建立在可靠度与溃坝计算基础上的梯级水库群风险分析

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十三大水电基地的梯级开发,不仅能优化利用我国丰富的水能资源,而且可最大限度地解决我国水资源时空分布不均匀、能源紧张等问题。梯级水库群在防洪、发电、灌溉、供水等方面发挥着重要作用的同时,也必须认识到其存在的重大风险,任何一座梯级水库失事所引起的灾害损失,决不仅仅是单一梯级本身。梯级水库群的逐渐形成,使得现有的单一大坝设计方法和标准已无法满足流域梯级的安全需求,亟需研究并建立新的设计方法和风险控制标准。本文围绕梯级水库群的风险问题,结合风险分析理论,以溃坝分析为手段,在确定风险标准和风险等级的基础上,建立了特等工程特级大坝和相应的风险控制标准,对梯级水库群风险防控及标准的制定有一定的参考价值。本文的主要研究内容和成果如下:  (1)从公共安全、历史溃坝统计和现有工程设计标准的角度,建立我国单一大坝的个人可接受风险标准为年计失效概率l0-6_10~,可容忍风险标准为年计失效概率10-4~110-5,社会风险标准采用F-N曲线,以10-3和10-4为可容忍和可接受风险标准的起点,群体死亡人数100人为拐点,水平延伸至1000人为上限:梯级水库群个人可接受和可容忍风险标准分别为10-8和10-7,社会风险标准与单一梯级保持一致。  (2)采用风险矩阵将梯级水库群风险等级划分为极高风险(Ⅳ)、高风险(Ⅲ)、中风险(Ⅱ)和低风险(Ⅰ)四级。基于相对安全率和可靠度分析理论,建立“单一安全系数—可靠指标一年计失效概率”为一体的风险控制指标体系,实现了风险等级和工程等级的对接,根据梯级连溃分析和坝高、库容,建议设立特等工程特1级、特2级大坝,完善了现行工程等级标准体系。  (3)单一梯级溃坝是梯级连溃和特级坝认定的核心科学问题。研究发现已有土石坝溃决模型均是以泥沙动力学中的经验推移质输沙方程模拟溃口的冲刷过程,而基于经验公式的侵蚀率与剪应力均呈指数关系,故导致溃坝计算存在不收敛的现象,针对这一问题,通过反演实测资料完整的唐家山堰塞湖溃坝过程,提出双曲线侵蚀率模型,有效模拟了溃坝冲刷过程:通过流量系数、溃口宽度等敏感性分析,可将溃决洪峰控制在士50%。  (4)建立梯级水库群连溃风险分析模型,并通过我国某河流干流上规划的“下庄(1)—达里—双屯子”和“下庄(2)—达里—双屯子”模型的梯级连溃分析,验证了模型的稳定性和特级坝等级划分标准的可行性。研究期间恰遇云南鲁甸“8?03”地震,在牛栏江干流梯级中形成极高危险的红石岩堰塞湖,通过“红石岩堰塞坝—天花板拱坝—黄角树面板堆石坝”连溃风险分析,建议开挖深8m的引流槽以确保遭遇20年一遇的洪水时黄角树大坝不漫顶,这一成果被红石岩堰塞湖应急抢险指挥部所采纳。  (5)研究建立特等工程特1级、特2级大坝,特1级和特2级土石坝的风险控制标准分别为年计失效概率10-8和5×10-8,相应可靠指标为4.7和4.45,单一安全系数为1.7和1.6。  本文依托国家重点基础发展计划(973计划)项目“梯级水库群全生命周期风险孕育机制与安全防控理论”,部分研究成果已被正在编制的《梯级水库群风险防控设计导则》所采纳。
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