一种极端工况的梯级水库群土石坝风险分析方法技术

本发明专利技术公开了一种“溃坝洪水+地震”极端工况的梯级水库群土石坝风险分析方法。该方法首先通过土石坝溃决洪水计算和洪水演进分析，采用基于冲刷侵蚀的溃坝洪水分析模型，计算A梯级水库的溃坝洪水，演进至下游B梯级水库，并根据本发明专利技术提出的固定时段长度法，得到大量不同时间段的B梯级水库的坝前水位；其次，根据B梯级大坝坝体材料抗剪强度参数及其分布概型，通过蒙特卡洛法随机抽样，并采用拟静力法模拟地震对坝坡稳定的影响，进而采用土力学中简化的Bishop法计算得到不同“坝体材料抗剪强度参数—坝前水位”组合的地震工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数F；最后，通过拟合安全系数F样本分布，计算可靠指标β和条件失效概率P

【技术实现步骤摘要】
一种极端工况的梯级水库群土石坝风险分析方法
本专利技术涉及水利水电工程领域，是一种分析极端工况下的梯级水库群土石坝安全水平的方法，是一种考虑“上游溃坝+地震”共同作用的梯级水库群大坝风险分析方法。
技术介绍
我国河流梯级水库群开发格局已逐步形成，在防洪减灾、应对气候变化、清洁电力供应和碳中和目标实现等方面发挥了不可替代的作用。然而，超强降水、地震、滑坡堰塞湖、上游溃坝等极端状况，对梯级水库群大坝安全管理和风险防控构成了极大的威胁。譬如，2018年金沙江上游连续两次滑坡堵江形成的白格堰塞湖，均对下游在建的叶巴滩、苏洼龙电站，以及已建的梨园、阿海等梯级电站造成极大威胁。按照现行设计规范，梯级水库大坝均可满足规范要求的持久设计状况、短暂设计状况和偶然设计状况的要求，但由于规范要求的三种设计状况均是以单一梯级水库大坝为设计对象，对流域梯级水库群大坝可能遭遇的极端工况的考虑尚有不足。考虑“上游溃坝+地震”极端工况下的梯级水库大坝风险分析与评估方法研究成果较少。因此，在流域尺度下，从流域梯级水库群系统风险防控的角度，考虑梯级水库大坝可能遭遇的极端工况，研究提出相应的风险分析和安全评估方法，可为流域梯级水库群安全管理和系统风险防控提供技术支撑。本
技术实现思路
和效果本
技术实现思路
本专利技术根据流域梯级水库群风险管理工作需要和极端工况风险分析技术的不足，提供了一种考虑“上游溃坝+地震”作用组合的极端工况下梯级水库群土石坝风险分析方法。该方法通过将上游梯级溃坝洪水引起的下游梯级水库坝前水位变化模拟洪水作用，基于Bishop法并考虑坝体材料强度参数变异性，形成了下游梯级水库大坝遭遇“上游溃坝+地震”共同作用时的坝坡稳定安全系数的分布函数，进而计算大坝可靠指标的分析方法，可为流域梯级水库群系统风险防控方案的制定提供技术支撑。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种极端工况下的梯级水库群土石坝风险分析方法，所述梯级水库群包括至少两座或以上水库大坝，所述极端工况下的梯级水库群土石坝风险分析方法步骤如下：1)选定梯级水库群土石坝风险分析对象。根据本专利技术需在同一流域或河段选定上下游相邻且具备水力关联的两座或以上梯级土石坝A和梯级土石坝B为风险分析对象。2)上游A梯级土石坝溃坝洪水和演进计算。根据本专利技术要求，采用基于冲刷侵蚀的溃坝洪水分析模型，计算上游A梯级水库的溃坝洪水，演进至下游B梯级水库，并根据本专利技术提出的固定时段长度离散，计算得到大量不同时间段的B梯级水库的坝前水位。3)极端工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数计算。根据本专利技术要求，基于B梯级大坝坝体材料抗剪强度参数及其分布概型，通过蒙特卡洛法随机抽样，并采用拟静力法模拟地震对坝坡稳定的影响，进而采用简化的Bishop法计算得到不同“坝体材料抗剪强度参数—坝前水位”组合的地震工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数F。4)极端工况下B梯级土石坝风险分析。根据本专利技术要求，通过拟合安全系数F样本分布，计算可靠指标β和条件失效概率PF，实现“A梯级土石坝溃决+地震”同时作用下的B梯级土石坝坝坡失效概率PF0。上述技术方案中，优选地，2)上游A梯级土石坝溃坝洪水计算采用基于冲刷侵蚀的逐渐溃坝分析模型。漫顶溃决采用宽顶堰公式计算；管涌溃决采用孔口出流公式，冲刷坍塌形成缺口后采用宽顶堰公式计算。上述技术方案中，优选地，2)上游A梯级土石坝溃坝洪水演进至B梯级水库计算过程中，根据固定时段长度(2分钟)进行离散，计算得到不同时间段的B梯级水库的坝前水位。上述技术方案中，优选地，3)极端工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数计算，基于B梯级坝体材料抗剪强度参数及其分布概型，通过蒙特卡洛法随机抽样，并采用拟静力法模拟地震对坝坡稳定的影响，进而采用简化的Bishop法计算得到不同“坝体材料抗剪强度参数—坝前水位”组合的地震工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数F。上述技术方案中，优选地，4)极端工况下B梯级土石坝风险分析，将安全系数样本进行统计分析，得到安全系数的均值μF、方差σF，进而计算可靠指标β和条件失效概率PF，即式中，n为安全系数的样本数；Fi为某坝前水位对应的地震工况下的坝坡抗滑稳定安全系数；β为相应的可靠指标；PF为相应的失效概率。上述技术方案中，优选地，4)极端工况下B梯级土石坝风险分析，“A梯级土石坝溃决+地震”同时作用下的B梯级土石坝坝坡失效概率PF0和可靠指标β0。若M表示A梯级发生溃坝，N表示发生地震，U表示B梯级坝坡失稳，则根据条件概率定理有：P＝P(U|MN)＝P(UMN)/P(MN)若M、N、U相互独立，则上游A梯级水库溃坝，B梯级水库遭遇地震且坝坡失稳的概率为：PF0＝P(UMN)＝P(U|MN)×P(M)×P(N)式中，P(M)为A梯级水库溃坝概率，因为A梯级水库已溃坝，即P(M)＝1；P(N)为B梯级水库遭遇地震的概率，可根据地震超越概率确定；P(U|MN)为A梯级水库溃坝洪水和地震条件下的B梯级大坝坝坡失效概率，即PF。本专利技术效益与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术在流域梯级水库群系统中，提供了一种简便易行的梯级水库群土石坝极端工况风险分析方法，可为流域梯级水库群安全管理、风险评估、补强加固和应急处置提供定量化的技术支撑。附图说明图1为本专利技术技术流程图图2A梯级水库溃坝洪水流量过程图3B梯级水库坝前水位过程图4B梯级水库坝体分区图图5极端工况下B梯级水库大坝安全系数散点图图6极端工况下B梯级水库大坝安全系数统计及正态分布拟合具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应该了解，下面所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分，而非全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。以某流域A、B两座上下相邻且具有水力关联的梯级水库作为实施例，其中B梯级水库大坝为该流域控制梯级，分析其在遭遇“上游A梯级水库溃坝+地震”的极端工况下的安全水平。A梯级水库大坝为面板堆石坝，最大坝高为133.0m，坝顶高程2608.00m，库容2.48亿m3，正常蓄水位2603.00m，校核洪水2603.32m，防浪墙顶高程2609.20m。B梯级水库大坝为心墙堆石坝，最大坝高314m，坝顶高程2510.00m，库容28.97亿m3，校核洪水位为2504.42m,设计洪水位为2501.54m，正常蓄水位2500m，防洪高水位2500m，汛期防洪限制水位为2485m，死水位2420m。坝址区地震基本烈度为Ⅶ度，设计基准期为100年超越概率2％的基岩峰值加速度为0.2g，按8度要求设防。由于B梯级水库大坝是流域的控制梯级，若其发生溃坝，将导致下游梯级水库群连续溃决，后果损失不堪设想，故确保其大坝在极端工况下安全可靠极其重要。1)上游A梯级水库本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种极端工况的梯级水库群土石坝风险分析方法，所述梯级水库群包括至少两座或以上水库，其特征在于，所述梯级水库群土石坝风险分析方法步骤如下：/n1)选定梯级水库群土石坝风险分析对象：根据需在同一流域或河段选定上下游相邻且具备水力关联的两座或以上A梯级土石坝和B梯级土石坝为风险分析对象；/n2)上游A梯级土石坝溃坝洪水和演进计算：采用基于冲刷侵蚀的溃坝洪水分析模型，计算上游A梯级水库的溃坝洪水，演进至下游B梯级水库，并根据本专利技术提出的固定时段长度离散，计算得到大量不同时间段的B梯级水库的坝前水位；/n3)极端工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数计算：基于B梯级大坝坝体材料抗剪强度参数及其分布概型，通过蒙特卡洛法随机抽样，并采用拟静力法模拟地震对坝坡稳定的影响，进而采用简化的Bishop法计算得到不同“坝体材料抗剪强度参数—坝前水位”组合的地震工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数F；/n4)极端工况下B梯级土石坝风险分析：通过拟合安全系数F样本分布，计算可靠指标β和条件失效概率P

【技术特征摘要】
1.一种极端工况的梯级水库群土石坝风险分析方法，所述梯级水库群包括至少两座或以上水库，其特征在于，所述梯级水库群土石坝风险分析方法步骤如下：
1)选定梯级水库群土石坝风险分析对象：根据需在同一流域或河段选定上下游相邻且具备水力关联的两座或以上A梯级土石坝和B梯级土石坝为风险分析对象；
2)上游A梯级土石坝溃坝洪水和演进计算：采用基于冲刷侵蚀的溃坝洪水分析模型，计算上游A梯级水库的溃坝洪水，演进至下游B梯级水库，并根据本发明提出的固定时段长度离散，计算得到大量不同时间段的B梯级水库的坝前水位；
3)极端工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数计算：基于B梯级大坝坝体材料抗剪强度参数及其分布概型，通过蒙特卡洛法随机抽样，并采用拟静力法模拟地震对坝坡稳定的影响，进而采用简化的Bishop法计算得到不同“坝体材料抗剪强度参数—坝前水位”组合的地震工况下B梯级土石坝的坝坡抗滑稳定安全系数F；
4)极端工况下B梯级土石坝风险分析：通过拟合安全系数F样本分布，计算可靠指标β和条件失效概率PF，得到A梯级土石坝溃决和地震同时作用下的B梯级土石坝坝坡失效概率PF0。


2.根据权利要求1所述的极端工况的梯级水库群土石坝风险分析方法，其特征在于，所述溃坝洪水计算采用基于冲刷侵蚀的逐渐溃坝分析模型，漫顶溃决采用宽顶堰公式计算；管涌溃决采用孔口出流公式，冲刷坍塌形成缺口后采用宽顶堰公式计算。


3.根据权利要求1所述的极端工况梯级土石坝风险分析方法，其特征在于，所述A梯级土石坝溃坝洪水演进至B梯级水库计算过程中，根据固定时段长度进行离散，计算得到不同时间段的B梯级水库的坝前水位。


4.根据权利要求1所述的极端工况的梯级水...

【专利技术属性】
技术研发人员：周建平，周兴波，杜效鹄，孙平，刘娟，王玉杰，王继琳，武明鑫，姚虞，
申请(专利权)人：水电水利规划设计总院，中国电力建设股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11