大坝风险评估与管理关键技术研究进展

大坝风险客观存在,对大坝风险进行评估和管理,事关工程安全和公共安全.本文基于中国的溃坝概率统计分析,简要回顾了大坝风险评估和管理技术发展过程,阐述了大坝风险管理内涵,对溃坝模式和溃坝路径识别、溃坝概率与溃坝后果计算、人因可靠性、梯级水库群风险评估与控制、大坝风险标准和风险决策等涉及大坝风险评估与风险管理的关键技术进行了综述,对风险排序和决策、风险预警及应急预案、降等报废、大坝安全年度报告、运行维护与监测手册等风险管理实用技术和工具在中国大坝安全行业管理的应用现状进行了总结,展望了大坝风险评估与管理技术未来的研究方向,以期引起全行业更深入的探讨,促进中国大坝尽快由"工程安全管理"向"风险管理"的转变.     

中国水库大坝降等报废现状与退役评估研究

退役是水库大坝生命周期的一个重要阶段,是在水库大坝病险老化、功能丧失、经济效益衰退及生态系统退化背景下的必然趋势.随着水库大坝老化及公众风险和生态环境意识的增强,水库大坝退役需求越来越大.首先分析中国水库大坝降等报废现状和水库大坝退役对生态环境、社会和经济影响,结果表明:中国降等使用或报废的水库数量较多,绝大多数为小型水库;与需降等使用或报废水库数量相比,水库大坝退役进展缓慢;实施大坝退役既要重视工程安全与经济论证,更要重视生态环境论证,避免或减少对社会和生态环境等的负面影响.其次介绍了国内外水库大坝退役评估研究概况,就目前研究进展情况提出了水库大坝退役评估需研究的几个关键问题,即建立水库大坝服役状态评估测度体系、有效诊断大坝生命的理论和方法、水库大坝退役对生态环境影响评估理论、系统完整的水库大坝退役决策方法.最后通过扎子河水库工程实例分析了水库大坝退役评估方法,指出该水库风险极高,必须进行除险加固或拆除处理,鉴于除险加固经济合理性差,建议对该水库实施退役处理.     

基于工程安全和效益的水库清淤决策方法

淤积影响水库防洪安全和兴利效益,工程安全以及清淤成本与收益是当前水库清淤决策需要优先考虑的因素.引入工程安全因子和效益因子,针对加高大坝和机械清淤两种主要水库淤积管理方式,以两者分别降低的溃坝概率之比表征工程安全因子,以两者的投资回收期之比表征效益因子,再利用工程安全因子与效益因子构建了清淤决策模型,并根据淤积对工程安全的不同影响程度提出单因子决策或回归模型决策的因子权重与判别准则.通过在甘肃南营水库清淤工程决策中的应用,得出该水库适宜于采用机械清淤的结论,验证了模型的实用性和合理性,可为未来国家层面的水库清淤决策提供科学方法.     

土石坝渗透破坏溃决机理及数值模拟

提出了一个能正确反映土石坝渗透破坏溃决机理,合理描述土石坝从渗透通道发展坝体坍塌和漫顶溃决全过程数值模拟方法.该方法通过分析土体颗粒在渗透通道中受力情况,出了渗透破坏发生时临界起动流速;分别建议了可合理反映筑坝材料颗粒级配、密度、强度、渗透通道倾角和坝坡、摩阻流速水流速度对冲量影响计算渗透通道扩展大坝漫顶溃决后溃口发展过程坝体冲公式.应用该方法对两座因渗透破坏溃决典型土石坝溃坝过程进行了反馈计算分析,计算出溃口发展规律、溃口流量过程与溃坝洪峰流量值与测结果接近,验证了其合理性.该方法可用于土石坝渗透破坏溃决致灾后果评估和溃坝防洪应预案制定.     

气候变化对水利工程安全影响分析

气候变化已成为全球性问题,并受到国际社会的普遍关注.气候变化导致极端事件频度和强度增加,虽然全球目前已经采取了诸多减缓措施,但气候变化的影响仍将持续.水库大坝等水利工程作为关键的基础设施,其相关风险须在持续和变化过程中得到适当管理.因此,水利工程的设计、建设管理、运行调度等必须充分考虑气候变化影响,并寻求有效的应对措施,以保障运行安全.为正确认识气候变化对水利工程安全的影响,依次分析了气候变化对水利工程设计、极端温度对水库大坝、海平面上升对沿海涉水工程的影响,并通过实例进行了说明.分析可知,气候变化对水利工程设计标准、水库大坝运行安全、沿海涉水工程安全均会产生严重影响,且气候变化对水利工程安全的影响具有突发性、不确定性以及后果严重性等特点,应予以重视,以有效减少损失.最后提出了相应的对策与建议.     

区域水库群大坝安全评价体系的构建

结合江西省水库群大坝安全评价工作，介绍了区域水库群大坝安全评价体系的构建过程，包括大坝安全评价技术标准的制定、单座水库大坝工程险度评价和风险评估、区域性水库群除险加固全面规划、水库群大坝安全风险排序、大坝病险原因分析及对策研究、除险加固方案的实施效果评价及区域性水库群除险加固动态管理信息系统的建立等内容。该体系在江西省水库群大坝安全评价中的应用效果良好，可为决策者提供科学依据。     

水利部大坝安全管理中心

正成立30年以来,水利部大坝安全管理中心围绕水利中心工作,坚持行业服务与科技创新并重,在水库大坝安全管理法规标准体系建设、病险水库除险加固、水利重大与突发事件调查研究与应急处置、行业人才培训和能力建设以及基础性与前瞻性科学研究、先进实用技术开发与推广应用、国内外学术交流与理念创新等方面开展了卓有成效的工     

堰塞坝漫顶溃决机理与溃坝过程模拟

堰塞坝作为自然作用的产物,由于其自身特点,极易发生漫顶溃决.基于小比尺堰塞坝溃决模型试验与唐家山泄流现场实测资料揭示的堰塞坝漫顶溃决机理,建立了一个堰塞坝漫顶溃坝过程数学模型.模型基于堰塞坝的几何特征和坝料物理力学特性,统一分析坝顶与下游坡溃口的发展,并充分考虑堰塞体沿河流运动方向的形态变化;模型可考虑坝体的单侧与两侧冲蚀、不完全溃坝与坝基冲蚀等溃坝模式.选择唐家山堰塞坝泄流案例对模型的合理性进行验证,通比对峰值流量、溃口最终宽度、峰值流量到达时间等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差在10%以内;另外,计算获取的溃口流量过程和库水位变化过程与实测值基本吻合,验证了模型的合理性;参数敏感性分析结果显示,残余坝高、冲蚀系数等参数对溃坝过程具有重要影响,单侧或两侧冲蚀对溃坝过程影响较小.     

溧阳市沙河水库东副坝溃坝生命损失估算

应用溃坝洪水软件BREACH和FLDWAV分析溧阳市沙河水库东副坝在100年一遇设计洪水位23．17m时下游坡高程点8．40m处管涌诱发溃坝的洪水状况,确定大致的淹没范围,计算了溃坝洪水的严重性,估算了风险人口,应用Graham法定量地估算了生命损失,重点研究了生命损失与警报时间的关系,提出了确保2h警报时间的建议,加强非工程措施,避免生命损失。     

大坝服役状态的合评判方法

针对我国已建8.7万多座大坝中约1/3大坝为工程以及在部建一批高坝、特高坝的状,结合大坝建往往注重会经济效益而忽视环境、生态以及我国大坝定检偏重大坝安全等问,出了大坝服役状态评估应遵循会经济效益最大,对环境与生态的负面影响最小或互为和谐共处的原则,应具体考虑会经济效益、大坝安全、环境与生态四个方面.在分会经济效益、大坝安全、环境与生态评估的基础上,评述了大坝服役状态的分方法,进而建立了基于证据理论的层间评估的融合算法和基于模糊数学的模糊合分法,构建了大坝服役状态合评判模型.实例分表明,上述方法可以对大坝的服役状态作出科学评估.     

大坝安全网络监控数据采集系统的设计

介绍一种基于分布式结构的大坝安全网络监控数据采集系统系统分别利用RS-485网络和以太网与下层测量仪器和上层的监控主机连接,采用分布式结构以及组网方式,实现大坝安全网络监测自动化软件对整个大坝形态进行实时监控.重点研究数据采集器的工作原理、硬件构成以及上位机监测软件的设计与实现.该系统能够有效满足大坝远程通信和监控的要求并已成功运用于大坝安全监测领域.     

汶川地震唐家山堰塞引流除险工程及溃坝洪水演进过程

本文介绍由汶川地震诱发的唐家山堰塞湖的风险分析、抢险工程措施以及除险效果.该堰塞体平均坝高105m,库容3.2亿m^3,估计溃坝洪水洪峰至少可达48000m^3/s以上,会对下游造成巨大灾难.为此,开挖了深13m、底宽8m的明渠,成功地实施了一次泄流除险工程.大坝以洪峰流量为6500m^3/s的一次洪水过程下泄了1.6亿m^3水量,残留库容仅0.897亿m^3,堰塞体形成了底宽平均大于100m新河道,可以安全下泄200年一遇的洪水.唐家山堰塞湖除险工程的成功实施为今后处理同类自然灾害积累了宝贵的经验和科学资料.     

基于首次超越概率理论的混凝土坝时变风险率研究

随着我国大坝安全管理工作逐渐由传统的工程安全管理向工程风险管理方向发展,在役大坝风险水平成为了越来越重要的研究课题.混凝土坝实际运行过程中受到众多随机不确定因素和模糊因素影响,导致大坝自身风险率具有显著的时变特性,本文尝试引入二元高斯算法采用并联体系方法计算混凝土坝系统时变风险率,将时变风险率分析问题转化为静态并联体系失效概率计算问题,通过在广义随机空间内采用JC法计算固定时刻混凝土坝风险率,并基于首次超越概率理论转化为混凝土坝时变风险率.最后,在工程算例分析中以某混凝土重力坝沿坝基抗滑失效为例,通过引入合理的抗力和荷载效应随机过程变量模型,采用该算法对混凝土重力坝抗滑稳定时变风险率进行了分析,验证了该模型的有效性,具有一定的理论和工程应用价值.     

混凝土坝裂缝转异诊断的顺序典型小概率法

裂缝是混凝土坝不可避免的病害,其稳定与否是关系到混凝土坝结构安全的关键因素.基于裂缝开度与裂缝尖端张开位移之间的函数关系,提出了混凝土坝裂缝转异诊断的临界裂缝开度准则,并探讨了该准则所需的裂缝尖端张开位移和裂缝亚临界扩展量的确定方法.借助裂缝开度监控模型将临界裂缝开度准则进行转化,并与大坝安全监控中裂缝的原位监测资料-裂缝开度联系起来,建立了混凝土坝裂缝转异诊断的顺序典型小概率法.实例分析表明,顺序典型小概率法实现了临界裂缝开度准则在大坝安全监控中的具体应用,是合理可行的.     

考虑心墙不同破坏模式的黏土心墙坝漫顶溃坝过程数学模型

基于黏土心墙坝的漫顶溃决机理,提出一个模拟其溃决过程的数学模型.该模型基于坝体形状和漫顶水流特征确定下游坡冲蚀时的初始冲坑位置,采用宽顶堰流量公式计算溃口流量,并利用溯源冲刷公式模拟坝壳料的冲蚀;通过力矩平衡法与力学平衡法分别模拟了心墙的倾倒破坏与剪切破坏;为了模拟实际溃坝情况,模型考虑了坝体的单侧冲蚀、两侧冲蚀及坝基的冲蚀;采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟溃坝时的水土耦合过程.选择国内外10个具有实测资料的心墙坝漫顶溃坝案例对模型进行验证,通过比对峰值流量、溃口最终宽度及溃坝历时等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差可满足工程需求,验证了模型的合理性.     

高混凝土坝空间变形预警指标研究

针对高混凝土坝空间变形预警能力的不足,提出了能度量高混凝土坝整体变形性态的合理表达式,在此基础上,拟定了空间场整体变形熵预警指标.首先,用概率法定义了各变形监测点的有序度和无序度.然后,用投影追踪法研究了各空间测点的权重分布.之后,根据空间场协同有序演变的特点,应用各测点的有序度序列值和权重分布值,构建了能描述混凝土坝整体有序性的空间场整体变形熵表达式.最后,根据计算得到的变形熵序列值,应用小概率法计算了变形熵预警指标.实例分析表明,大坝整体变形熵的变化规律与环境量及挠曲线变化规律相吻合,说明变形熵的表达式是合理的,同时,变形熵预警指标的拟定将有助于提高高混凝土坝的预警能力和安全管理水平.     

基于不同风险源组合的水库防洪预报调度方式风险分析

水库防洪预报调度方式风险分析是设计与实施水库防洪预报调度方式的重要依据,目前对此问题的研究多数为仅考虑洪水预报的狭义风险,然而水库预报调度过程中存在着多种不确定性因素.为了能够更为全面的得到水库防洪预报调度方式的综合风险率,本文分析了水文、水力、水位-库容和调度滞时4种不确定性因素及其分布特性,建立了考虑上述4种不确定性因素的水库防洪预报调度方式的水库本身和下游综合风险分析模型,采用基于拉丁超立方体抽样的蒙特卡洛方法对模型进行求解,为实施防洪调度方式提供信息支持.结合白龟山水库实例,论证了防洪预报调度方式风险率小于常规调度方式风险率,对水库及其下游是安全的,并给出满足下游防洪安全约束的最高汛限水位抬高值.     

量子传感与测量领域国际发展态势分析

作为量子信息技术的重要发展方向之一,量子传感与测量可实现跨越式的超高精度测量,并在特定环境抵御噪声干扰,在地质勘测、空间探测、惯性制导和材料分析等重要领域具有广阔的发展和应用前景.本文梳理了近年来欧美等主要科技强国在该领域的重要战略规划与项目部署;并就量子传感与测量五大子领域的发展现状与趋势进行深入分析;最后,对我国提...     

面向流域系统的生态需水量整合研究

水库（群）的运行调度对坝址下游水文情势产生一定影响,维及到下游河流廊道及与河道存在水力联系的生态系统生态用水安全.为保障下游生态用水,需对水库（群）进行生态调度;而生态需水及其整合计算是其关键支撑.生态需水整合的核心是在对各类生态需水进行评价的基础上,以流域/区域水循环及其伴生水生态过程为主线,将各类生态需水整合成满足水资源配置或调度要求的水量过程.本文结合水库（群）生态调度实践需求,以各类生态系统的生态需水规律及水力联系为基础,整体提出流域生态需水的整合模式;在分布式水文模拟技术的支撑下,构建了生态需水整合模型;并就南水北调西线一期工程雅砻江流域的生态需水及其整合计算进行了研究.结果表明,上述整合模式有效结合了各类生态系统生态需水在时空上的水力联系,与基于集总式水平衡分析的生态需水整合模式相比,克服了多时空尺度上生态需水水源及生态供水难以得到有效保障的不足,可满足水库（群）生态调度的需求.     

顾及大坝位移残差序列混沌效应的GA-BP预测模型

针对大坝观测数据常规模型训练后的残差混沌效应及模型回归方法的拟合度等问题,文中融合遗传算法与神经网络的数据训练优势,通过构建的遗传神经网络(GA-BP)算法对大坝变形观测序列资料进行回归提取残差序列.基于位移回归残差序列的混沌特性,利用混沌理论对其残差序列进行数值分析,并将残差预测结果与GA-BP预测模型进行叠加.据此,提出了考虑大坝变形残差序列混沌效应的GA-BP监控预测模型.实例表明,文中建立的预测模型的计算精度及收敛速度均得到提高,且考虑残差影响的大坝监控模型的预测效果得到了有效的提升.该模型的建模方法亦可推广应用于边坡及其他水工建筑物的安全预警.