基于复杂性理论的堤防工程灾变破坏机制与安全评价方法

摘要

堤防是防洪工程体系的重要组成部分，是抵御洪水和保障两岸人民生命财产安全的基本设施和最后屏障，一旦失事将给人民生命财产带来严重损失。研究堤防工程灾变机制与规律，是对堤防工程进行合理设计和科学管理的理论基础和前提，是保障堤防工程安全的重要依据；堤防工程安全分析与评价是水利工程建设和管理的核心问题，也是当前研究的热点问题之一，意义重大。
　　 本文针对堤防工程中的渗透破坏与堤坡失稳问题，应用复杂性理论和方法，在对堤防工程复杂特性研究的基础上，根据耗散结构原理，研究了堤基管涌和堤坡失稳破坏的耗散结构形成机制和失稳条件；采用突变理论分别建立了堤坡失稳、渗透破坏、土体变形等灾变破坏过程的尖点突变模型，得出了各模型的突变失稳临界条件或判据，推进了堤防工程灾变破坏机制研究进程；针对堤防工程安全评价问题，多方面、多层次，系统探讨了其安全评价的方法，包括基于事故树理论的风险分析法、基于突变理论的堤防工程单元堤段安全评价方法、基于熵权的堤防工程综合安全集对分析方法等，为堤防工程安全评价提供理论支持。主要内容包括：
　　 (1)针对堤防工程中的渗透变形问题，根据耗散结构理论，分析了堤基管涌的耗散结构形成机制，探讨了渗透水流的最小可用能耗率原理，为管涌研究探索了一条新的途径。同时，应用突变理论，以加剧渗透变形因子和阻抗渗透变形因子为控制变量，建立了渗透变形的尖点突变模型，为渗透变形的判别和失稳条件的研究提供了新思路。
　　 (2)针对堤坡失稳问题，根据耗散结构理论，分析了堤坡失稳的耗散结构形成机制；利用信息熵理论推导了以堤防工程系统应变能表达的系统熵的表达式；并对熵表达式进行平衡分析，得到了堤防工程破坏的熵突变准则。同时，根据堤坡失稳的特点，基于堤坡失稳的力学模型，考虑边坡材料的非线性应变软化和孔隙水对材料的水致弱化作用，应用突变理论分别推导了非粘性土堤坡和粘性土堤坡失稳的尖点突变模型；并利用该模型对堤防工程边坡失稳机制和力学条件进行研究，从整体上深化对堤坡失稳机制的认识；通过对模型的分析，提出以位移的变化来判断堤坡的稳定性，并将其应用于工程实例，为堤坡稳定性分析提供新途径。
　　 (3)针对堤防工程中土体变形问题，根据突变理论，考虑加荷时间效应，建立土体变形的突变模型，为堤防工程中土体变形分析提供新的思路。
　　 (4)针对堤防工程安全评价问题，首先，将模糊数学和事故树理论结合分析了堤防工程失事风险，为堤防工程安全标准提供依据；接着，分别基于突变论方法和信息熵原理与集对分析方法建立了堤防工程安全评价模型，为系统分析现有堤防安全状况提供理论支持。以上分析相互补充和完善，为堤防工程安全运行与管理和除险加固提供科学依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题的背景和意义

1.2国内外研究发展现状及进展

1.3研究思路与章节安排

第2章复杂性理论基础

2.1概述

2.2耗散结构理论

2.3突变理论

2.4不确定性理论

2.5本章小结

第3章堤防工程系统及其灾变过程的复杂性

3.1复杂性及复杂系统

3.1.1复杂性

3.1.2复杂系统

3.2堤防工程系统的复杂性

3.2.1组份的复杂性

3.2.2结构的复杂性

3.2.3动态开放性

3.2.4非线性叠加和整体涌现性

3.2.5社会性

3.2.6系统演化的链式关系结构

3.3堤防工程灾变过程的复杂性

3.3.1模式多样性

3.3.2自组织特性

3.3.3分形分维特性

3.3.4突变特性

3.3.5不确定性特性

3.4小结

第4章基于复杂性理论的堤防工程渗透变形破坏机制与模式

4.1概述

4.2堤防工程系统的耗散结构特征

4.2.1堤防工程灾变系统的开放性

4.2.2堤防工程系统的组成及非线性特征

4.2.3渗流作用下堤防工程系统逐渐远离平衡态

4.3基于耗散结构的堤基管涌演化机制

4.3.1渗流管涌过程中耗散结构的形成过程

4.3.2渗透水流最小可用能耗率原理

4.4渗透破坏的突变模式分析

4.4.1渗透变形的影响因素与判别

4.4.2渗透变形的尖点突变模型

4.4.3参数的确定

4.5本章小结

第5章基于复杂性理论的堤坡失稳机制与模型

5.1概述

5.2堤坡失稳的耗散结构形成机制

5.2.1堤坡失稳的耗散结构形成过程

5.5.2堤防失稳的信息熵及破坏准则

5.3堤坡滑动失稳的突变模式

5.3.1非粘性土堤坡失稳的尖点突变模型及临界条件

5.3.2粘性土堤坡失稳的尖点突变模型及判据

5.3.3工程实例分析

5.4堤坡土体变形破坏的尖点突变模型

5.5本章小结

第6章基于复杂性理论的堤防工程安全评价方法

6.1概述

6.2基于模糊事故树分析的堤防工程失事风险分析

6.2.1模糊事故树分析法基本理论

6.2.2堤防工程失事概率的模糊事故树分析

6.2.3事故树的定量分析

6.2.4敏感性分析

6.3基于突变理论的堤防工程安全综合评价方法

6.3.1突变评价简介

6.3.2突变评价基本原理及准则

6.3.3基于突变理论的堤防安全评价模型

6.4基于熵权和模糊集对分析的堤防工程安全评价

6.4.1集对分析的基本原理

6.4.2堤防工程安全评价的集对分析方法

6.4.3熵值法确定权重系数

6.4.4基于熵权的集对分析模型

6.4.5工程实例分析

6.5本章小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

攻读博士学位期间主要科研成果

致谢