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红壤丘陵区均质水利土坝病险除控性态安全云评估研究

时间:2018-02-04 22:07来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是水利工程论文,本文将基于一定的评价标准对影响大坝安全的指标逐一赋值评分,然后通过云模型及模糊数学基本理论对指标的权重及隶属度进行确定,最终基于上述方法对大坝
第 1 章 绪论
 
1.1 选题背景及意义
南方红壤丘陵区均质土坝工程相对于其他类型土壤土坝工程存在一定差别,主要由于红壤丘陵区结构性较差,有机质含量较低。同时受地理环境等因素的影响,红壤丘陵区均质土坝工程施工难度更大,技术要求更高,资金投入更大,而南方红壤丘陵区均质土坝的安全运行关于广大人民群众的生命财产安全和地区经济社会发展情况[2]。我省在20世纪50~70年代兴建了众多中小型水库,挡水建筑物多为土石坝,运行至今不同程度存在库岸稳定、土石坝沉降、土石坝裂缝、土石坝滑坡、土石坝渗透、坝基抗滑、坝基渗透及绕坝渗透稳定等问题,目前较多的病险水库大坝已经进行了除险加固工程措施,但依然存在很多的水库大坝未进行安全评价鉴定,并且加固后的大坝也应定期进行安全评估,大坝病险除控的安全评估至今尚没有形成统一的方法。因此,制定科学合理的可以充分推广的大坝病险安全评价体系尤为必要。综上所述,南方红壤丘陵区均质土坝病险除控性态安全云评估是在规范提供的标准和《导则》下对土坝的安全警示[3],对均质土坝的安全运行有着至关重要的作用,均质土坝安全风险综合评价包括安全评价指标选取和指标系统的构建,更加细化原有国家标准,从而构建出适合南方红壤丘陵地区均质土坝的安全鉴定评价体系[4, 5]。建立该安全鉴定评价方法的目的主要在于以下几点:通过对病险土坝病险除控性态安全方面的综合研究,确定土坝现役状态,是否需要进行除险加固,同时对现有的除险加固方案进行分析并进行评价立项决策的正确性并为提高工程的效率提出更加科学合理的对策措施[3]。
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1.2 国内外研究现状
大坝的安全评价及风险分析是近年来慢慢发展起来的一门综合性学科。美国在 1974 年就开始了对大坝进行风险评价的研究,其首先对核电站进行风险评估,后面推广到大坝的研究,并取得了较好的效果,美国 USACE 机构 (陆军工程师团)结合风险评价法对大坝进行安全评价并提出大坝风险分析的概念,对大坝的安全管理等工作提供大量的帮助[6]。加拿大水电公司(Bc Hydro)在 1991 年运用了风险鉴定的方法对大坝进行查找隐患,从而更加具体的制定了大坝的除险加固方案节省了大量的人力物力,取得了较好的效果为进一步推广打下基础[7]。1994 年,澳大利亚在水库大坝风险管理工作方面出台了《澳大利亚风险评价指南》并同时制定了大坝安全管理等系列《指南》指导大坝的安全管理工作[8]。1996 年葡萄牙通过对大坝风险指标进行了大坝的安全评价工作,其主要利用了工程结构、环境风险、溃坝风险,大坝结构等十多项指标进行大坝的安全评价工作,并取得了较好的工程效果和经济效果。与此同时在瑞典、日本、俄罗斯、挪威等发到国家同样也对水库大坝的安全等工作进行评价鉴定从而进一步加强大坝的运行管理工作。
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第 2 章 红壤丘陵区均质土坝安全评级指标体系及指标量化
 
2.1 红壤丘陵区均质土坝安全性鉴定指标体系建立
2.1.1 均质土坝安全鉴定的目的及分析
目前常用的各类大坝安全评价方法一般以定性的评价为主,开展定量评价的难点主要在于准确地进行指标量化。目前,评价指标的量化工作依然只能采用专家评价法及经验评价法相结合的方式来获取[12]。将原有的评价等级有三级变为五个评价级,从而建立定量化的均质土坝安全云评估体系。对均质土坝的安全鉴定,由于目前评价方法过多的依赖于定性分析,导致目前很多病险水库鉴定等级不准,出现一些浪费国家资源、国家经费的问题[15]。而目前大坝安全鉴定又是由各地自行组织,在上述情况下,受利益驱动,出现诊断不准、小病大治或无病呻吟就在所难免了。存在类似情况的项目并不在少数,因此对于部分水库虽已被鉴定为“三类坝”,但其真实情况有待进一步探讨。因此,水库安全鉴定结论的真实性和准确性需要经过认真的核实。根据文献资料,可以看出,由于大量评价指标难以直接进行直接量化的转换,我国现有各类大坝的评价方法仍然是依靠于定性评价,而这种方法的缺点就是经验化和随意性较大。同时这种安全评价的一些方面是不明确的,并且大坝的安全等级是粗略的。因此,基于现有的安全识别方法,应深入研究土石坝运行状态的安全评价指标,选择合理的安全评价鉴定指标,对指标进行精确定量,建立科学的均质土坝安全定量评价体系[10]。
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.2 红壤丘陵区均质土坝安全性鉴定指标安全等级的划分
红壤丘陵区均质土坝安全云评估体系及安全等级的确定是按照国家发布的《水库大坝 安全评价导则》及相关学者的研究成果综合考虑进行划分的,传统的安全评价等级主要是分为 A、B、C 类[19, 20]。其中,A 类大坝为安全等级,没有病险,鉴定为安全稳定;B 类大坝为基本安全,可能存在一定程度的的病险,鉴定为基本安全;C 类大坝为不安全,可能有溃坝的病险,鉴定为不安全[21]。可以看出目前我国《导则》中的大把分类仅分为三类大坝,只是大概的表示了大坝的三种状态,并没有详细进行划分。人为进行等级划分受到个人主观随意性影响较大,尤其是在一个较大的范围内进行划分,研究表明,将等级划分变得更细致的话主观影响将大大缩小,因此进行等级划分将变得更加科学合理。综上所述,如果继续按照《导则》对大坝进行安全等级划分为三类,由于受到个人专业理论水平,实践工程经验等影响,可能会存在划分难以统一的情况。因此,本论文将采用 5 级划分,最终将均质土坝安全等级分为五大类:极不安全、很不安全、不安全、基本安全和安全。传统分类标准与本文划分标准进行对比如下表所示[10, 13]。
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第 3 章 红壤丘陵区均质土坝安全评级分析方法....27
3.1 指标权重的确定方法 ............. 27
3.2 云模型理论 ....... 27
3.3 模糊数学理论 .............. 31
3.3.1 模糊理论简介 ..... 31
3.3.2 计算隶属度 ........... 33
3.4 综合评价分析 .............. 34
3.5 本章小结 ........... 34
第 4 章 应用实例——以民兵水库土石坝为例......35
4.1 基本资料 ........... 35
4.2 指标量化 ........... 37
4.3 模型运用 ........... 45
4.3.1 评价指标权重的确定 ...... 45
4.3.2 基于云模型土坝安全风险判诊模型 .... 48
4.4 结果分析 ........... 52
4.5 本章小结 ........... 53
第 5 章 结论与展望......54
5.1 结论 ........ 54
5.2 展望 ........ 54
 
第 4 章 应用实例——以民兵水库土石坝为例
 
4.1 基本资料
民兵水库位于乐平市东南部,座落在接渡镇,大坝位于乐安河一级支流上,东径 117o13′38″、北纬 28o53′14″,坝址距乐平市城区 14km。民兵水库大坝坝址控制流域总面积达到 8.135 平方公里。民兵水库总库容达到了 745 万 m3。坝址处地势较为狭窄,坝下游稍开阔,大坝坝体大致呈东西向展布。坝区附近山顶高程为 47.27~48.44 m(黄海高程,下同)。该流域内植被覆盖情况整体较好,未发生水土流失情况。民兵水库下游保护对象为省道(乐平—弋阳)公路,国有钟家山煤矿,国有水产良种养殖场等重要企业,续湖万亩圩堤,2 万亩农田,村庄 67 个,受灾农户0.82 万户,人口 3.27 万人。依据我国《标准》,可以将民兵水库大坝主要建筑物定为 4 级规模,民兵水库正常高水位 39.784m,相应库容 511 万 m3。民兵水库大坝坝顶高程约为 43.18~43.71m,坝顶为沥青路面的乐平—弋阳公路,上游边坡为块石护坡,坡率为 1:2.90;下游坡为草皮护坡,在 36.37m 处设一宽度为 2.00m的马道,马道以上坝坡坡率为 1:1.90,以下坡率为 1:3.00。坝址设棱体排水,棱体顶宽 1.50m,顶高程 30.00m(棱体长 127.00m)。棱体后为鱼池,鱼池水面高程为 29.33m。溢洪道由进水段、堰身组成。其过水堰为开敞式的宽顶堰,堰面用混凝土浇筑而成,堰进水净宽 6.00m(双孔 2×3m),堰身长 8.10m,堰身边墙为块石砌筑。堰后接排洪渠首,紧接 3.3Km 的排洪渠。临时溢洪道布置在大坝 6km 处垭口位置,副坝长 100m,最大坝高 3.5m,顶宽 4m,副坝下游为众埠乡尚田村。副坝(非常溢洪道)仅在出现超校核标准洪水,危及大坝安全时,溃口泄洪。灌溉涵管位于大坝右端坝体内,1958 年与大坝同时修建,为 800mm 内径的混凝土预制管,进水口由转动门盖式闸门控制出水,由于使用不便,1976 年改为框架式启闭机、平板闸门控制出水;为了灌溉使用表层水,1983 年又增建斜涵一座放水。由于涵管本身破损严重,1984 年采用顶管法施工,平行并与原涵管右侧相距 2m处,换为新的钢筋混凝土圆管,涵管全长 86m,其中预制混凝土顶管长 70m,进口底板高程 31.20m,过水流量为 0.66~5.31m3/s。距涵管进口 7m 处用 20t 螺杆启闭机控制,手动启闭,闸门为木闸门,通过坝顶设一钢筋混凝土框架栈桥与启闭室相连。出口底板高程 30.86m,出口接灌溉渠道。
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结论
 
本文主要结合水利部颁发的《大坝安全评价导则》和其他学者的相关研究成果,构建了以云模型和模糊数学理论为基础的红壤丘陵均质土坝的安全性态云评估模型。并将该模型应用于实例研究为大坝的安全评价和除险加固提供了一定的参考依据。本文主要结论如下:(1)根据我国的《大坝安全评价导则》及其他研究人员的研究成果,确定了 8 个评价指标量化得分分别为工程质量评价 D1,大坝运行管理评价 D2,防洪标准复核 D3,渗流安全评价 D4,结构安全评价 D5,溢洪道安全 D6,输水涵管安全 D7 ,抗震安全 D8,考虑各准则选取子指标,建立红壤丘陵区均质土坝性态安全鉴定指标体系。(2)更加细化了大坝安全评价等级,由《导则》中的三个级别 A、B、C 类划分为五个类别:安全、基本安全、不安全、很不安全、极不安全五个等级,对影响到大坝安全的对每一个指标进行指标量化,指标赋分区间为 0-10 分,更加便于进行综合评价等级。(3)所建立的红壤丘陵区均质土坝性态安全性鉴定指标体系中主要采用了模糊理论法、云模型等理论。通过了云模型理论来确定各指标的隶属度,利用模糊数学理论进行指标的综合权重,从而建立了基于红壤丘陵区均质土坝的安全云评估模型。(4)进行了民兵水库大坝的实例研究,将模型评价结果与《导则》中结果相对比,确定了模型的可行性。并对其进行了加固前和加固后进行安全评价,通过对实例进行鉴定分析可知,该模型在一定程度有较好的效果,并可以为大坝的除险加固提供理论依据。
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参考文献(略)
 
(责任编辑:gufeng)
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