计方法在流域水文模型中的应用[J]水力学报, 2009, (4) .

[5]丁晶, 邓育仁.随机水文学[M].成都:成都科技大学出版社, 1988.

[6]王战策.基于电力市场梯级水电站短期优化调度研究[D].西安:西安理工大学, 2008.

[7]付磊.基于B/S模式的水城水库洪水调度系统的研究与开发[D].昆明:昆明理工大学, 2006.

[8]刘攀.水库洪水资源化调度关键技术研究[D].武汉:武汉大学, 2005.

防洪安全风险评估论文 第5篇

关键词：小水库,加固除险,安全,防洪

我省现有多座小水库, 这些小水库为工农业生产发展发挥了巨大作用。然而, 大部分兴建于二十世纪五、六十年代, 工程上得急, 前期工作不充分, 有的是边设计、边施工, 有的甚至无设计, 缺乏严格的审查程序, 致使工程标准很难控制。水库历经多年运行, 老化退化严重, 维修管理跟不上, 多数工程带病运行。近年来, 也只有少部分小型水库搞了维修加固, 且大部分是搞些零星修补, 不能从根本上提高工程标准。通过调查摸底, 目前, 小水库存在的问题主要表现在防洪标准达不到规定的设计要求, 且有的水库大坝砌石护坡坍塌, 有的坝体裂缝、坝基渗漏, 有的工程设施不完善等。

1 目标

按照上级要求, 结合我省实际情况, 2007年-2009年, 用3年时间基本完成我省现有病险水库加固任务, 大幅降低全省水库病险率。

2 资金测算和筹措方法

2.1 测算原则和方法

根据《黑龙江省人民政府办公厅关于印发黑龙江省病险水库除险加固实施方案的通知》黑龙江省水利厅《关于重点小型病险水库加固工程省级配套资金等有关事项的通知》及《关于对列入省计划内病险小型水库除险加固省补资金有关情况的通知》等文件精神, 本次加固主要考虑水库大坝、放水涵、溢洪道等三大部分的除险加固以及部分必须的管理设施等建设。对列入国家规划的重点小型水库实行按市定额补助, 平均每座水库补助按照中央确定的平均投资额450万元、中央和省级承担70%的比例计算, 即每座水库315万元;对列入省计划的小水库除险加固工程投资, 根据省财政厅、省水利厅对病险小型水库除险加固工程抽样测算结果, 小 (一) 型水库除险加固平均投资额为300万元/座, 小 (二) 型除险加固平均投资额为100万元/座。省以此为标准并按50%的比例安排省级补助资金, 小 (一) 型以市为单位、小 (二) 型以县为单位, 实行定额包干使用。对列入计划的我省小水库除险加固工程, 市、区承担资金部分, 由市与区按6:4的比例分担。

2.2 资金筹措

根据中央、省有关精神, 加大对病险水库除险加固的投资力度。为加快我省小水库除险加固进程, 各级要加大力度, 多渠道、多层次筹措建设资金, 以保障配套资金足额到位。按照国家、省下达的年度投资计划按比例足额落实配套资金, 同时应发动受益区群众采取“一事一议”方式积极参与小水库除险加固工程建设。市级财政要将国家、省级以及本级配套资金纳入财政专户管理。

3 加快建设, 强化管理, 扎实开展水库除险加固工程

我省的水库大多建于二十世纪五、六十年代, 受当时技术及经济条件等限制, 加上经过长期的运行, 安全隐患问题日益突出。

3.1 认真调查摸底, 制定实施计划

为了彻底摸清病险水库现状, 找出存在的问题和病因。水管部门工程技术人员参加的病险水库检查组, 对全省范围内的所有小型病险水库逐一会诊, 拿出除险加固的意见和措施, 并分别编制小水库除险加固的实施方案。并本着“先急后缓、先重点后一般”的原则, 对所有病险水库进行分类排队, 制定了年度实施计划。

3.2 广开渠道, 多方筹资

根据我省关于小型病险水库治理资金采取先干后补的意见。市、乡两级政府及有关工程管理单位不等不靠, 采取市里拿一点, 乡镇集一点, 受益单位出一点的办法, 积极筹措资金, 加快工程建设。工程建设资金的使用皆由工程建设单位统一管理, 做到专款专用, 凡是未经验收签字的工程不支付。

3.3 强化建设工程管理, 严格建设程序

工程建设本着公开、公正、公平的原则, 实施阳光操作, 对每项工程都进行招投标, 择优施工队伍, 保证了工期和质量。按照“三制”要求, 严格建设程序。

3.4 加强质量管理

针对小型水库除险加固工程项目较多的实际, 市、镇两级专门成立了工程建设质量管理领导小组。明确主要项目责任人、技术负责人, 并规定各有关单位主要负责人为第一责任人, 对工程实行终身负责制。工程实施期间, 制定科学合理施工组织设计, 对施工过程进行跟踪检查。并结合工程实际情况制订严格的管理制度, 严格检查验收签字程序, 保证了工程质量。

3.5 认识到位, 加强调度, 认真督办

认真学习省、市有关病险小水库除险加固实施意见。并充分利用防汛会、水利工作会, 宣讲小水库除险加固的重要性。通过观看国家防总制作的《水库垮坝警示录》, 起到极大的震撼力, 各级都从思想上认识到病险小水库就像“两把利剑”悬在我们的头顶上, 加快病险小水库除险加固刻不容缓。并本着实事求是, 量力而行, 先急后缓的原则, 科学制定实施计划。计划内的水库除险加固工程, 定期进行检查督办。对影响工程进展的问题做到及时解决。考虑到有关乡镇筹资困难的实际, 市里挤出部分资金用于工程启动。调动了各乡镇工作的积极性, 推动了该项工作的开展。

3.6 努力探索适宜小水库管理的路子

长期以来, 沿用旧管理模式, 使多数小水库处于管理工作薄弱、综合效益不能充分发挥境地。针对这些问题, 我们以小水库除险加固为契机.规范了小水库的管理, 达到了以建促管效果。

3.7 规范水库除险加固工程建设管理, 加快工程实施进度

水库除险加固要严格按基本建设程序管理。一是严格项目法人组建。水库加固项目在开展前期工作的同时应完成项目法人组建。小型水库加固工程由所在县 (区) 水利局负责组建项目法人。项目法人的组织机构和技术力量必须满足工程建设需要, 主要管理人员须经培训后上岗。二是规范招投标管理。水库除险加固工程的施工、监理、主要设备和材料采购, 要按照有关规定进行公开招标。各级主管部门要加大招投标工作的监督力度。三是加强工程监理管理。监理单位要切实履行监理职责, 规范监理行为, 要严格按合同规定, 认真做好进度、质量和投资的控制。监理工程师要持证上岗, 严禁同体监理, 确保监理效果。工程实施中应严格控制合同外项目的发生, 不随意变更已批复的设计。四是强化工程质量管理。建立健全水库加固工程质量责任制, 全面项目法人负责、监理单位控制、施工单位保证和质监部门监督的质量保证体系。

我省在水库除险加固和水管体制改革工作中, 虽然取得了一定成绩, 但与快速发展的经济社会的需要, 与构建和谐水利的要求还有较大差距。在今后的工作中, 我们将继续创新工作思路、方法和手段, 积极探索新模式、不断做活水文章, 为水利事业全面可持续发展作出积极的贡献。

参考文献

[1]曹金平.小型水库设计洪水标准初探[J].海河水利, 1993, 6.[1]曹金平.小型水库设计洪水标准初探[J].海河水利, 1993, 6.

[2]宋国宏.浅议小水库的防洪问题[J].河北水利, 1994, 4.[2]宋国宏.浅议小水库的防洪问题[J].河北水利, 1994, 4.

防洪安全风险评估论文 第6篇

广西梧州市位于广西东南部,浔江、桂江相汇成西江的交汇处,集广西700多条河流水量,流经梧州的出水量约占广西总径流量的85%以上。1987年7月,梧州市被列为全国首批25座重点防洪城市之一。梧州市区由桂江分隔成河东、河西两大片城区,2个城区主要依靠已建成的河西防洪堤和河东防洪堤来抵御洪水。

梧州市河东防洪堤工程位于梧州市河东区,呈半圆状拱卫河东城区(见图1)。何东防洪堤北起龙母庙上游桂林路,东止于西江三路云龙大桥脚,全长约3.6 km。该工程主要由防洪墙和堤内排水系统组成,主要建筑物有钻孔灌注桩和沉管灌注桩、防渗墙、钢筋砼防洪墙、交通闸、护岸、堤后集水渠等。防洪堤按10年一遇洪水标准设计,主要建筑物等级为2级,次要建筑物等级为3级。工程于2002年10月开工建设,2003年9月建成。此后,每年汛期防洪堤均发挥了防洪效益,并经历了2005年“6·23”超百年一遇洪水的考验。

2 安全复核的必要性

2005年6月23日,梧州市遭遇了超百年一遇洪水(洪水水位26.75 m),超过防洪堤设防标准,洪水漫过堤顶泄入城区。洪水期间,发现防洪堤后有管涌、人行道路面砖变位起拱、路缘石外倾等现象,尤其以桂江段0+200-0+850段较为突出。自2005年以后,每年桂江段防洪堤即使能挡小洪水,但有些堤段堤内人行道地板砖仍然出现不同程度的隆起及路缘石局部外拱变形等现象,初步分析是由于河东防洪堤在遭遇了2005年6月23日的超标洪水对群桩周边土体及前后填土造成一定的塑性变形,而灾后尚没有得到全面加固所造成的。

为了进一步了解河东防洪堤在经历了超标准洪水运行后防洪堤的安全性,更好地为河东区防洪决策提供科学依据,确保河东堤安全运行,确保河东区人民的生命财产安全,梧州市人民政府开展了河东防洪堤的安全复核论证工作。

3 安全复核方法

3.1 桩基水平承载力复核

河东防洪堤承受的主要荷载是洪水水平推力,由基础桩群承担,而防洪墙墙身结构强度经复核满足规范要求,因此,防洪堤的安全性主要取决于桩基水平承载力的安全性。

根据2008年新版《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)的要求,采用新规范对桂江段基桩的单桩承载力进行复核计算。计算采用一个标准堤型单元进行,沿轴线长16 m,宽9 m,布置3排5列共15根钻孔灌注桩。防洪堤群桩基础中基桩应满足下式要求:

式(1)中,Hik—在荷载效应标准组合下,作用于基桩1桩顶处的水平力;Rh——群桩中基桩的水平承载力特征值。

采用m值法对基桩水平荷载、基桩水平承载力特征值进行计算,根据桂江段堤基沿线岩土层资料及查阅《建筑桩基技术规范》表5.7.5得出,地基土水平抗力系数的比例系数m值取值为6 MN/m4,将各参数代入公式计算后,得出Hik=478kN≥Rh=383.5 kN,不满足规范要求。经过将公式进行反向推算,当m值提高到m≥11.6 MN/m4时,便可满足规范Hik≤Rh的要求,这就需要通过对堤基的杂填土采用充填灌浆等工程措施,提高黏性土的液性指数或填土的密实度,从而提高防洪堤群桩中基桩的水平承载力,确保防洪堤在自然漫顶时安全运行。

3.2 防洪堤变位有限元数值法分析

基于防洪堤基桩的形状及桩的平面布置特点,桩土相互作用、防洪墙与土相互作用和土体变位过程并非平面应变过程,而是一系列复杂的非线性三维作用过程。为了从多个角度进行河东防洪堤的安全复核,本次分析亦采用了有限元数值理论和方法。有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法,在连续体力学领域的静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法。

根据堤防结构的特点及参考堤防施工图和地质层分布,取3.2 m单位结构进行计算,建立3D有限元计算模型,采用3个阶段进行分析计算,即计算挡水前的堤防、堤后土及基础受重力作用下的初始应力,堤防、堤后土及基础应力初始化,堤防、堤后土及基础在重力和洪水的共同作用下发生的变位。计算的主要成果见表1。

根据表1中的数据及计算机显示的水平位移云图、竖向位移云图、合位移云图分析可以看出,在洪水荷载作用下,堤防、基础及前后土体均发生了较大变位。堤防的变位主要是平动,倾角极小,堤前的土体向河道微小滑动,呈上部沉降,下部外凸;防渗墙后、桩基础后及堤后土体被挤压变形,人行道上拱,路缘石外倾斜。计算结果与现场实际发生的情况相吻合。

3.3 防洪堤堤基隐患勘探

上述2种对河东防洪堤进行安全复核的方法只是理论上的数据分析方法,对于已建成并运行了5年的河东防洪堤,特别是经受了2005年“6·23”超标准洪水后,该防洪堤堤基土的空脱损坏情况、防渗墙与防洪墙底板连接段是否有拉裂、基础桩周杂填土是否产生塑变形形成空隙等,都没有一个直观的检测数据来支持。因此,梧州市防洪堤工程建设管理处对河东防洪堤堤基进行了隐患勘探,勘探方法采用不损伤防洪堤的物探法,包括高密度电法、探地雷达法,并结合采用一定的钻孔取芯及土工试验手段,检查堤基土的土质、密实度、含水量、孔隙比、液性或塑性等土体力学指标,为河东防洪堤安全复核及堤防加固方案的设计提供可靠的依据。

隐患勘探工作布置:①采用高密度电法现场进行杂填土隐患探测,探测剖面顺堤布置2条,分别位于堤内人行道上和堤外水泥土防渗墙顶面,点距4 m;②采用探地雷达法对高密度电法探测异常堤段及堤内隆起、外拱变形堤段进行堤基桩台砼底板与杂填土层的脱空部位状况探测,探测剖面顺堤布置于堤外观景道上的堤轴线内侧,点距0.5m。

综合上述物探方法成果得出结论:在桂江段防洪堤内、外的土体不同高程位置处均存在不同程度的松散区及严重松散区,是引起堤基变形的直接原因。

综合对钻孔描述及取样土工试验的成果分析,参照健筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008),灌浆后杂填土层抗力系数的比例系数(m)建议按11.4 MN/m4取值计算,素填土层抗力系数的比例系数(m)建议按13.6 MN/m4取值计算。

3.4 安全复核结论

综合上述几种安全复核的计算成果及分析结论可以看出,河东防洪堤桂江段的上部结构强度和桩身强度是足够、安全的,在挡洪时墙体发生较大变形的原因主要是桩周土体,特别是桩顶以下4 m范围的土体强度低,压缩性大,在挡洪期水平荷载作用下压缩变形,这个范围的土层正是桂江段河东防洪堤浅层广泛分布的杂填土。在2005年的“6·23”超百年一遇洪水漫堤顶后,防洪堤群桩桩周杂填土被水平荷载挤压,局部产生了塑性变形,在桩周水平荷载作用方向留下了一个扇形展开空隙,这空隙位于承台底桩周壁,难以通过自然回淤充填,汛后也没有采取工程措施进行加固。

为有效地控制堤防变位,确保防渗墙的防渗效果,在防渗墙、桩周及堤后一定范围内(主要为塑性应变范围较大的土体区域)采取合适的措施强化土体强度的抗渗力。如,采用灌浆等措施。

4 工程加固设计

4.1 设计方案

经过设计人员对方案进行比选,确定河东桂江段防洪堤安全加固的工程措施为充填灌浆措施。

加固范围为桩号0+4.175-1+452.177堤段防洪堤底板下全部杂填土和堤后土层第一应力破裂角范围内土体,沿水平荷载作用方向的灌浆范围如下。

(1)基桩内侧周壁杂填土层充填灌浆。钻孔布置于每根基桩背河侧,距桩周约0.3m处,直接对塑性变形后的扇形空隙灌浆充填,深度至杂填土层下2 m,并且孔深不得小于6 m。在水平力作用方向的两根基桩间,按约1.0 m孔距加密1个灌浆孔,以使沿水平力作用方向桩间土体的物理力学性能得到提高,从而提高防洪堤桩基的水平承载能力。桩间土体充填灌浆目的是提高土体强度,故灌浆浆液采用纯水泥浆。考虑到孔距较大的因素,吸浆量按600～800 kg/m计算。

(2)防渗墙背河侧杂填土层充填灌浆。原桂江段防渗墙为采用多头小直径搅拌桩和高压摆喷工艺成墙的水泥土薄墙,在杂填土层成墙施工过程中,由于各种杂物的影响,防渗墙难免会存在一定的裂隙孔洞,同时考虑经2005年“6·23”超百年一遇洪水漫顶使水墙发生体位移的影响,会造成局部防渗墙墙体拉裂损坏,因此,有必要对河东防洪堤进行充填灌浆加固修复防渗墙存在的裂缝、裂隙。灌浆孔布置于防渗墙轴线内侧0.5 m处,孔距为1.0～1.2 m,灌浆深度至杂填土层下2 m,并且孔深不得小于6 m。灌浆目的在于加强防渗效果,灌浆浆液采用黏土水泥浆。吸浆量按1 000～1 200 kg/m计算。

4.2 充填灌浆主要参数

4.2.1 浆液

灌浆浆液采用黏土水泥浆或纯水泥浆。采用黏土水泥浆时水泥等级应为32.5R或以上的普通硅酸盐水泥,黏土塑性指数Ip=10～25,黏粒含量20%～45%%,含沙量<10%,有机含量<2%%;干料配比为水泥:黏土=1:1,浆液浓度(水:干料)为4级:2:1、1:1、0.8:1和0.6:1。采用纯水泥浆灌注时,水泥浆必须采用32.5R或以上的普通硅酸盐水泥配制,水灰比也采用4级:2:1、1:1、0.8:1和0.6:1。

4.2.2 灌浆工艺

灌浆压力为0.03～0.15 MPa。土层钻孔采用套筒护壁,应用干法造孔,不得用清水循环钻进;复灌时间可定在初灌后不少于15 d,复灌次数至少为1次,一般为1～3次。

4.2.3 终孔与封孔

对充填灌浆一般采用孔口压力为定值来并浆终孔,此定值为△P≤0.05 MPa,即在此定值下,孔内注入率≤0.4 L/min时,继续灌注30 min后不再吃浆即可终孔。

灌浆结束,应在泥浆排水初凝后再进行封孔。防洪墙底板以下土体的封孔应视孔口的破坏情况分别采用泥球封孔和浓泥浆封孔;防洪墙底板、肋墙应采用C20砼人工封孔,防渗墙后灌浆孔封孔后,再进行人工开挖厢格内填土,现浇一块厚度为0.2 m厚C20砼板覆盖孔口,以防止洪水期河水通过封闭不严的钻孔渗入堤内。

5 结语

河东防洪堤桂江段加固工程于2009年2月开工建设,2009年5月完工,经业主委托水利部珠江委员会基本建设工程质量检测中心对该工程进行竣工验收质量检测,共抽检30个孔,检测结论为:①灌浆后,30个终检孔的杂填土层的渗透系数K=3.68×10-5cm/s～2.8×10-7cm/s,符合设计渗透系数(不大于1×10-4cm/s)的要求;②灌浆后,30个终检孔的填土层抗力系数的比例系数(m)标准值>12.76 MN/m4,符合设计(m≥11.6 MN/m4)的要求。

2009年7月上旬,梧州市遭遇一场洪水,洪峰水位为21.85 m,经现场查看,桂江段堤后沿线人行道地板砖除有几处小面积起拱外,没有出现大面积起拱现象,与2008年同等水位下出现的情况相比较,灌浆效果明显,从而印证了本次河东防洪堤的安全复核结论,并说明所采取的工程措施是有效的,提高了河东防洪堤桂江段桩基水平承载力,有效地控制了堤防变位。

摘要：阐述了对广西梧州市河东防洪堤进行安全复核的缘由,介绍了几种安全复核的方法和工程加固设计方案,并结合现场实际情况论证河东防洪堤安全复核的结论,证明对其所采取的工程措施是有效的。

关键词：河东防洪堤,安全复核,加固设计

参考文献

[1]中国建筑科学研究院.建筑桩基技术规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]中水珠江规划勘测设计有限公司.广西梧州市河东防洪堤加固工程初步设计报告[R].2009.

防洪安全风险评估论文 第7篇

1.1 基本情况

白水县境内河流均属北洛河水系, 主要支流有白水河、铁牛河、孔走河3条, 支毛沟有1178条, 有水流的49条。流长在50km以上的河流有洛河、白水河2条河流, 流域面积在100平方千米以上的河流有洛河、白水河、铁牛河、孔走河4条支流。

洛河发源于定边县白于山, 在白水县境内流长59.5km, 流域面积986平方千米。洛河流经我县北塬、收水、纵目、史官、雷牙、西固等七乡镇, 涉及明珠、五峰、槐沟河等三处水电站及张家船、槐沟河、王莽寨、田家河等20个村、5个厂矿467人安全, 淹没河滩地4265亩。

白水河发源于宜君县云梦山南麓, 在白水县境内流长60.4km, 流域面积352.2平方千米, 流经白水县的云台、林皋、杜康、城关、冯雷、西固、雷村、蒲城县的高阳、罕井、洛滨等10个乡镇, 上游建有林皋水库、下游建有故现水库。一旦发生洪水, 将直接危及下游铜川、白水、蒲城三市县10个乡镇30个村组8054人、8343亩耕地、9个厂矿单位及2km铁路、4.6km公路的安全。

孔走河是白水县与澄城县的界河, 发源于澄城县冯塬镇书堡村东徐家山, 在白水县狄家河与澄城县善化乡交界处入北洛河。在县境内流长14.2km, 流域面积100.6平方千米, 流域涉及白水县史官乡和澄城县冯塬、善化两个乡镇, 澄城县在上游建有水库 (小二型) 1座, 下游建有8处小型农村提引水工程。涉及300余亩耕地的安全。铁牛河系北洛河的一级支流, 全长22.3km, 流域面积100.5km, 河道平均比降21.4%, 流域平均宽度4.5km。

1.2 存在问题

(1) 白水县河道塬高沟深河流下切深度较大, 因而无堤防, 也无现状防御标准; (2) 由于河道比降大, 冲刷严重, 水毁工程较多; (3) 防洪机制还不完善, 要继续完善各种防洪措施和制度; (4) 多年以来防洪资金投入匮乏。

2 小型水库基本情况及存在问题

2.1 基本概况

全县现有7座水库, 总库容4362.7万立方米, 有效库容2085.4万立方米。其中:中型水库1座 (林皋水库) 、小 (一) 型水库2座 (故现水库、铁牛河水库) 、小 (二) 型水库4座 (后洼、西洼河、武子、中塬水库) 。水库调节水量2742.7万立方米, 总有效灌溉面积为10.37万亩。

(1) 故现水库位于雷村乡洛河支流白水河上, 流域面积758平方千米, 坝型为浆砌石重力拱坝, 设防标准按50年一遇设计, 300年一遇校核; (2) 铁牛河水库位于尧禾镇洛河支流的铁牛河上, 流域面积50.9平方千米, 坝型为均质土坝, 最大放水流量3m3/s, 设防标准按30年一遇设计, 300年一遇校核; (3) 西洼河、后洼、中塬、武子四个小 (二) 型水库均建在白水河支流上, 坝型为均质土坝, 设防标准均为10年一遇设计, 50年一遇校核。

2.2 存在问题

白水县的7座水库均始建于上世纪六、七十年代, 属“三边工程”, 工程都是由群众投工投劳修建的, 给工程带来诸多隐患和病害。除林皋水库经过2003-2005年除险加固后, 险情得到基本控制外, 其他小型水库均不同程度存在安全隐患。

2.2.1故现水库主要存在的问题

(1) 浆砌石重力拱坝过水面裂缝鼓起; (2) 拱坝下游冲刷严重; (3) 坝体出现裂缝、渗漏严重; (4) 坝基及绕坝渗漏严重; (5) 排砂洞淤积毁坏; (6) 库区淤积严重; (7) 放水洞及附属设备老化失修; (8) 大坝无安全观测设施、通讯设备、供电设备毁坏严重, 洪水直接影响人口0.05万人, 农田0.1万亩的安全。

2.2.2 铁牛河水库存在的主要问题

(1) 大坝坝顶高程不满足300年校核洪水要求, 大坝上下游存在塌陷、裂缝、上下游干砌石护坡破坏, 部分被预埋, 右肩坝存在绕坝渗漏问题; (2) 下游坝坡抗滑稳定不满足特殊规范要求; (3) 溢洪道损坏严重, 断面及砌护不满足泄洪要求; (4) 溢洪道进口左肩过支沟道路填方无泄洪设施, 危及溢洪道泄洪安全; (5) 放水洞及其附属设施损坏渗漏, 老化严重, 无动力电源设施; (6) 无大坝安全监测设施。洪水影响到人口0.3万人, 耕地1.2万亩, 铁路2km, 公路2.8km的安全。

2.2.3 西洼河、后洼、中塬、武子四座小 (二) 型水库均存在溢洪道未衬砌并不同程度损毁, 水库放水设施不健全, 无观测设施及预警系统, 管理机构不健全等问题, 其中后洼水库和武子水库还存在淤积严重的问题, 其中武子水库基本淤平。一旦发生洪水将直接影响人口320人, 耕地面积500亩, 村庄2个, 公路1km的安全。

3 洪水灾害及成因特点

白水县境内气候多变, 灾害频繁发生, 雨量最多年份曾达到1050mm, 最小年份321mm。全县20年来, 平均降雨量577.8mm, 降雨多集中于7、8、9三个月, 夏秋多春冬少, 变幅大, 加之其他气象因素, 年际波动相差剧烈、干旱、暴雨、冰雹等各种自然灾害多, 其主要水灾是: (1) 1994年汛期, 洛河连续出现三次洪峰, 历时10个小时, 据统计, 受灾人口0.3万人, 冲毁果园420亩, 冲毁水利设施14处和1所学校, 使王莽寨水电站隧洞封口冲垮, 坝区材料全部被冲走, 5公里路面全部冲毁, 这次洪水造成直接经济损失400余万元; (2) 1996年8月1日的大暴雨强度大、历时短、洛河狄家河段洪峰流量在700m3/s以上。原城郊乡圪台村的拦河坝部分冲毁, 使100余亩果园, 300余亩菜地灌溉受到严重影响, 这次大的降水, 造成我县公路14处塌陷, 直接经济损失38.6万元。

洪水灾害的特点及成因: (1) 起涨快、涨率大、来势凶猛。王莽寨水电站94年9月1日零时30分起涨水, 河道实测流量2000m3/s, 2时流量达到3650m3/s。4时流量达到4427m3/s。1个小时之内河道流量增加了1650m3/s, 这样快的上涨速度为我县历史所罕见; (2) 峰高且峰顶时间短, 由于暴雨笼罩范围广, 且雨区的移动与河流的流向一致, 上游和支流, 沟岔同时发生洪水, 造成峰高量大, 致使一些河流出现特大洪水, 由于降雨历时短, 强度大且比较集中, 再加上河流比降大, 造成峰顶时间短。

4 治理对策