土石坝风险识别与溃坝风险分析关键技术之工程硕士研究

硕士论文网第2020-08-04期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇研究生论文文章《土石坝风险识别与溃坝风险分析关键技术之工程硕士研究》，供大家在写论文时进行参考。

1  绪论

  1.1  研究的目的和意义

  我国水能资源十分丰富，水资源总量为27962.6亿m3。为了充分利用这些水能资源，我国修建了数量巨大的水库大坝工程，在促进国家长治久安、社会经济稳定发展、保障环境健康及人民生命安全等方面均发挥着极其重要的作用。进入20世纪以来，我国水工程建设发展较为迅速，但同时存在的安全问题也较突出。截止2016年底，我国已建成各类水库大坝98460座，（其中大型水库720座，中型水库3890座），水库总库容达8967亿m3，而其中病险水库有4.7万余座，大多是建于20世纪50~70年代的中小型土石坝，由于当时历史政治环境影响，加之当时经济技术条件限制，导致很大一部分大坝存在设计缺陷，施工质量较差，在管理不当和缺乏维护下经过多年运行，很多大坝都存在着不同程度的病险问题。大坝作为特殊的建筑物，其安全性质与房屋等建筑物完全不同，一旦溃坝，将会给下游人民生命财产带来无法估计的损失，如1959年的法国马尔帕塞特（Malpasset）拱坝，就因为坝体开裂导致溃坝，致使500多人丧生，损失财产超过300亿法郎；1964年意大利的瓦依昂（Vajont）拱坝，因库区左岸发生大范围滑坡，滑坡体激起涌浪迅速翻越坝顶导致漫顶事故，整个水库报废，造成了2600人死亡；1959年，西班牙维格德特拉（Vega de Tera）支墩坝，由于施工质量低下，其面板和支墩连接处薄弱部位发生严重渗漏，遭遇特大洪水后致使承载力不够导致溃坝，造成近百人伤亡；1975年，我国的板桥、石漫滩因泄洪道闸门锈死，无法开启泄洪导致大坝溃坝，造成2.6万余人死亡，直接经济损失超过100亿等。据统计，自1954年到2001年我国年平均溃坝率达48.76110-4，而世界年平均溃坝率为42.010-4，其中美国年平均溃坝率为42.010-4，日本年平均溃坝率为40.4 10-4，远远高于国外同期水平的溃坝率。土石坝病险问题已成为我国大坝安全管理中最突出的问题，大坝安全形势不容乐观。溃坝与大坝病险存在着密切的关系，大部分溃坝风险的产生或者病险事故都是由先天不足和后天管理缺失共同作用下，加之自然老化而引起的坝体病害发展、累积、恶化到一定程度的表现。尽管我国在水库的安全管理方法得到了较高的重视，水库事故的概率已显著降低，但是大坝安全仍是水库建设和管理的核心，一直是坝工界研究的热点问题之一。

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  1.3  问题的提出

  综上所述，我国在水库土石坝风险管理理念问题和管理体系与世界先进国家相比存在较大的差距，多年来国内学者不断致力于大坝安全管理体系的研究，并取得了很多的成果，但仍局限于工程安全方面，和21世纪我国政府科学发展观的执政理念以及水利部治水思路之间存在较大的差距。随着我国经济的高速发展，水库下游的经济发展必将导致水库大坝风险的上升，大坝的安全风险问题已成为备受关注的热点问题。土石坝风险内涵的不断扩展，急需形成一套基于安全风险的理论，建立一个有效的溃坝风险管理体系。同时，在土石坝风险分析中存在一些关键问题还有待进一步研究，如致灾因子、溃坝模式识别以及溃坝路径挖掘、适合我国国情的溃坝损失估计方法等问题。对于病险土石坝除险加固研究方面，目前一般是通过直接选定或依靠简单的经济、技术比选决定，缺少必要的理论方法基础研究，未见有系统的除险加固方案决策方法或决策模型的研究报道。为此，本文紧密结合我国土石坝工程的实际现状，针对病险坝或存在安全隐患的土石坝，研究及探索溃坝风险管理关键技术，积极解决实际工程存在的病险问题，保证土石坝的安全运行，也是对我国大坝安全管理水平的促进与提高。但是，绝不能直接照搬国外经验公式，要结合我国的实际国情的基础上，寻找中国特色土石坝风险分析与安全管理之路。因此，本论文针对国内土石坝数量多、病险坝分布广泛的现状，对过去已发生的各类溃坝事件资料进行深入分析，在基于溃坝风险的水库大坝安全评价框架体系的基础上，就目前土石坝存在的病害及致灾因子进行辨识、对土石坝溃决模式及溃坝机理进行深入挖掘。综合考虑土石坝各风险影响因子之间的相关性和不确定性，提出溃坝事件中各环节发生概率的估算方法，其对下游承灾区人员生命、经济社会等方面产生影响的严重性和适应性进行度量，提出合适的溃坝损失估计方法，为病险土石坝除险加固与维护处理以提升土石坝寿命等提供科学决策依据。

  1.4  研究的主要内容和创新点

  在合理辨识土石坝病变隐患、事故险情的基础上，科学实施补强修复和除险加固，是保障土石坝工程服役安全，充分发挥水库工程效益的重要举措。本文从土石坝工程除险加固科学决策的目标出发，以大坝原型监测资料为依据，综合模式识别理论、蒙特卡罗法、层次分析法、模糊Vague集理论，开展土石坝病险识别、溃坝模式及失事路径、大坝风险评估管理方法研究，进而吸收上述研究成果，建立综合考虑溃坝风险的土石坝除险加固决策的模型和方法。本文主要的内容如下： 

  （1）通过对已溃大坝溃决资料进行统计及原因分析，归纳总结和对系统分析国内外大坝风险分析方法、土石坝坝病害识别、溃坝灾害评估、风险决策的研究现状，着重分析目前我国土石坝安全的现状，识别常见土石坝的病害及破坏模式，分析土石坝溃坝失事的类型和失事模式特征，重点针对土石坝常见的病险进行定性及定量识别，为病险土石坝制定相应的处理建议及加固措施提供客观的决策依据。 

  （2）根据土石坝溃坝模式及病险识别结果，基于土石坝风险分析的基本理论，建立三种典型失事模式的土石坝风险度计算方法，对风险度评判准则和流域梯级开发模式下的风险进行了初步探讨。根据土石坝失事后果的特点，运用模糊集理论与层次分析法，结合专家评判，提出了指标权重和指标隶属等级计算方法，建立了土石坝失事后果模糊综合评价模型，并用于实际工程进行验证。 

  （3）在全面分析影响病险土石坝除险加固方案决策因素的基础上，构建病险土石坝除险加固方案决策模型。将层次分析法与熵值理论有机结合，采用主客观综合的方法对决策指标进行赋权，并将决策方法拓展到Vague集环境，基于Vague集决策方法对病险土石坝除险加固备选方案进行排序优选。 本论文的研究框架如图 1-1 所示： 

  本论文的创新之处有： 

  （1）将结构可靠度中的极限状态的概念和意义进行引申和发散，基于风险和可靠度在物理意义上的一致性，研究了土石坝风险综合评价理论。在系统调研和分析国内外溃坝原因及病险库隐患成因的基础上，归纳总结土石坝病害发展的机理和规律，采用定性分析和定量判别相结合的方法对土石坝病险因素进行识别，深入挖掘可能存在的溃坝路径，从溃坝机理的宏观方面对溃坝路径进行挖掘，提出溃坝风险分析问题理论框架与方法，为除险加固决策奠定理论基础。（2）针对我国具体国情，提出适合我国的溃坝洪灾生命损失、经济损失和社会与环境的综合影响评价预测方法。结合不同地区的社会经济和人口分布等特点，研究确定洪水淹没范围及溃坝后果综合影响，使估算结果最大限度接近真实情况。（3）将层次分析法与熵值法相融合，对土石坝除险加固决策评价指标进行主客观综合赋权，不仅考虑了各评价指标对土石坝坝体结构上的作用，而且考虑了评价指标的相对重要性随着大坝运行而变化的特点，从而较准确地实现了评价指标的赋权。

  2  土石坝病害识别及溃坝模式分析

  风险识别是风险管理的第一步，也是风险决策的基础性工作，只有正确认识并深入了解自身存在和面临的风险，才能采取有效措施提早预防或规避风险。感知风险和分析风险是风险识别的两部分过程，在客观了解存在的各种风险（事故）基础上，进一步分析引起风险（事故）的各种条件因素，为拟定风险处理方案、减缓风险危害和进行风险管理决策而服务。土石坝是水利工程中最常见的坝型之一，坝高从几米到三百多米。土石坝以其适应条件广、施工速度快、经济效益好、抗震性能高、可就地取材等优势，居于各类坝型的首位。我国土石坝大多建于20世纪50~70年代，以中小型为主，受各种因素的制约，土石坝多缺乏质量保障，遗留隐患较多，水库老化失修且存在各种病害及潜在风险，土石坝的安全问题成为人们日益关注的重点。

  2.1  我国已发生的溃坝情况统计分析

  新中国成立初期，我国的水库溃坝总数量、高发期年溃坝数量、溃坝危害等情况在世界坝工史上也较为突出。1975年，河南板桥、石漫滩、竹沟等大中型水库相继溃坝失事，造成2.6万人死亡，是世界历史上最为惨痛的溃坝事件；1993年青海沟后水库溃坝，近300人丧生；2001年四川大路沟水库溃坝，伤亡 40多人。经过多年以来的发展，通过不断完善法制与建设标准，加强水库建设与运行管理，全面推进水库建设与管理的现代化，我国水库溃坝情况明显改善，年溃坝率已接近国际水准，但小型水库的溃坝及事故还时有发生。根据国内外的统计资料，我国与美国、西班牙及世界年平均溃坝率对比见表2-1。由表2-1可知，美国垦务局给出的年溃坝率为2×10-4，西班牙年溃坝率为6×10-4，世界年平均溃坝率为2×10-4，而我国年平均溃坝率为7.02×10-4，远高于世界平均水平。

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  2.2  土石坝事故类型及原因

 

  2.2.1  溃坝失事类型及原因

  根据历史溃坝资料分析可知，土石坝事故包括溃坝失事和运行期病险发生事故时可以通过某些工程措施进行补救，已恢复土石坝原有功能使之不会导致溃坝，而发生溃坝则会产生严重的损害，会对水库下游居民生命安全、财产、环境等方面产生恶劣影响。土石坝溃坝失事多是由自然因素、人为因素单独或共同作用的结果，其中自然因素包括洪水、暴雨、地震等，人为因素则包括人为破坏、操作不当、管理失误等。在1953年，美国工程师Middlebrooks收集整理了北美206座土石坝失事的资料，并对失事类型进行了统计分析，结果见图2-2和表2-3。

 

  从图2-2和表2-3可以看出，导致土石坝失事的原因可归纳为洪水漫顶、渗漏破坏、滑坡和其它四种模式，其中最典型的失事类型是洪水漫坝失事破坏、坝坡失稳破坏和渗透变形破坏三种形式。土石坝溃坝失事的原因复杂，包括设计、施工和运行的各个方面。赵国飞、江政儒和丁勇将土石坝失事原因归结为水文失事和结构失事两大类，见图2-3。

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  2.3  土石坝病险识别

 

  根据前面章节分析的土石坝事故类型，本节将重点针对土石坝常见的病害进行定性及定量识别。定性识别主要基于传统的统计分析和定性分析方法，制订出各种病险的严重程度等级表，依据病险情况发生后的影响进行及时预判；在定性分析的基础上，制定定性与定量相结合的病险程度划分参照表，从模糊模式识别理论出发，以专家经验、知识为支撑，建立可确定目标权重的模糊模式识别定量评判算法，为病险土石坝制定相应的处理建议及加固措施提供客观的决策依据。 进行土石坝病害风险识别应遵循科学性、系统性、全面性、预测性四项原则：（1）科学性原则。风险识别是分辨和确定某一系统内存在的危险，是预测安全状态和事故发生途径的一种有效手段，在科学安全的理论指导下，可准确确定病害因素存在的部位和形式，使之能真正揭示系统的安全状态或危险程度，预测事故发生的途径，并能准确描述其变化规律和风险水平。 （2）系统性原则。风险是客观存在的，且存在于人类生产活动的各个方面，因此要找出系统及子系统之间的相关关系，列出危险因素的依据，全面、详细的阐述风险事件发生的可能性、可能的发生过程，分辨主要风险因素的相关危险性。（3）全面性原则。进行风险识别时，要分析所有有害因素、危险因素，不要发生遗漏以免留下风险隐患。坚持“横向到边、纵向到底、不留死角”的原则，尽可能包括所有人员、所有活动和所有设施。通过对可能导致事故发生的直接原因、诱发原因进行重点分析，为以后采取控制措施提供基础。（4）预测性原则。对于有害的、危险因素以及潜在风险因素，还要分析其可能的触发事件，即分析潜在事故的发展模式。

  2.4  溃坝模式分析

 

  溃坝模式分析是风险分析过程中重要的一个环节，是根据 水库大坝在某种可能出现的外荷载作用下导致出现的风险要素和破坏形式，并进一步分析 是否可能导致发展成溃坝事件，最终建立荷载——大坝——事故——溃坝决的路径。大坝最终溃决是外部荷载和内部薄弱部位共同作用而发生的，如果在大坝溃决事故发生前就分析出最可 能发生的溃坝方式和可能性 ，则就能在事故发生之前合理的作出相应的应急预案，最大限度的减少溃坝损失，对于大坝以及下游城镇人民生命财产安全起到决定性的作用。

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  2.5  实例分析

  某小型土石坝发生管涌事故，拟识别其风险严重程度。该水库控制流域面积5.1km2，总库容77 万m3。水库枢纽主要由粘土心墙坝、侧槽式河岸溢洪道、放水卧管和坝下输水涵洞组成，大坝最大坝高35m，坝顶宽5m，设计洪水标准为20年一遇，校核标准为200年一遇，设计洪水位33.9m，校核洪水位34.7m，正常蓄水位33.0m。

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  2.6  本章小结

  风险识别是风险决策管理的基础和第一步工作，只有正确识别、深入了解了所面临的风险，才可能主动选择有效的规避措施。引起土石坝工程失事的原因是多方面的，不仅有洪水的作用，还有地震、结构缺陷、地质问题等多方面影响。本章在查阅国内外土石坝工程失事统计资料的基础上，结合大量的统计资料，详细介绍了我国当前土石坝坝安全风险的现状，阐述了引起土石坝溃决事故和非溃坝性事故的类型及原因，分析了土石坝常见的破坏形式及失事模式特点，对土石坝典型溃坝模式及溃坝路径进行了探讨，从模式识别理论出发，采用定性分析和定量判别的方法对土石坝存在的病险情况进行识别，建立一种可同时确定目标权重与目标相对隶属度的多因素模糊模式识别算法，在一定程度上降低了权重确定时存在的主观随意性和对样本的依赖性，能够较为客观的反映土石坝病险程度，为制定相应的处理建议及加固措施提供客观依据。

  3  溃坝风险分析理论

  3.1  风险分析基本理论

  3.2  风险估计

  3.3  溃坝风险综合评价

  3.4  实例分析

  3.5  本章小结

  4  土石坝风险分析及溃坝后果综合评价

  4.1  风险度计算理论与方法

  4.2  土石坝风险度计算模型

  4.3  失事后果综合评价

  4.4  实例分析

  4.5  本章小结

  5  土石坝除险加固多目标决策模型和实现方法

  5.1  除险加固多目标决策指标体系的构建

  5.2  多目标决策指标体系构建

  5.3  基于 Vague 集的病险土石坝除险加固决策模型

  5.4  实例分析 

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  5.5  本章小结

  考虑到土石坝除险加固工程是一个多目标决策优化问题，本章在深入分析影响除险加固方案决策影响因素的基础上，引入 Vague集理论和分析方法，基于方案决策影响因素相互交错、互相影响的特性，建立了综合考虑土石坝溃坝风险的除险加固多目标决策模型。初步确定并筛选病险土石坝除险加固方案决策指标，根据Vague集理论来表示专家决策意见，将主观赋权法与pareto 熵值理论有机结合，根据指标的主观权重与客观权重依据相对熵最小原理得出了主客观综合权重的计算方法。将理想解法拓展到Vague集环境，采用能反应支持、反对及中立三方面信息的Vague集距离测度公式，定义了各方案与正负理想解的距离，充分兼顾模型的多样性和收敛性，开展了病险土石坝除险加固决策寻优方法研究，并探讨了相应的实现过程和步骤。

  6  结论与展望

  6.1  结论

 

  我国水资源丰富，水库大坝数量庞多，现有水库大坝98460座，其中土石坝占很大的比重。随着水库的服役时间增加以及自然灾害等影响，土石坝水库很容易发生险情，因此，在前人成果的题。本文从该角度出发我国将是一个长期的主土石坝除险加固工程在病险基础上，利用风险分析方法，从风险识别、风险估计、风险排序方面，结合土石坝自身特点，建立了适用于我国国情的土石坝病害诊断理论及溃坝风险分析的方法，研究内容结论如下： 

  （1）在分析国内外土石坝工程失事统计资料的基础上，对已溃大坝的原因进行分析，找出最关键的风险要素，并探讨和归纳了可能发生的五种溃坝模式及溃坝路径，为溃坝概率的计算提供依据。采用定性分析和定量判别的方法对土石坝存在的病险情况进行识别，建立一种可同时确定目标权重与目标相对隶属度的多因素模糊模式识别算法，在一定程度上降低了权重确定时存在的主观随意性和对样本的依赖性，能够较为客观的反映土石坝病险程度，为制定相应的处理建议及加固措施提供客观依据。 

  （2）针对洪水漫顶、坝坡失稳和渗透破坏三种失事模式，分析了造成土石坝失事的原因和影响因素。研究了土石坝典型失事模式下风险的计算方法，给出了失事风险率的计算公式，以某土石坝为例，实现了洪水漫顶、坝坡失稳和渗透破坏三种失事模式的风险率计算。建立了土石坝失事后果评价指标体系，给出了生命损失、经济财产损失和社会环境损失指标的计算方法。运用模糊集理论与层次分析法，结合专家评判，提出了指标权重和指标严重程度隶属等级计算方法，建立了土石坝失事后果模糊综合评价模型，并结合某实际工程，对洪水漫顶、坝坡失稳和渗透破坏三种失事模式的风险率及失事后果进行了计算分析。 

  （3）在详细分析病险土石坝除险加固方案决策影响因素的基础上，确定了病险土石坝除险加固方案决策指标，建立了加固决策指标体系。引入了Vague集来表示专家决策意见，将层次分析法与熵值理论有机结合，构建主客观综合赋权方法。将理想解法拓展到Vague 集环境，建立了基于Vague集的病险土石坝除险加固方案决策方法，进而完成决策过程，并通过工程实例除验证了所提出方法的合理可行性。

  6.2  展望

  本文对土石坝病害因素识别及其溃坝风险计算方法进行了研究，取得了一定的进展，但是对土石坝风险分析还处于探索阶段，鉴于作者水平和时间有限，仍有很多问题有待于进一步深入研究： 

  （1）风险客观存在的事实使得研究人员需要采取各种工程或非工程措施降低和减缓风险，并将其控制在某一合理或普遍能容忍的尺度内。由于土石坝溃坝风险影响因素多、计算难度大，溃坝造成的后果引起的生命损失、经济财产损失和社会环境影响冲击等估计方法尚不完善，同时学术界也没有建立起一个统一的、能被广泛接受的风险标准。对于溃坝引起的环境风险、社会风险等定量评估标准，都有待于继续研究、完善。 

  （2）对病险土石坝风险识别和溃坝风险分析多依赖于历史上发生过的安全事故或溃坝事故资料分析，本文从模式识别理论出发，采用定性分析和定量判别的方法对土石坝病险情况及溃坝模式进行了识别，对溃坝路径各环节的定量估计存在一定程度的误差，还有待深入研究。 

  （3）土石坝溃坝风险的影响因素众多，在实际运行中涉及多方面、更具有复杂不确定性，溃坝风险模型没有全面顾及到各个风险因素，建模多采用简化近似的方式与实际问题有一定的差别，本文只讨论了在水位变化情况下土石坝坝坡失稳的风险分析计算模型，对于其他因素共同作用下引起的坝坡失稳风险还未涉及，如何通过现有资料和更先进的计算方法，对土石坝溃坝风险进行定量预测以及预报预警是今后研究的重点。 

  （4）本文将多目标决策理论引入病险土石坝除险加固方案决策中，以期能够有效地解决方案评价问题，但限于理论水平和经验，尚存在许多不足，如何构造更科学、适用性更广的评价指标体系，合理的选取评价指标等问题，都有待继续研究和加强。

 

参考文献（略）

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