水利工程論文-基于最大龍口流速指標(biāo)的立堵截流施工風(fēng)險(xiǎn)隨機(jī)模擬研究.doc

水利工程論文-基于最大龍口流速指標(biāo)的立堵截流施工風(fēng)險(xiǎn)隨機(jī)模擬研究摘要：截流系統(tǒng)受到水文水力等隨機(jī)因素的影響，因此，設(shè)計(jì)的截流方案的風(fēng)險(xiǎn)如何是需要全面考慮的。本文從截流系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)入手，確定出能夠反映截流系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)量，在理論分析的基礎(chǔ)上，提出采用隨機(jī)模擬計(jì)算方法來(lái)計(jì)算既考慮水文不確定性又考慮水力不確定性的截流系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法，實(shí)例驗(yàn)證該方法的可行性。從而可以為截流系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與比較起到輔助決策作用。關(guān)鍵詞：截流系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析隨機(jī)模擬在施工組織設(shè)計(jì)階段要考慮截流成功的把握性有多大，就此要對(duì)截流的風(fēng)險(xiǎn)有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)。立堵截流過(guò)程中有兩類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)存在，一類(lèi)是戧堤堤頭發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌的風(fēng)險(xiǎn)；另一類(lèi)是截流材料能否抵抗水流的沖刷而保持穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。前一類(lèi)主要發(fā)生在低流速大水頭狀況；后一類(lèi)發(fā)生在大流速低水頭狀況。對(duì)于在枯水期進(jìn)行截流施工的工程，后一類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)是主要的；因此，在這里針對(duì)此類(lèi)狀況的施工截流系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)度進(jìn)行分析和研究。施工截流系統(tǒng)存在風(fēng)險(xiǎn)是因?yàn)橄到y(tǒng)受到很多不確定性因素的影響，歸納這些因素并分類(lèi)如下：1風(fēng)險(xiǎn)率模型的建立1.1風(fēng)險(xiǎn)變量的確定從施工水力學(xué)單個(gè)材料穩(wěn)定的概念來(lái)看，立堵風(fēng)險(xiǎn)的本質(zhì)是要看拋投的材料能否抵抗得住龍口水流的沖刷，如果能則截流基本上能順利完成；如果不能則系統(tǒng)必然存在風(fēng)險(xiǎn)。拋投材料在龍口的穩(wěn)定是由材料本身的物理特性和龍口水力狀況確定的。在伊茲巴什穩(wěn)定公式(1)中，可以反映這層關(guān)系：(1)當(dāng)設(shè)計(jì)確定的拋投材料粒徑為ds，此時(shí)對(duì)應(yīng)的龍口最大流速為vms；如果實(shí)際龍口截流過(guò)程中拋投材料的粒徑為d，由公式(1)知其所能抵抗的龍口最大流速為vm，若d大于ds，則龍口的最大流速vm大于vms，此時(shí)，拋投材料在龍口不能穩(wěn)定，系統(tǒng)出現(xiàn)了失效情況。這說(shuō)明龍口流速能夠反映風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生?？紤]天然來(lái)流量的隨機(jī)性和分流建筑物泄流量的隨機(jī)性，龍口泄流量也具有隨機(jī)性，而龍口流量的變化是引起龍口流速變化的主要原因。從上面分析看出，vm是一個(gè)反映了眾多不確定因素的綜合隨機(jī)變量；因此，選擇它作為風(fēng)險(xiǎn)率模型的具體風(fēng)險(xiǎn)變量。1.2風(fēng)險(xiǎn)率模型設(shè)功能函數(shù)g=vm-vs；式中：vm為考慮了水文、水力不確定因素的截流過(guò)程中龍口最大流速，它最具有某種概率分布的隨機(jī)變量；vs為設(shè)計(jì)截流龍口最大流速。利用功能函數(shù)可以反映以下關(guān)系：(2)設(shè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)率為R，則R可用下式計(jì)算：(3)式中：f(vm)為vm的概率密度函數(shù)。2對(duì)f(vm)的分析截流過(guò)程中龍口出現(xiàn)的最大流速vm是由龍口泄流量決定的，龍口泄流量又與上游來(lái)流量、分流建筑物分流量、戧堤滲流量、龍口體形等隨機(jī)量相關(guān)。認(rèn)為在截流過(guò)程中某時(shí)刻龍口的體形是一個(gè)確定值。因此，f(vm)只與來(lái)流量隨機(jī)性、分流量隨機(jī)性和滲流量隨機(jī)性因素有關(guān)。2.1來(lái)流量水文隨機(jī)因素水文隨機(jī)性主要體現(xiàn)在來(lái)流量Q上，對(duì)Q的描述，工程界一般采用P-型分布，也有采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布和極值型分布等。P型分布的概率密度函數(shù)為：(4)其分布函數(shù)為(5)上兩式中：b=mQ(1-2CvCs)；4C2s；=2(mQCsCv)，其中：mQ為年洪峰流量系列均值，；Cv變差系數(shù)，Cs偏態(tài)系數(shù)。2.2分流建筑分流量水力隨機(jī)因素截流過(guò)程中，分流建筑物分流量的隨機(jī)性產(chǎn)生的本質(zhì)分流建筑中某些水力參數(shù)存在不確定性。施工截流一般安排在河道流量較小的枯水期，分流建筑物中的水流形態(tài)一般為明流。不失一般性，采用圖2作為過(guò)流的計(jì)算截面，分流量計(jì)算公式為：(6)式中：A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；為濕周；S為底坡；n為糙率。對(duì)于上面各水力因子xi(參數(shù)S、n、b、m)，可以認(rèn)為是服從三角形分布的隨機(jī)變量，相應(yīng)的有：(7)式中：ai,bi,ci分別為xi的最小值，最可能值和最大值；各水力因素xi的平均值用xi表示。在Qd處按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)Qd,分別取均值和方差，同時(shí)根據(jù)許瓦茲不等式，略去高階小量，可以得到：(8)(9)有關(guān)研究表明，概率分布的形式對(duì)保證率的影響并不敏感。因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)分流建筑物的泄流能力服從位置參數(shù)Qd=Qd和尺度參數(shù)Qd=CQdQd的正態(tài)分布。其概率密度函數(shù)為：(10)2.3其它隨機(jī)因素其它不確定因素還有滲流量不確定性、庫(kù)容水位流量關(guān)系、河道水位流量關(guān)系等不確定性因素。對(duì)于滲流量的確定有模型試驗(yàn)方法和水力計(jì)算方法等，由于影響滲流量的因素比較多，且難于考慮；同時(shí)，許多的工程實(shí)測(cè)資料顯示，截流過(guò)程中最大滲流量占到截流流量的3%10%內(nèi)，隨機(jī)因素對(duì)滲流量產(chǎn)生的變化對(duì)總的截流過(guò)程中龍口水力參數(shù)影響不太大，因此，對(duì)滲流量的不確定性暫不考慮，戧堤滲透流量參照水利水電施工組織設(shè)計(jì)與系統(tǒng)分析介紹的方法進(jìn)行計(jì)算。公式如下：(11)式中：Qsmax為最大滲透流量，按5%Qr計(jì)算，Qr為截流設(shè)計(jì)流量；Bos為龍口起始平均寬度；B為截流過(guò)程中的龍口平均寬度；Hsmax為龍口合龍但未閉氣時(shí)的上游水頭；Zsmax龍口合龍但未閉氣時(shí)的絕對(duì)落差；H為截流過(guò)程中的上游水頭；Z為截流過(guò)程中的上下游水位差(絕對(duì)落差)。在進(jìn)行截流設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)河道的調(diào)蓄作用都簡(jiǎn)化不予考慮，一方面是使設(shè)計(jì)偏安全，另一方面是調(diào)蓄作用對(duì)截流設(shè)計(jì)的影響不大。河道的調(diào)蓄作用主要取決與庫(kù)容流量關(guān)系，在這里，對(duì)它的不確定性不予考慮。河道水位流量關(guān)系的不確定性也不考慮。2.4f(vm)的討論vm是龍口截流過(guò)程中出現(xiàn)的最大流速值，它的獲得需要經(jīng)過(guò)截流水力計(jì)算，(12)式中：t是反映截流過(guò)程的參數(shù)；Q為隨機(jī)來(lái)流量；Qdi是泄流建筑物的隨機(jī)泄流量，它的隨機(jī)性反映了泄流建筑物中的水力參數(shù)的隨機(jī)性，而在某一截流過(guò)程中，它又是隨截流時(shí)間變化的量；Qst是t時(shí)刻戧堤的滲流量；At是截流某時(shí)刻的龍口過(guò)流面積。分析式(12)，通過(guò)解析方法同按P-型分布的f(Q)和按正態(tài)分布的f(Qd)獲得f(vm)，可以利用“當(dāng)量正態(tài)化”等近似處理方法；但是在處理max函數(shù)時(shí)有相當(dāng)?shù)睦щy，故采用解析方法求解f(vm)的數(shù)學(xué)困難性很大。為此，考慮采用隨機(jī)試驗(yàn)的方法，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)隨機(jī)模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，直接獲得施工截流系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)度R。3風(fēng)險(xiǎn)度R的隨機(jī)模擬計(jì)算方法3.1隨機(jī)變量的模擬體現(xiàn)功能函數(shù)隨機(jī)性的隨機(jī)變量有：來(lái)流量Q和泄流建筑物泄流量Qd。對(duì)它們的模擬可以采用下面的方法。3.1.10,1中均勻分布的偽隨機(jī)數(shù)生成生成在0,1區(qū)間上均勻分布的偽隨機(jī)數(shù)的方法很多，有跌代取中法、移位法及余數(shù)法。余數(shù)法是最常用的一種方法，其方法如下：令(13)其中初值y0，乘子c和模數(shù)M取非負(fù)整數(shù)，當(dāng)c=0時(shí)(14)取xn=ynM-1，y0=a(a為奇數(shù))。由構(gòu)造方法可知：0ynM，0xn1，故不同的yi(因之xi)至多只有M個(gè)，這表示序列xn是有周期L的，LM，每隔L個(gè)不同的x后循環(huán)一次，于是xn不是真正的隨機(jī)序列。但是，若L充分大，在同一周期內(nèi)xn