论水库大坝漫坝风险分析理论及模型的建立

论水库大坝漫坝风险分析理论及模型的建立

李智红付君

李智红付君（尚志市马延灌区管理站）

摘要：漫坝风险分析理论采用随机数学、随机水文学和随机水力学方法，综合考虑影响漫坝的洪水、库容、风浪和泄水能力四方面的随机性，然后研制出水库大坝在洪水系列与风浪系列联合作用下的漫坝风险模型，并在确保大坝的漫坝安全可靠度高达99.999％以上的前提下，优选水库的汛限水位，从而为提高水库汛限水位打下理论基础。本文正是利用这一理论，分析研究了水库的漫坝风险，综合应用随机水文学、随机水力学等学科知识，全面考虑洪水、风浪、库容和泄水能力的不确定性，建立了土坝对抗洪水和风浪联合作用下的漫坝风险理论，并提出了风险取值标准。

关键词：漫坝风险分析理论模型应用

0引言

我国北方大多数水库设计汛限水位普遍偏低，严重影响了水库兴利效益的发挥，造成水库管理单位普遍贫困，防汛和水毁工程费用少，工程老化失修，险情不断，无法保证水库的正常、安全运行。

漫坝风险分析理论采用的是一种非工程措施，不需任何工程投资，即可达到提高汛限水位，提高水库的兴利效益的目的。该理论在我国北方地区，对工程状况完好，水资源紧张，供需矛盾突出的水库，特别是有工业供水任务的水库，对挖掘水库的潜力，增加兴利水量，提高供水保证率，有重要意义。

1漫坝风险分析理论

漫坝是指坝前水位超过坝顶、水流漫过坝顶溢流而下。风险是指水库发生漫坝的概率。漫坝风险就是指在分析期内，坝前水位超过坝顶的概率。引起漫坝的主要风险因素来自入库洪水、风浪、库容和泄水能力四个方面的不确定性。对于入库洪水，大家都承认它有随机性，不再赘述。对于泄水能力，尽管在传统的水库设计中，把泄水建筑物包括溢洪道和泄水孔的泄水能力，当作确定量来处理，但严格地讲，泄水能力是具有不确定性的。其不确定性源于对真实的三维水流简化为一维水流模型而致的不确定性、糙率取值的不确定性、模型试验的缩尺效应以及各种几何尺寸在施工方面的容许误差，等等。所有这些影响泄流能力的随机因素，可以通过把泄水建筑物的流量系数视为一定范围内的随机变量加以处理。在传统的水库计算中，是把库容或库面积视为确定性的。但事实上，它们是有不确定性的。人们测出的库区等高线图，存在着测量的随机误差；利用等高线图计算库容按梯形法或辛普森法时，存在着计算简化误差；库区每年要经受洪水，不可避免地产生冲淤，而限于人力、物力条件不能每年都对库区进行水下地形的精确测量，因此冲淤也会引起库容的不确定性。风，在什么时间刮，从什么方向刮，风速多大，风力多少级，仍是随机的。对于土坝来说，因风引起的水面壅高e和风浪沿斜坡坝面的爬高Ｒp，自然也是随机的。应予指出，在一般库水位情况下，一般的风所引起的水面壅高和风浪爬高是不会引起漫坝的。只有当洪水来临，使库水位升到一定值时，风浪的作用才有可能配合洪水推波助澜而导致漫坝风险。因此，统计风系列的前提，本应是统计各场洪水发生时的风，但因当前往往缺乏这方面的资料，为安全起见，一般采用汛期最大风系列。对漫坝风险而言，只有吹向坝体的风才对漫坝失事起作用，故而对漫坝风险而言，其有效风应为汛期吹向坝体的最大风系列。

严格地讲，坝顶高程也存在不确定性。它来源于测量误差和坝顶的沉降，但对于已建成的工程，其离散性微乎其微，可以把它视为常数，这并不影响计算精度。

2漫坝风险分析模型及方法

漫坝风险分析理论采用随机数学、随机水文学和随机水力学方法，综合考虑影响漫坝的洪水、库容、风浪和泄水能力四方面的随机性，然后研制水库大坝在洪水系列与风浪系列联合作用下的漫坝风险模型，并在确保大坝的漫坝安全可靠度高达99.999％以上的前提下，优选水库的汛限水位，从而为提高水库汛限水位打下理论基础。

2.1基本理论

漫坝风险分析基本理论涉及到两个基本概念：漫坝和风险。漫坝是指坝前水位超过坝顶、水流漫过坝顶溢流而下。风险是指水库发生漫坝的概率。漫坝风险就是指在分析期内，坝前水位超过坝顶的概率。漫坝风险分析理论认为引起漫坝的主要风险因素来自入库洪水、风浪、库容和泄水能力四个方面的不确定性。在传统的水库设计及计算中，把泄水建筑物及库容或库面积视为确定性的，但严格的讲，它们是不确定的。风也是随机的，对漫坝风险而言，其有效风应为汛期吹向坝体的最大风系列。这样一来，在全面考虑入库洪水、风浪、库容和泄水能力四个方面的不确定性，水库调洪过程是一随机过程，其调洪演算方程，是随机微分方程。在以校核或设计洪水为其上限的洪水系列与汛期吹向坝体的有效风系列联合作用下，土石坝漫坝风险须逐时段进行数值积分来求得。计算时，控制高程取在坝顶和防浪墙高程时，针对不同的迎汛水位，将分别得出相应的漫坝风险值。目前，尚缺乏漫坝安全可靠度方面的国家或行业标准，经过分析认为，可接受的漫坝风险为10－6数量级，这相当于人力无法抗拒的地震风险数量级，即可接受漫坝的安全可靠度达在99.999％以上。

2.2模型及方法

漫坝风险模型可表示为下式：

Ｚ（ｔ）——坝前水位

Ｚｏ——迎汛库水位

ｅ——水面风壅高度

Ｈmax——由于洪水产生的库水位增加值

Ｒｐ——沿坝坡的波浪爬高

Ｚc——临界高程

当洪水事件[Ｑi-1，Ｑi]和风事件〖Ｗj-1，Ｗj〗同时出现时，风险Ｐij为：

通过编制相应的电算程序，求解上述方程，可得到预先规定的临界模式的漫坝风险模型。

在传统水库调度计算中，除了洪水是具有某种频率性质的随机事件外，把水库库容、库面积、汛期的风情和泄水建筑物的泄流能力等都当作确定量处理，且洪水频率一经给定，洪水过程线也成为确定量。在此条件下，人们采用安全超高，即在水库演算中最高水位上再加一高度作为安全超高以策安全，实质上是把确定量所未考虑的那些不确定性都囊括在内。反过来，当我们把洪水、风壅高度和爬高、库容和库面积、泄水能力都看成是随机量并将洪水调度过程看成是随机过程时，已把这些不确定性考虑进去了，因而无需再采用安全超高。

通过全面考虑洪水、风浪、库容和泄水能力的不确定性而建立起来的漫坝风险理论，已成功地应用于国内几座大型水库上，对各坝的漫坝安全可靠性进行评定，同时在确保大坝安全度汛的前提下，对水库防洪调度提供了切实可行的建议，使水库既充分发挥其防洪功能，又尽可能多地蓄水，使宝贵的水资源得到充分地利用，提高了兴利效益。

可以相信，此法一旦推广应用于我国众多的坝体坚实的高土石坝，能为领导机关及管理部门制定水库防洪减灾运用计划提供漫坝安全可靠度的定量科学依据，其社会效益与经济效益将极为显著，可视为防洪减灾的一个辅助策略。