钱塘江海塘风险分析和安全评估研究

摘要

海塘，亦称海堤，是浙江省对修筑于沿海或用以抵御洪潮水的堤防的特定称谓。风险分析和安全评估是海塘工程中一个有难度而富有挑战性的重要研究领域。本文以钱塘江下沙海塘及其保护区为主要研究对象，在系统分析和总结国内外研究现状及发展趋势的基础上，对钱塘江海塘出现的历史险情、海塘破堤原因、破口宽度和溢流堰顶高程，钱塘江水位持续抬升的原因、变异点发生的时间、闸口、仓前站的设计水位，海塘洪(潮)水越顶安全性、海塘整体稳定安全性、海塘渗透稳定安全性、海塘安全评估，海塘破堤后洪泛区灾情、海塘失效经济风险，以及以洪前冲淤、抛石固脚为主要内容的海塘加固技术等方面进行了比较深入的研究和探讨，做到了理论研究与工程实践紧密结合，既评估了下沙海塘的安全性又分析了下沙海塘失效风险，为海塘风险分析和安全评估提供了方法体系。本文的主要研究成果有： (1)提出了钱塘江海塘的主要失效模式。钱塘江海塘以越顶、整体失稳和渗透失稳三种破堤形式为主；标准海塘修筑前的1974年13号台风破堤调查资料分析表明，海塘破堤破口宽度服从对数正态分布，破口宽度超越200m的概率为1.22％。标准海塘的修筑较大程度上改善了海塘抵御洪(潮)水的能力，海塘一旦发生破堤，破口宽度可控制在200m以内。 (2)分析了钱塘江高水位持续抬高的原因、水位系列发生变异的年份，建立了海塘越顶安全性分析模型。自20世纪60年代以来，钱塘江河口开展的大规模治江围涂、上游建库是钱塘江河口高水位持续抬升的内因，水情条件是钱塘江发生高水位的外因；运用信息熵理论，通过构造水位变异的比较序列的差异信息相对测度诊断表明，1974年、1997年为水位序列的变异点；仓前站原1％设计水位9.81m，仅相当于现状的2％标准，客观上降低了下沙海塘越顶安全性，采用JC法分析下沙海塘发生越顶的概率为1.80×10-3，敏感性分析表明，钱塘江河口水情、工情条件改变而引起的外江水位特征改变，是钱塘江河口海塘发生越顶的最主要因素。 (3)结合钱塘江河床冲淤变幅大的特点，首次引入塘前滩地高程作为随机变量，建立了海塘整体稳定安全性分析模型。当塘前滩地高程均值为2.Om、标准差为4.38m时，下沙海塘整体稳定可靠指标β为4.91，失效概率为0.46×10-6；敏感性分析表明，对海塘整体稳定性影响最主要的是塘前滩地高程均值、方差和土体摩擦角均值三个变量。 (4)建立了不透水地基均质土坝渗透稳定计算模型，采用Monte-Carlo法进行抗渗可靠性分析。下沙海塘抗渗可靠度为0.985；敏感性分析表明，抗渗比降均值、变异系数和外江高水位均值是影响海塘渗透稳定可靠性的主要因素。 (5)海塘系统破坏事故树为串联系统。当事件B与A的功能函数为线性时，条件概率P(B/A)可采用以下公式进行计算：P(B/A)=1-φ(1-ρ/√1-ρ2E(y)/σy)；下沙海塘失效主要受渗透失稳概率所控制，系统失效概率区间范围较小，失效概率可近似取为1.5％。 (6)采用MIKE系列计算软件包中的一维非恒定流河网模型进行破堤后洪泛区灾情分析。结果表明，下沙海塘一旦发生破堤，洪泛区成灾面积可控制在61.6km2以下。以杭州市为例，统计分析了历史水灾经济损失与单位面积GDP、成灾面积的相关关系，计算了下沙海塘失效经济风险为547.47万元。 (7)利用GM(1，1)预测模型、一维动床数学模型，从水沙比角度，分析计算了不同河道长度放水冲淤的效果，提出了钱塘江应选择洪水前的小潮汛进行大流量短历时冲刷，此时，水沙比为50～56。利用粒子在水中运动的运动学原理和Monte-Carlo法，建立了船抛块石随机模型，该模型能够细致模拟船抛块石水下分布形态，是一种强有力的工具。 本文的研究工作得到了浙江省科技厅科研院所重点研发项目的资助，是浙江省科技厅科研院所重点研发项目“堤防风险分析和安全评价系统研究”(项目批准号：2004712015)的组成部分。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文拟开展的主要研究内容

参考文献

第2章风险分析的基本理论

2.1引言

2.2结构可靠度基本理论

2.3预测方法及模型

2.4本章小结

参考文献

第3章钱塘江海塘的险情统计分析

3.1引言

3.2海塘历史险情分析

3.3海塘破堤原因分析

3.4海塘破口宽度和溢流堰顶高程分析

3.5本章小结

参考文献

第4章洪(潮)水越顶安全性分析

4.1引言

4.2年最高水位变化趋势分析

4.3年最高水位变异点分析

4.4年最高水位分段频率分析

4.5洪(潮)水越顶安全性分析

4.6本章小结

参考文献

第5章海塘整体稳定安全性分析

5.1引言

5.2整体稳定可靠度分析理论

5.3整体稳定可靠度分析

5.4本章小结

参考文献

第6章海塘渗透稳定安全性分析

6.1引言

6.2渗透稳定安全性分析的基本理论

6.3渗透稳定安全性分析

6.4本章小结

参考文献

第7章海塘安全性评估

7.1引言

7.2海塘破坏事故树

7.3海塘安全性分析计算公式

7.4海塘安全性评估

7.5本章小结

参考文献

第8章海塘破堤后灾情分析

8.1引言

8.2下沙区自然面貌及水利设施

8.3破口宽度和溢流堰顶高程分析

8.4外江洪水、暴潮水位过程的选定

8.5破堤洪水演进计算方法

8.6破堤后洪泛区水利计算

8.7本章小结

参考文献

第9章海塘系统风险分析

9.1引言

9.2可接受的风险

9.3历史灾情的统计分析

9.4海塘系统风险分析

9.5本章小结

参考文献

第10章海塘加固技术研究

10.1引言

10.2减淤机理研究

10.3船抛块石随机模型研究

10.4本章小结

参考文献

第11章结论与展望

11.1主要研究成果

11.2本文主要创新点

11.3研究展望

附录

1博士在读期间完成的学术论文

2博士在读期间主持的科研项目

致谢