基于多重不確定性因素的施工導流風險分析

1、基于多重不確定性因素的施工導流風險分析第25卷第2期2007年4月青海大學(自然科學版)JournalofQinshaiUniversity(NatureScience)V01.25No.2Apr.2007基于多重不確定性因素的施工導流風險分析李若東,胡志根2,徐森泉2,蒲建平3(1.青海大學,青海西寧810016;2.武漢大學,湖北武漢430072;3.成都勘測設計院,四川成都610072)摘要:通過分析施工洪水過程中的洪峰流量,洪量和歷時的不確定性及導流建筑物的水力參數(shù)的不確定性,確定施工洪水過程和導流建筑物泄流能力的模擬計算模型.運用MonteCarlo方法模擬計算施工導流系統(tǒng)渡訊各時段

2、的狀態(tài)參數(shù),得到上游圍堰堰前水位的分布函數(shù),在此基礎上確定導流系統(tǒng)的風險.關鍵詞:施工導流;風險分析;MonteCarlo方法中圖分類號:TV854文獻標識碼:A文章編號:10068996(20Cr7)o2005704礎skanalysisforconstructiondiversionbasedonthemultiuncertaintyLIRuodong1,HUZhigen2,XUSenqua,PUJianpiIl(1.QinghaiUniversity,Xining810016,China;2.SchoolofWaterReseureeandHydropowerEngineering,Wu

3、hanUniversity,Wuhan430072,China;3.ChengduSurveyandDesignInstitute,Chengdu610072,China)Abstract:Basedonlyinguncertaintiesofconstructiondiversionsystem,thispaperpresentsthesimulationmodelofconstructionfloodanddischargecapacityofdiversionstructure,andthemodelincludesuncertaintiessuch/ISpeakflow,floodvo

4、lumes,flooddurationandhydraulicparametersofdischargeconstruction.3"heMonteCarlomethodisapFdjedtosimulatethestateparametersoftheconstructiondiversionsystemineveryperiodoftime.Asaresult,arandomdistributionfunctionoftheupstreamwaterlevelisobtained,thentheriskofthediversionsystemisdetermined.Keywor

5、ds:constructiondiversion;riskanalysis;MonteCarlomethod施工導流的風險分析在施工導流工程中占有重要的地位.由于施工導流系統(tǒng)的復雜性,不確定性因素有很多,如水文的不確定性,水力的不確定性和其它數(shù)據(jù)的不確定性等.國內(nèi)外不少學者在施工導流風險分析方面做了很多探討,提出一些導流風險模型1.如采用概率組合的方法間接估算施工導流風險,模型中只考慮了洪水過程的不確定性,在實際工程中流量資料有限的情況下難以得到理想的結果l2;基于隨機微分方程分析調(diào)洪過程庫水位的隨機變化規(guī)律,求解庫水位的概率密度分布l3j3,對于施工導流工程,微分方程的求解存在困難.近來又有

6、學者提出利用Monte.Carlo方法,通過統(tǒng)計分析模型確定動態(tài)風險l4J.但是在模擬施工洪水過程中,只考慮了洪峰流量的不確定性,而沒有洪水過程的洪量和歷時的不確定性,以及導流建筑物的各種水力參數(shù)的不確定性.為此,本文基于多重不確定性因素,運用Monte.Carlo方法,模擬施工洪水過程和導流建筑物泄流能力,綜合分析施工導流系統(tǒng)的風險.1施工洪水過程的不確定性模擬計算洪水過程變化受眾多因素影響,極其復雜且有明顯的隨機性.主要表現(xiàn)在:施工洪水過程洪峰流量的不確定性;施工洪水過程洪量的不確定性;施工洪水過程歷時的不確定性.收稿日期:20061114作者簡介:李若東(19曉一),男,青海西寧人,副教

7、授.研究方向:施工導流.58青海大學第25卷1.1洪峰流量和洪量的不確定性分析洪水過程受多種復雜因素影響,這樣的隨機變量總體分布是未知的,洪峰流量和洪量是洪水過程不確定性中的兩個重要因素,經(jīng)多年實踐證明,在我國一般假定為P一型是合理的.施工導流風險分析中,假定洪峰流量和洪量服從P一型分布,其密度函數(shù)為:)=(一e(1)式中,口,和口0為P一11I型分布的形狀,刻度和位置參數(shù);/-,(口)為口的伽瑪參數(shù).并且,口=4/2=2/At9coc,口o=.(12co/c,);c|為PHI型分布的離差系數(shù);co為P一型分布的離勢系數(shù);.為P一型分布的均值.1.2洪水過程歷時的不確定性分析當前我國的大型水利

8、水電工程主要集中在西南部,大部分工程不具備獲得多年的實測洪水過程資料.由于洪水過程歷時也存在著不確定性,現(xiàn)就某工程歷年實測洪水過程資料(選用其中14年)來初步確定洪水過程歷時的密度函數(shù)分布.由于水利水電工程的實測洪水過程資料一般較少,所以采用w檢驗法來檢驗J(表1).表1洪水歷時分析k(I)(+1一I)(+1一I)一(I)akk(I)(+1一I)(n+1一I)一(I)a4328849l26181260.116224107203100.299295106009o0.096534396972580.251010510570.600.o77844596662070.215l

9、l152O569490.059854626361740.185712522564420.O42464626241620.160025374656241590.137214537552150.0084通過統(tǒng)計檢驗模型計算得W=O.9872,Wo.05=O.924,所以認為洪水過程歷時服從正態(tài)公布,其密度函數(shù)為:f(x)=1e(2)式中u為歷時的數(shù)學期望,d2為歷時的方差.1.3施工洪水過程的綜合模擬計算綜合考慮施工洪水過程中洪峰流量,洪量和歷時的不確定性,運用MonteCarlo方法對洪峰流量,洪量和歷時進行隨機模擬,采用分時段同頻率放大典型洪水過程線,結合歷時調(diào)整洪水

10、過程線的方法,模擬出一系列供導流風險分析計算的施工洪水過程.2導流建筑物泄流能力的不確定性模擬計算導流系統(tǒng)泄流能力的不確定性和泄流建筑物水力參數(shù)的不確定性有關,如糙率,過水斷面面積,濕周,底坡等.導流建筑物的施工,運行過程中存在誤差等是主要導致水力參數(shù)不確定性的原因.2.1泄流能力和水力參數(shù)的關系滿寧方程廣泛應用于隧洞,明渠等,對于導流建筑物,其泄流能力可采用修正因子入對滿寧方程進行修正,則泄流能力Q為J:?生?A5/3?P一2/3?$1/2(3)式中/7,為滿寧糙率系數(shù);A為過水斷面面積;P為濕周;S為底坡.水力參數(shù)n,A,P,S等具有不確定性,如果各水力參數(shù)的密度函數(shù)為已知,根據(jù)泄流能力和

11、水力參數(shù)的關系,理論上就可以得出泄流能力的密度函數(shù).2.2水力參數(shù)的不確定性分析現(xiàn)在國內(nèi)外缺乏大量資料來準確確定這些水力參數(shù)的隨機分布概率,所以常對它們的分布進行假設.對于泄流建筑物為隧洞時,由施工或者試驗引起過水斷面面積,濕周和底坡不確定性的因素有很多,假定過水斷面面積,濕周和底坡服從正態(tài)分布;糙率根據(jù)一些工程經(jīng)驗和學者的分析探討,假定服從三角形分布.2.3泄流能力的不確定性分析模擬根據(jù)上面假設的各水力參數(shù)的隨機分布,直接確定泄流能力的密第2期李若東等:基于多重不確定性因素的施工導流風險分析59度函數(shù)比較困難.分析具體工程導流洞的泄流能力時,可以運用MonteCarlo方法模擬各水力參數(shù),通

12、過假設檢驗分析泄流能力的隨機分布.圖1是模擬某工程導流洞泄流能力統(tǒng)計得到的統(tǒng)計密度函數(shù)曲線和擬合的三角形分布密度函數(shù)曲線.通過對圖1的統(tǒng)計密度函數(shù)進行檢驗,證明三角形分,n,布優(yōu)于正態(tài)分布,認為導流洞的泄流能力較為接近三角形0腫25分布,其密度函數(shù)為:)=口b6<c(4)其他式中口為泄流能力下限;b為平均泄流能力;C為泄流能力上限;口,b,C參數(shù)通過模擬泄流能力的統(tǒng)計資料來確定.71049710987Q(m)圖1泄流能力的密度函數(shù)曲線由于水利水電工程施工導流系統(tǒng)的復雜性,必然存在其他的不確定性因素,如上游庫區(qū)現(xiàn)場測量和繪制的誤差,上游運行多年的泥沙淤積和坍塌等.限于現(xiàn)階段這方面資

13、料的搜集不足和研究不深人,導流風險計算暫不考慮這部分不確定性因素.3基于多重不確定性因素的導流風險計算施工導流的風險是根據(jù)設計資料,綜合考慮施工洪水過程和導流建筑物泄流能力等不確定性因素的影響,模擬上游洪水過程和導流建筑物泄流能力,通過施工洪水的調(diào)洪演算,統(tǒng)計分析計算上游圍堰堰前水位超過上游圍堰設計擋水位的概率,即R=尸()式中為模擬上游圍堰堰前水位;爿加為上游圍堰設計擋水位.確定施工導流風險,要系統(tǒng)考慮河道來流洪水過程,導流建筑物泄流能力及樞紐的其他特征,通過系統(tǒng)模擬的方法來實現(xiàn).綜合考慮多重不確定性因素,運用MonteCarlo方法,模擬施工洪水過程及導流建筑物泄流能力,通過調(diào)洪演算和統(tǒng)計

14、分析模型得到導流設計水位的風險率.基于多重不確定性因素的導流風險系統(tǒng)模擬流程見圖2.4結語圖2導流風險系統(tǒng)模擬流程考慮導流系統(tǒng)中多重不確定性因素,本文在考慮施工洪水過程的不確定性中,除考慮了洪峰流量和洪量,把洪水歷時也考慮進去;通過分析各水力參數(shù)的不確定性,確定泄流能力的分布函數(shù).運用MonteCarlo方法,模擬施工洪水過程和導流建筑物的泄流能力,并通過調(diào)洪演算和統(tǒng)計分析模型確定施工導流的風險率.分析了基于多重不確定性因素的導流風險計算模型的可行性和有效性.由于水利水電施工導流影響因素很多,隨機因素不容易確定,文中提出的導流風險分析方法還需要不斷地改進.參考文獻:1肖煥雄,韓采燕.施工導流系

15、統(tǒng)超標洪水風險率模型研究J.水利,1993,24(11):76832王卓甫.考慮洪水過程不確定的施工導流風險分析計算J.水利,1998,24(4):3337.告島二(二(二二魚口旦,0,址青海大學第25卷3姜樹海.隨機微分方程在泄洪風險分析中的應用J.水利,1994,25(3):19.4胡志根,劉全,賀昌海,等.基于Monte-Carlo方法的土石圍堰擋水導流風險分析J水科學進展,2002,22(9):6346385王燕生.工程水文學M.北京:水利電力出版社,1992.4145.6長江水利委員會.水利水電工程設計洪水計算手冊M.北京:水利電力出版社,1995.3236.7肖煥雄,韓采燕.施工導

16、流標準與方案優(yōu)選M.武漢:湖北科學技術出版社,1996.182o.(責任編輯王寶通)(上接第51頁)C1試件中可見卷席狀的水化產(chǎn)物層層疊起.C2試件中的水化產(chǎn)物形成密不可分的結構,幾乎連接在一起.cl試件(28d.3.00KX)c2試件(28d.3.00KX)圖6不I司配比砂漿水化28d的SEM圖4結論(1)水泥顆粒的粒徑分布與最緊密堆積理論的要求尚有很大差距,因此摻人比水泥顆粒更細的礦物摻合料,可以起到改善膠凝材料顆粒級配的作用.(2)通過試驗證明,不同細度的礦物摻合料復合摻配時,它們的顆?？梢韵嗷パa充,使膠凝材料顆粒的粒徑分布更接近緊密堆積狀態(tài)的要求,從而提高水泥漿體的密實度.(3)砂漿中膠凝材料的顆粒級配在接近Andreasen顆粒最緊密堆積理論要求時,砂漿強度較高,水泥凝膠體的微觀結構也比較致密,這時可以適當增加礦物摻合料替代水泥的百分率,而不會明顯影響強度.參考文獻:1蒲心誠,王勇威.高效活性礦物摻料與混凝土的高性能化J.混凝土,2002,(2):36.2李瀅,楊靜.膠凝材料顆粒級配對水泥凝膠體結構及強度的影響