施工导截流系统风险分析研究

摘 要：施工导截流系统受到来流量水文随机因素、分流建筑物分流量水力随机因素，以及其它多种不确定性因素的影响。本文从分析各种影响施工导截流系统风险的随机因素入手，确定出施工导截流系统的风险变量，建立起施工导截流系统的风险率模型，然后采用随机模拟的方法进行了风险率计算。通过结合某水电站工程实例进行风险研究，验证了该方法的可行性和有效性。

关键词：导截流系统 风险分析 风险变量 风险率模型

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0043-02

1 问题的提出

在施工导截流系统中存在许多不确定性因素，这些不确定因素对施工导截流标准的选择、工程安全性的评估影响很大。施工导截流系统的风险来源于渗流量的不确定性、河道水位流量、库容水位流量关系、来流量水文随机因素以及分流建筑物分流量水力随机因素等诸多方面的不明确因素所致，工程管理人员必须通过认真的分析研究，预先对导截流工程存在的风险大小有一个清楚的认识，以便编制详细完整的导截流施工组织设计方案，对导截流的施工机械及人员配置作好周密的部署，确保导截流工程成功。如何较好地实现综合考虑水文、水力不确定性及其它不确定性因素来分析施工导截流系统的风险，是本文要解决的问题。

2 风险因素识别

在施工导截流中存在的不确定因素可以归类为：（1）水文不确定性。（2）水力不确定性。（3）其他不确定性。下面就这些不确定性因素及其分布作一简略的阐述。

2.1 水文不确定因素

水文随机性主要体现在来流量上。对于确定频率的洪水，它的来流过程线具有随机性，表现出来在任意时间洪水流量是具有某种分布的随机变量。

对来流量的描述，工程界一般采用P-Ⅲ型分布，也有的采用对数正态分布或极值-Ⅰ型分布。P-Ⅲ型分布的概率密度函数为：

上两式中：；；

其中：为年洪峰流量系列均值，；Cv变差系数，CS偏态系数。

2.2 水力不确定因素

施工导截流主要是利用泄水建筑物来对下游进行泄流的，泄流能力是由该导流时段采用的泄流建筑物相互结合而决定的。然而在泄水建筑物在运行时和施工时还会存在参数不精确，计算时所运用的水力模型不是很合理以及各方面的误差等，都会使下游在进行泄流时出现不确定性的因素。

施工导截流时，导流泄水建筑物通常是导流明渠或隧洞。对于隧洞过流，其流态有明流和有压流之分。下面以断面为圆形的导流隧洞情况为例进行分析。

在有压恒定淹没出流时的计算公式采用：

其中，Q为导流洞泄流量；A为隧洞断面面积；m为淹没出流时的流量系数；g为重力加速度；Z为上下游水位差。当隧洞的断面为圆形时，上式可写成：

式中，n为糙率；L为隧洞长度；为局部水头损失系数之和。

对以上各水力因子，可以认为服从三角形分布，相应的有：

其中，分别为的最小值，最可能值和最大值，各水力因素的平均值用表示。

则泄流量Q服从位置参数和尺度参数的正态分布，。其中均值为：

变差系数为：

在来流量较小时，隧洞过流又会出现明流状况。对于圆形断面隧洞，计算采用下式：

式中，A为过水断面面积；χ为湿周；S为底坡；n为糙率。

隧洞导流过程中就会出现混流态的现象。这个时候泄流能力的计算就必须运用推求水面线的方式来实现这种情况。而这时的泄流能力的不确定性更显复杂。

2.3 其它不确定因素

除了上面提到的不确定因素外，施工导截流中还存在其它一些不确定性因素，比如渗流量不确定性、水位库容关系的不确定性、下游水位与流量关系的不确定性等。

由于渗流是一个复杂的过程，渗流量的计算公式、参数的选择等都作了许多近似，渗流量的不确定性比其它不确定因素更复杂。但是，由于渗流量在整个施工导截流工程中所占的比重较小，因此，可对它作简化处理。水位库容关系的不确定性对于工程在施工导流期的风险产生影响。下游水位与流量关系曲线对隧洞泄流时流态是淹没流的泄流量产生影响，从而间接对施工导截流的风险产生影响。

3 施工导流系统风险率模型

在导流模式下导流工程易发生失效的事件概率就是各个导流模式下的施工导流系统风险。通过建立堰前水位分布风险的模型和施工导流调洪演算，使系统中的各个不确定因素利用随机模拟的方法来进行模拟仿真的计算，进而统计出来施工导流系统中的堰前水位所超过设计档位的水位高程的机率，故而确定出设计导流标准所要承受的相应风险概率。

施工难易度和导流风险都是施工中认为的定性指标。对于这些可以采取模糊隶属度函数来进行量化的，让其转变为定量的指标。在其标准确定的情况下，导流风险R由围堰挡水风险RY、大坝临时挡水风险Rb以及隧洞导流风险Rd三者组合而成，上述这些定性指标可用隶属度函数来评价，即R=。

隧洞导流风险取决于洞内流速的大小问题，而洞内的流速很大时，就会对洞内中的抗冲能力造成威胁；而隧洞的断面很大时，泄流的能力就是很大，而库水水位就很低，洞内的流速相对来说很小，则风险上就很小。因此为避开复杂的调洪演算计算流速，隧洞风险度可由隧洞断面（）来定量，即断面越大，导流风险越小，隶属度越小，隶属度函数构造如下式：

对于多条隧洞布置，风险率以所有洞的最大风险为准，即以所有洞的最大隶属度为准。隶属度函数的变量X为至于隶属度函数上下限的选取，可采用变量值域的上下界各内缩5%来确定，因此有必要依据经验较准确地确定变量的上下界，从而尽可能地减少由于选取变量值域的变化所带来的对导流风险分析的影响。

围堰挡水风险对不过水围堰而言，主要考虑围堰的结构可靠性。当围堰越高时，堰前水头越高，潜在的溃堰可能性越大，则对应越大的隶属度，以堰高H为变量构造的围堰挡水风险隶属度函数，见下式：

大坝临时挡水风险取决于隧洞的泄流能力，当泄流能力大时，坝前水位低，大坝临时挡水的风险小。取隧洞泄流量为隶属度函数变量，泄流量越大，隶属度越小。泄流量的上下限选取主要依靠经验，用（9）式构造隶属度函数，其中，，为j时段末的总泄流量，由调洪演算得出。

4 截流系统风险率模型

根据上面对于风险因素的识别，可以建立以龙口流速或落差为风险变量的截流系统风险模型。设功能函数（或）；式中：为考虑了水文、水力不确定因素的截流过程中龙口最大流速，它是具有某种概率分布的随机变量；为设计截流龙口最大流速。（为考虑了水文、水力不确定因素的截流过程中龙口最大落差，它是具有某种概率分布的随机变量；为设计截流龙口最大落差。）利用功能函数可以反映以下关系：

设系统的风险率为R，则R可用下式计算：

其中，为的概率密度函数（为的概率密度函数）。在表达中也可以将其转化为保证率P的概念：

5 导截流系统风险率计算方法

施工导截流系统的风险率计算一般采用蒙特卡罗（Monte-Carlo）模拟计算方法，该方法采用Monte-Carlo方法对模型进行随机抽样，通过统计分析，获得风险率的估计值。具体细节可以参考肖焕雄[4]、周宜红[5]、钟登华[6]等所著施工导截流风险分析中的方法部分。

6 实例

某水电站位于云南省澜沧江上，计划截流安排在枯水期的11～12月间，设计采用两导流洞分流（1#、2#导流洞），单戗立堵截流的方式。

该工程中期导流标准采用P=0.5%、P=0.33%两种方案进行比较。两方案的导流规模相同，挡水泄水建筑物均相同，由于坝体可挡水高程远高于上游水位，对于30年一遇导流方案，考虑随机因素时，上游水头为67.60 m，比设计水位低约5.15 m，200年一遇的设计洪水位对应的风险率为0.32%；300年一遇的设计洪水位对应的风险率为0.20%。两方案的风险率差别不大，且200年一遇洪水设计标准，保证率已达99.62%，按规范规定可采用200年一遇洪水设计标准。

在同一截流设计标准下，对不同截流时段实施的风险率采用蒙特卡罗方法进行了计算。根据计算结果可以看出相同标准下截流时段的选择对于截流风险率的影响很大，且龙口的最大流速指标和龙口最大落差指标在历史同类工程中均属偏大，从截流时段选择来讲，11月上、中旬最大龙口流速和最大落差均偏大，11月下旬和12月上旬的截流风险率均较低，鉴于围堰抢工时间的安排，选择11月下旬截流比较合适。

7 结论

施工导截流系统包含了各种不确定性（水文、水力等）影响因素，为了确定合理的导截流标准，选择合适的导截流方法，考虑受这些不确定性因素影响的施工导截流系统的风险率大小是很有必要的。本文较全面地分析了施工导截流系统中存在的各种不确定因素，探讨了这些不确定因素的分布及其参数的确定方法，建立了施工导截流风险率模型，并运用蒙特卡罗方法计算了施工导截流风险率。本文的研究成果有助于提高工程管理人员对施工导截流系统风险的认识，也为人们选择适当的对策和措施来减小或预防施工导截流系统的较大风险发生提供科学依据。

参考文献

[1]肖焕雄，著.施工导截流与围堰工程研究[M].北京：中国电力出版社，2002，5.

[2]肖焕雄.施工导流工程[M].北京：水利电力出版社，1985，2.

[3]储祥元.水力不确定模型[J].水利学报，1992，5.

[4]唐晓阳，肖焕雄.施工导流系统设计风险率模型研究[J].武汉水利电力大学学报，1996，2.

[5]周宜红，胡志根.施工截流系统风险率研究[J].水电能源科学，1996，3.

[6]钟登华，黄伟，安娜.基于Monte-Carlo方法的施工截流风险率估计方法研究[J].水利学报，2006，10.

[7]王卓甫.施工导流风险分析[J].水利学报，1992，5.

[8]戴会超，胡昌顺，朱红兵.施工导截流理论与科技进展[J].水力发电学报，2005，8.

[9]肖焕雄.施工水力学[M].水利电力出版社，1992.