摘 要：施工導(dǎo)截流系統(tǒng)受到來流量水文隨機因素、分流建筑物分流量水力隨機因素，以及其它多種不確定性因素的影響。本文從分析各種影響施工導(dǎo)截流系統(tǒng)風(fēng)險的隨機因素入手，確定出施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的風(fēng)險變量，建立起施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的風(fēng)險率模型，然后采用隨機模擬的方法進行了風(fēng)險率計算。通過結(jié)合某水電站工程實例進行風(fēng)險研究，驗證了該方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)截流系統(tǒng) 風(fēng)險分析 風(fēng)險變量 風(fēng)險率模型

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0043-02

1 問題的提出

在施工導(dǎo)截流系統(tǒng)中存在許多不確定性因素，這些不確定因素對施工導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)的選擇、工程安全性的評估影響很大。施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的風(fēng)險來源于滲流量的不確定性、河道水位流量、庫容水位流量關(guān)系、來流量水文隨機因素以及分流建筑物分流量水力隨機因素等諸多方面的不明確因素所致，工程管理人員必須通過認真的分析研究，預(yù)先對導(dǎo)截流工程存在的風(fēng)險大小有一個清楚的認識，以便編制詳細完整的導(dǎo)截流施工組織設(shè)計方案，對導(dǎo)截流的施工機械及人員配置作好周密的部署，確保導(dǎo)截流工程成功。如何較好地實現(xiàn)綜合考慮水文、水力不確定性及其它不確定性因素來分析施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的風(fēng)險，是本文要解決的問題。

2 風(fēng)險因素識別

在施工導(dǎo)截流中存在的不確定因素可以歸類為：（1）水文不確定性。（2）水力不確定性。（3）其他不確定性。下面就這些不確定性因素及其分布作一簡略的闡述。

2.1 水文不確定因素

水文隨機性主要體現(xiàn)在來流量上。對于確定頻率的洪水，它的來流過程線具有隨機性，表現(xiàn)出來在任意時間洪水流量是具有某種分布的隨機變量。

對來流量的描述，工程界一般采用P-Ⅲ型分布，也有的采用對數(shù)正態(tài)分布或極值-Ⅰ型分布。P-Ⅲ型分布的概率密度函數(shù)為：

上兩式中：；；

其中：為年洪峰流量系列均值，；Cv變差系數(shù)，CS偏態(tài)系數(shù)。

2.2 水力不確定因素

施工導(dǎo)截流主要是利用泄水建筑物來對下游進行泄流的，泄流能力是由該導(dǎo)流時段采用的泄流建筑物相互結(jié)合而決定的。然而在泄水建筑物在運行時和施工時還會存在參數(shù)不精確，計算時所運用的水力模型不是很合理以及各方面的誤差等，都會使下游在進行泄流時出現(xiàn)不確定性的因素。

施工導(dǎo)截流時，導(dǎo)流泄水建筑物通常是導(dǎo)流明渠或隧洞。對于隧洞過流，其流態(tài)有明流和有壓流之分。下面以斷面為圓形的導(dǎo)流隧洞情況為例進行分析。

在有壓恒定淹沒出流時的計算公式采用：

其中，Q為導(dǎo)流洞泄流量；A為隧洞斷面面積；m為淹沒出流時的流量系數(shù)；g為重力加速度；Z為上下游水位差。當(dāng)隧洞的斷面為圓形時，上式可寫成：

式中，n為糙率；L為隧洞長度；為局部水頭損失系數(shù)之和。

對以上各水力因子，可以認為服從三角形分布，相應(yīng)的有：

其中，分別為的最小值，最可能值和最大值，各水力因素的平均值用表示。

則泄流量Q服從位置參數(shù)和尺度參數(shù)的正態(tài)分布，。其中均值為：

變差系數(shù)為：

在來流量較小時，隧洞過流又會出現(xiàn)明流狀況。對于圓形斷面隧洞，計算采用下式：

式中，A為過水?dāng)嗝婷娣e；χ為濕周；S為底坡；n為糙率。

隧洞導(dǎo)流過程中就會出現(xiàn)混流態(tài)的現(xiàn)象。這個時候泄流能力的計算就必須運用推求水面線的方式來實現(xiàn)這種情況。而這時的泄流能力的不確定性更顯復(fù)雜。

2.3 其它不確定因素

除了上面提到的不確定因素外，施工導(dǎo)截流中還存在其它一些不確定性因素，比如滲流量不確定性、水位庫容關(guān)系的不確定性、下游水位與流量關(guān)系的不確定性等。

由于滲流是一個復(fù)雜的過程，滲流量的計算公式、參數(shù)的選擇等都作了許多近似，滲流量的不確定性比其它不確定因素更復(fù)雜。但是，由于滲流量在整個施工導(dǎo)截流工程中所占的比重較小，因此，可對它作簡化處理。水位庫容關(guān)系的不確定性對于工程在施工導(dǎo)流期的風(fēng)險產(chǎn)生影響。下游水位與流量關(guān)系曲線對隧洞泄流時流態(tài)是淹沒流的泄流量產(chǎn)生影響，從而間接對施工導(dǎo)截流的風(fēng)險產(chǎn)生影響。

3 施工導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險率模型

在導(dǎo)流模式下導(dǎo)流工程易發(fā)生失效的事件概率就是各個導(dǎo)流模式下的施工導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險。通過建立堰前水位分布風(fēng)險的模型和施工導(dǎo)流調(diào)洪演算，使系統(tǒng)中的各個不確定因素利用隨機模擬的方法來進行模擬仿真的計算，進而統(tǒng)計出來施工導(dǎo)流系統(tǒng)中的堰前水位所超過設(shè)計檔位的水位高程的機率，故而確定出設(shè)計導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)所要承受的相應(yīng)風(fēng)險概率。

施工難易度和導(dǎo)流風(fēng)險都是施工中認為的定性指標(biāo)。對于這些可以采取模糊隸屬度函數(shù)來進行量化的，讓其轉(zhuǎn)變?yōu)槎康闹笜?biāo)。在其標(biāo)準(zhǔn)確定的情況下，導(dǎo)流風(fēng)險R由圍堰擋水風(fēng)險RY、大壩臨時擋水風(fēng)險Rb以及隧洞導(dǎo)流風(fēng)險Rd三者組合而成，上述這些定性指標(biāo)可用隸屬度函數(shù)來評價，即R=。

隧洞導(dǎo)流風(fēng)險取決于洞內(nèi)流速的大小問題，而洞內(nèi)的流速很大時，就會對洞內(nèi)中的抗沖能力造成威脅；而隧洞的斷面很大時，泄流的能力就是很大，而庫水水位就很低，洞內(nèi)的流速相對來說很小，則風(fēng)險上就很小。因此為避開復(fù)雜的調(diào)洪演算計算流速，隧洞風(fēng)險度可由隧洞斷面（）來定量，即斷面越大，導(dǎo)流風(fēng)險越小，隸屬度越小，隸屬度函數(shù)構(gòu)造如下式：

對于多條隧洞布置，風(fēng)險率以所有洞的最大風(fēng)險為準(zhǔn)，即以所有洞的最大隸屬度為準(zhǔn)。隸屬度函數(shù)的變量X為至于隸屬度函數(shù)上下限的選取，可采用變量值域的上下界各內(nèi)縮5%來確定，因此有必要依據(jù)經(jīng)驗較準(zhǔn)確地確定變量的上下界，從而盡可能地減少由于選取變量值域的變化所帶來的對導(dǎo)流風(fēng)險分析的影響。

圍堰擋水風(fēng)險對不過水圍堰而言，主要考慮圍堰的結(jié)構(gòu)可靠性。當(dāng)圍堰越高時，堰前水頭越高，潛在的潰堰可能性越大，則對應(yīng)越大的隸屬度，以堰高H為變量構(gòu)造的圍堰擋水風(fēng)險隸屬度函數(shù)，見下式：

大壩臨時擋水風(fēng)險取決于隧洞的泄流能力，當(dāng)泄流能力大時，壩前水位低，大壩臨時擋水的風(fēng)險小。取隧洞泄流量為隸屬度函數(shù)變量，泄流量越大，隸屬度越小。泄流量的上下限選取主要依靠經(jīng)驗，用（9）式構(gòu)造隸屬度函數(shù)，其中，，為j時段末的總泄流量，由調(diào)洪演算得出。

4 截流系統(tǒng)風(fēng)險率模型

根據(jù)上面對于風(fēng)險因素的識別，可以建立以龍口流速或落差為風(fēng)險變量的截流系統(tǒng)風(fēng)險模型。設(shè)功能函數(shù)（或）；式中：為考慮了水文、水力不確定因素的截流過程中龍口最大流速，它是具有某種概率分布的隨機變量；為設(shè)計截流龍口最大流速。（為考慮了水文、水力不確定因素的截流過程中龍口最大落差，它是具有某種概率分布的隨機變量；為設(shè)計截流龍口最大落差。）利用功能函數(shù)可以反映以下關(guān)系：

設(shè)系統(tǒng)的風(fēng)險率為R，則R可用下式計算：

其中，為的概率密度函數(shù)（為的概率密度函數(shù)）。在表達中也可以將其轉(zhuǎn)化為保證率P的概念：

5 導(dǎo)截流系統(tǒng)風(fēng)險率計算方法

施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的風(fēng)險率計算一般采用蒙特卡羅（Monte-Carlo）模擬計算方法，該方法采用Monte-Carlo方法對模型進行隨機抽樣，通過統(tǒng)計分析，獲得風(fēng)險率的估計值。具體細節(jié)可以參考肖煥雄[4]、周宜紅[5]、鐘登華[6]等所著施工導(dǎo)截流風(fēng)險分析中的方法部分。

6 實例

某水電站位于云南省瀾滄江上，計劃截流安排在枯水期的11～12月間，設(shè)計采用兩導(dǎo)流洞分流（1#、2#導(dǎo)流洞），單戧立堵截流的方式。

該工程中期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用P=0.5%、P=0.33%兩種方案進行比較。兩方案的導(dǎo)流規(guī)模相同，擋水泄水建筑物均相同，由于壩體可擋水高程遠高于上游水位，對于30年一遇導(dǎo)流方案，考慮隨機因素時，上游水頭為67.60 m，比設(shè)計水位低約5.15 m，200年一遇的設(shè)計洪水位對應(yīng)的風(fēng)險率為0.32%；300年一遇的設(shè)計洪水位對應(yīng)的風(fēng)險率為0.20%。兩方案的風(fēng)險率差別不大，且200年一遇洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，保證率已達99.62%，按規(guī)范規(guī)定可采用200年一遇洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

在同一截流設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下，對不同截流時段實施的風(fēng)險率采用蒙特卡羅方法進行了計算。根據(jù)計算結(jié)果可以看出相同標(biāo)準(zhǔn)下截流時段的選擇對于截流風(fēng)險率的影響很大，且龍口的最大流速指標(biāo)和龍口最大落差指標(biāo)在歷史同類工程中均屬偏大，從截流時段選擇來講，11月上、中旬最大龍口流速和最大落差均偏大，11月下旬和12月上旬的截流風(fēng)險率均較低，鑒于圍堰搶工時間的安排，選擇11月下旬截流比較合適。

7 結(jié)論

施工導(dǎo)截流系統(tǒng)包含了各種不確定性（水文、水力等）影響因素，為了確定合理的導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的導(dǎo)截流方法，考慮受這些不確定性因素影響的施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的風(fēng)險率大小是很有必要的。本文較全面地分析了施工導(dǎo)截流系統(tǒng)中存在的各種不確定因素，探討了這些不確定因素的分布及其參數(shù)的確定方法，建立了施工導(dǎo)截流風(fēng)險率模型，并運用蒙特卡羅方法計算了施工導(dǎo)截流風(fēng)險率。本文的研究成果有助于提高工程管理人員對施工導(dǎo)截流系統(tǒng)風(fēng)險的認識，也為人們選擇適當(dāng)?shù)膶Σ吆痛胧﹣頊p小或預(yù)防施工導(dǎo)截流系統(tǒng)的較大風(fēng)險發(fā)生提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻

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