一种极端工况的梯级水库群土石坝风险分析方法

摘要

本发明公开了一种“溃坝洪水+地震”极端工况的梯级水库群土石坝风险分析方法。该方法首先通过土石坝溃决洪水计算和洪水演进分析，采用基于冲刷侵蚀的溃坝洪水分析模型，计算A梯级水库的溃坝洪水，演进至下游B梯级水库，并根据本发明提出的固定时段长度法，得到大量不同时间段的B梯级水库的坝前水位；其次，根据B梯级大坝坝体材料抗剪强度参数及其分布概型，通过蒙特卡洛法随机抽样，并采用拟静力法模拟地震对坝坡稳定的影响，进而采用土力学中简化的Bishop法计算得到不同“坝体材料抗剪强度参数—坝前水位”组合的地震工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数F；最后，通过拟合安全系数F样本分布，计算可靠指标β和条件失效概率PF，进而实现“A梯级土石坝溃决+地震”同时作用下的B梯级土石坝坝坡失效概率PF0。本发明从系统安全的层面，实现了考虑地震和溃坝洪水共同作用的梯级土石坝坝坡稳定分析，为流域梯级水库群大坝风险分析与评估提供了技术支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域，是一种分析极端工况下的梯级水库群土石坝安全水平的方法，是一种考虑“上游溃坝+地震”共同作用的梯级水库群大坝风险分析方法。

背景技术

我国河流梯级水库群开发格局已逐步形成，在防洪减灾、应对气候变化、清洁电力供应和碳中和目标实现等方面发挥了不可替代的作用。然而，超强降水、地震、滑坡堰塞湖、上游溃坝等极端状况，对梯级水库群大坝安全管理和风险防控构成了极大的威胁。譬如，2018年金沙江上游连续两次滑坡堵江形成的白格堰塞湖，均对下游在建的叶巴滩、苏洼龙电站，以及已建的梨园、阿海等梯级电站造成极大威胁。

按照现行设计规范，梯级水库大坝均可满足规范要求的持久设计状况、短暂设计状况和偶然设计状况的要求，但由于规范要求的三种设计状况均是以单一梯级水库大坝为设计对象，对流域梯级水库群大坝可能遭遇的极端工况的考虑尚有不足。考虑“上游溃坝+地震”极端工况下的梯级水库大坝风险分析与评估方法研究成果较少。因此，在流域尺度下，从流域梯级水库群系统风险防控的角度，考虑梯级水库大坝可能遭遇的极端工况，研究提出相应的风险分析和安全评估方法，可为流域梯级水库群安全管理和系统风险防控提供技术支撑。

本发明内容和效果

本发明内容

本发明根据流域梯级水库群风险管理工作需要和极端工况风险分析技术的不足，提供了一种考虑“上游溃坝+地震”作用组合的极端工况下梯级水库群土石坝风险分析方法。该方法通过将上游梯级溃坝洪水引起的下游梯级水库坝前水位变化模拟洪水作用，基于Bishop法并考虑坝体材料强度参数变异性，形成了下游梯级水库大坝遭遇“上游溃坝+地震”共同作用时的坝坡稳定安全系数的分布函数，进而计算大坝可靠指标的分析方法，可为流域梯级水库群系统风险防控方案的制定提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种极端工况下的梯级水库群土石坝风险分析方法，所述梯级水库群包括至少两座或以上水库大坝，所述极端工况下的梯级水库群土石坝风险分析方法步骤如下：

1)选定梯级水库群土石坝风险分析对象。根据本发明需在同一流域或河段选定上下游相邻且具备水力关联的两座或以上梯级土石坝A和梯级土石坝B为风险分析对象。

2)上游A梯级土石坝溃坝洪水和演进计算。根据本发明要求，采用基于冲刷侵蚀的溃坝洪水分析模型，计算上游A梯级水库的溃坝洪水，演进至下游B梯级水库，并根据本发明提出的固定时段长度离散，计算得到大量不同时间段的B梯级水库的坝前水位。

3)极端工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数计算。根据本发明要求，基于B梯级大坝坝体材料抗剪强度参数及其分布概型，通过蒙特卡洛法随机抽样，并采用拟静力法模拟地震对坝坡稳定的影响，进而采用简化的Bishop法计算得到不同“坝体材料抗剪强度参数—坝前水位”组合的地震工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数F。

4)极端工况下B梯级土石坝风险分析。根据本发明要求，通过拟合安全系数F样本分布，计算可靠指标β和条件失效概率P

上述技术方案中，优选地，2)上游A梯级土石坝溃坝洪水计算采用基于冲刷侵蚀的逐渐溃坝分析模型。漫顶溃决采用宽顶堰公式计算；管涌溃决采用孔口出流公式，冲刷坍塌形成缺口后采用宽顶堰公式计算。

上述技术方案中，优选地，2)上游A梯级土石坝溃坝洪水演进至B梯级水库计算过程中，根据固定时段长度(2分钟)进行离散，计算得到不同时间段的B梯级水库的坝前水位。

上述技术方案中，优选地，3)极端工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数计算，基于B梯级坝体材料抗剪强度参数及其分布概型，通过蒙特卡洛法随机抽样，并采用拟静力法模拟地震对坝坡稳定的影响，进而采用简化的Bishop法计算得到不同“坝体材料抗剪强度参数—坝前水位”组合的地震工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数F。

上述技术方案中，优选地，4)极端工况下B梯级土石坝风险分析，将安全系数样本进行统计分析，得到安全系数的均值μ

式中，n为安全系数的样本数；F

上述技术方案中，优选地，4)极端工况下B梯级土石坝风险分析，“A梯级土石坝溃决+地震”同时作用下的B梯级土石坝坝坡失效概率P

P＝P(U|MN)＝P(UMN)/P(MN)

若M、N、U相互独立，则上游A梯级水库溃坝，B梯级水库遭遇地震且坝坡失稳的概率为：

P

式中，P(M)为A梯级水库溃坝概率，因为A梯级水库已溃坝，即P(M)＝1；P(N)为B梯级水库遭遇地震的概率，可根据地震超越概率确定；P(U|MN)为A梯级水库溃坝洪水和地震条件下的B梯级大坝坝坡失效概率，即P

本发明效益

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在流域梯级水库群系统中，提供了一种简便易行的梯级水库群土石坝极端工况风险分析方法，可为流域梯级水库群安全管理、风险评估、补强加固和应急处置提供定量化的技术支撑。

附图说明

图1为本发明技术流程图

图2A梯级水库溃坝洪水流量过程

图3B梯级水库坝前水位过程

图4B梯级水库坝体分区图

图5极端工况下B梯级水库大坝安全系数散点图

图6极端工况下B梯级水库大坝安全系数统计及正态分布拟合

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应该了解，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以某流域A、B两座上下相邻且具有水力关联的梯级水库作为实施例，其中B梯级水库大坝为该流域控制梯级，分析其在遭遇“上游A梯级水库溃坝+地震”的极端工况下的安全水平。A梯级水库大坝为面板堆石坝，最大坝高为133.0m，坝顶高程2608.00m，库容2.48亿m

1)上游A梯级水库溃坝并演进至下游B梯级水库

基于冲刷侵蚀的溃坝洪水计算模型需考虑溃口流量、溃口冲刷、溃口扩展等因素。假定A梯级水库溃坝参数取值见表1。假定A坝在遭遇20年一遇洪水后于0时开始溃决，溃口冲刷起动流速3.0m/s，则6.57时达溃决洪峰9922m

表1A梯级水库溃坝计算参数

2)B梯级水库坝前水位壅高

由于A库仅有2.48亿m

3)可靠指标β和条件失效概率P

对B梯级水库大坝，采用简化Bishop法分析其坝坡稳定性，坝体材料抗剪强度参数见表2，对心墙料采用摩尔—库伦线性强度指标，堆石料、过渡料等采用邓肯对数的非线性强度指标，且假定其抗剪强度指标服从正态分布。B梯级水库坝体剖面分区见图4。

根据图3中B梯级水库坝前水位曲线，以2分钟为时间段进行离散，得到444个独立的坝前水位样本。在每个水位下根据表2中坝体材料参数，采用蒙特卡洛法抽样100次，共计得到44400组材料抗剪强度参数，并据此采用简化的Bishop法计算B梯级大坝坝坡抗滑稳定安全系数，得到的安全系数样本见图5。根据图5，考虑频次并绘制安全系数直方图见图6，并在给定置信水平为0.05时，采用科尔莫戈罗夫·斯米尔诺夫法(K-S法)进行安全系数分布的拟合性检验，认为安全系数样本服从均值μ

表2B梯级水库坝体材料参数

4)极端工况下B梯级土石坝风险分析

上述计算未考虑溃坝洪水和地震发生的概率，故需要通过条件概率公式计算其坝坡稳定的失效概率和相应的可靠指标。若M表示A梯级遭遇20年一遇洪水时发生溃坝，则P(M)＝5％；N表示发生地震，计算中地震加速度系数采用基岩峰值加速度的超越概率水平为2％，则P(N)＝0.02；U表示B梯级坝坡失稳，则上游A梯级水库溃坝，B梯级水库遭遇地震且坝坡失稳的概率为：P

本发明可在流域梯级水库群系统中，对梯级水库群土石坝遭遇“上游梯级水库溃坝+地震”的极端工况进行风险分析，为流域控制梯级做好应对多种作用组合的极端工况提供分析技术，进而可采取与风险水平相适应的应对措施。例如，通过上述实施例，上游A梯级水库在遭遇20年一遇洪水漫顶溃坝后演进至B梯级水库，尽管B梯级水库遭遇地震，但仍可满足安全要求。进而可知，B梯级水库可不用提前泄水腾空库容，以确保B水库下游梯级和沿岸人民群众的安全。

显然，本发明不限于上述实施例的细节。上述实施例应被视为是示范性的，而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求限定，且包括落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化。权利要求中的任何附图标记不应被视为对所涉及的权利要求具有限制性。

此外，本说明书应被视为一个整体，上述实施方式并非本发明唯一的独立技术方案，实施例中的技术方案可经适当组合调整，形成本领域技术人员可理解的其他实施方式。