土石壩工程安全預(yù)警系統(tǒng)研究

土石壩工程安全預(yù)警系統(tǒng)研究

中國(guó)是世界著名的水庫(kù)之國(guó)。2006年底，中國(guó)修建了85874座水庫(kù)，其中90%以上是土石壩。這些水庫(kù)大多建于20世紀(jì)50年代。對(duì)患有疾病的危險(xiǎn)水庫(kù)提出了更高的要求。根據(jù)2006年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家突發(fā)事件總體應(yīng)急方案》和2006年教育部發(fā)布的《加強(qiáng)水庫(kù)安全管理的通知》，國(guó)家防洪旱澇部門(mén)致力于研究水庫(kù)“洪水風(fēng)險(xiǎn)地圖”，但由于大量不確定性因素，目前應(yīng)用難以。烏爾德等人首次提出了人工智能在水庫(kù)安全維護(hù)中的應(yīng)用的可能性。意大利和法國(guó)最初進(jìn)行了對(duì)水庫(kù)安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究，分析了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用模型，先后開(kāi)發(fā)了水庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和midas系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，吳忠等人在水庫(kù)安全監(jiān)控領(lǐng)域引入了專門(mén)的系統(tǒng)，并根據(jù)“一機(jī)四用”提出了綜合評(píng)價(jià)水庫(kù)安全的系統(tǒng)，并對(duì)水庫(kù)安全狀況進(jìn)行了在線實(shí)時(shí)分析和綜合評(píng)估。此后，一些科學(xué)家加強(qiáng)了。全球水庫(kù)安全評(píng)估專家的系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、在線分析和實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和報(bào)警技術(shù)的發(fā)展，對(duì)土石水庫(kù)工程的安全預(yù)警系統(tǒng)的研究尤為重要。本文主要研究土石水庫(kù)安全預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將影響水庫(kù)總體運(yùn)行的虛擬技術(shù)、庫(kù)庫(kù)洪水估算、下游洪水開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)等重要技術(shù)應(yīng)用于浙浦地區(qū)某土石水庫(kù)項(xiàng)目。1預(yù)警系統(tǒng)概述1.1構(gòu)建預(yù)警系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)Hall提出的系統(tǒng)工程三維結(jié)構(gòu)圖,為解決大規(guī)模、復(fù)雜巨系統(tǒng)提供了統(tǒng)一方法.將其引入預(yù)警系統(tǒng),可得圖1所示的預(yù)警系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖.考慮邏輯維,明確警義是預(yù)警系統(tǒng)研究的基礎(chǔ);挖掘警源是辨識(shí)警兆的前提;辨識(shí)警兆是分析警情的基礎(chǔ);分析警情是排除警患的關(guān)鍵;而排除警患是系統(tǒng)的目標(biāo)所在.1.2查詢與報(bào)表管理基于土石壩工程安全監(jiān)控流程及預(yù)警信息流向,預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3層:(a)信息管理層.包括兩方面內(nèi)容:一是將原始監(jiān)測(cè)資料轉(zhuǎn)換為整編信息,同時(shí)該層提供對(duì)原始信息、整編信息的查詢、報(bào)表等操作;二是有關(guān)水庫(kù)大壩的檔案信息,包括水庫(kù)大壩概況、歷次安全鑒定情況、歷史災(zāi)害及搶險(xiǎn)情況、水庫(kù)大壩的運(yùn)行維護(hù)與監(jiān)測(cè)手冊(cè)等.(b)預(yù)警分析層.利用預(yù)警模型進(jìn)行分析與評(píng)判,包括警源挖掘、警兆辨識(shí)及警情分析等,最后通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng),發(fā)布警情預(yù)警.(c)輔助決策層.是針對(duì)預(yù)警分析不能得出正確結(jié)論的情況設(shè)置的,可以通過(guò)專家會(huì)商服務(wù)系統(tǒng)輔助業(yè)主決策.具體流程見(jiàn)圖2.2水庫(kù)大壩警源挖掘警源挖掘模型是根據(jù)每一事件的發(fā)生概率,計(jì)算各條路徑的事故發(fā)生概率,比較各個(gè)路徑概率值的大小,對(duì)事故發(fā)生的可能性進(jìn)行排序,從而最終挖掘警源.德國(guó)科學(xué)家帕布斯·海恩提出了關(guān)于飛行安全的海恩法則,即每起嚴(yán)重事故背后必然有29次輕微事故、300起未遂先兆及1000起事故隱患.目前,海恩法則不僅用于飛行安全,還用于生產(chǎn)管理中的安全事故發(fā)現(xiàn)與防治.法則強(qiáng)調(diào)事故的發(fā)生是量積累的結(jié)果.根據(jù)海恩法則,水庫(kù)大壩的警源包括4類:(a)自然災(zāi)害類(如超標(biāo)準(zhǔn)洪水、上游水庫(kù)大壩潰決、地震、臺(tái)風(fēng)、干旱、地質(zhì)災(zāi)害等).(b)事故災(zāi)難類(如因大壩質(zhì)量問(wèn)題而導(dǎo)致的滑坡、裂縫,滲流破壞引起的潰壩或重大險(xiǎn)情,上游大體積漂浮物的撞擊事件,工程運(yùn)行調(diào)度、工程建設(shè)中的事故及管理不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的潰壩或重大險(xiǎn)情,影響生產(chǎn)生活、生態(tài)環(huán)境的水庫(kù)水污染事件等).(c)社會(huì)安全事件類(如戰(zhàn)爭(zhēng)或恐怖襲擊、人為破壞等).(d)其他危及水庫(kù)大壩安全的事件.目前,警源挖掘主要有2類方法:(a)基于土石壩多因素觀測(cè)資料(滲流、變形、應(yīng)力應(yīng)變、裂縫等)各影響因素間影響程度的警源挖掘,即通過(guò)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)各影響因素的相關(guān)性分析,找到問(wèn)題的主要矛盾.(b)基于事件樹(shù)法和故障樹(shù)法的警源挖掘.事件樹(shù)法分析(eventtreeanalysis,ETA)來(lái)自于決策樹(shù)分析(DTA),是一種按事故發(fā)展的先后順序由初始事件開(kāi)始推論可能的后果,從而進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)的方法.故障樹(shù)法分析(FTA)技術(shù)是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的、工程上能夠保障和改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性、安全性的技術(shù),它采用邏輯的方法,形象地進(jìn)行危險(xiǎn)事件的分析工作.顯然,事件樹(shù)法是一種由源至果的分析方法,而故障樹(shù)法則是一種由果溯源的分析方法.本文基于事件樹(shù)法,以浙江省浙閩臺(tái)流域某土石壩為例,根據(jù)工程險(xiǎn)情分析,繪制了描述該水庫(kù)大壩警源挖掘事故樹(shù),如圖3所示.3土石壩滲流監(jiān)測(cè)與警代警兆是指警素發(fā)生異常變化導(dǎo)致警情發(fā)生前出現(xiàn)的先兆.土石壩工程中的警兆即為觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)滲流、變形、應(yīng)力應(yīng)變等物理量隨時(shí)間變化表現(xiàn)的動(dòng)態(tài)特征.警兆辨識(shí)模型目前研究較多,主要包括兩大類:(a)基于大壩安全監(jiān)測(cè)資料的監(jiān)控模型分析,結(jié)合相應(yīng)的監(jiān)控指標(biāo),確定警兆級(jí)別,具體見(jiàn)文獻(xiàn).(b)結(jié)合土石壩滲流監(jiān)測(cè)資料,基于反演分析的土石壩各分區(qū)材料的滲透系數(shù)計(jì)算滲流場(chǎng),然后估算大壩邊坡穩(wěn)定情況,該類研究較多.文獻(xiàn)采用加卸載相應(yīng)比理論(load/unloadresponseratio,LURR),給出了地震時(shí)土石壩警情分析的理論與方法.4應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)警情分析子系統(tǒng)是土石壩工程安全預(yù)警系統(tǒng)的核心.《國(guó)家突發(fā)公共事件總體應(yīng)急預(yù)案》(2006)以及WebGIS技術(shù)的發(fā)展,使得建立基于WebGIS技術(shù)的大壩安全預(yù)警系統(tǒng)成為可能.隨著水利信息化不斷推進(jìn),地理信息系統(tǒng)(GIS)作為對(duì)空間分布及其有關(guān)空間數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行儲(chǔ)存、管理、分析的一項(xiàng)綜合性信息技術(shù),在水利工程中已廣泛應(yīng)用.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展將GIS網(wǎng)絡(luò)化(WebGIS),于是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的水庫(kù)管理信息系統(tǒng),成為大壩安全預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的方向.此外,還可以通過(guò)收集水庫(kù)大壩防洪工程的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)時(shí)正反分析,得到表征工程實(shí)際的物理力學(xué)參數(shù);然后,依據(jù)流域?qū)崟r(shí)雨、水、工情信息和預(yù)報(bào)成果,在防洪調(diào)度預(yù)案的基礎(chǔ)上,預(yù)測(cè)防洪工程的風(fēng)險(xiǎn)程度.在此基礎(chǔ)上,土石壩安全預(yù)警系統(tǒng)將各類應(yīng)急預(yù)案分解、組合,通過(guò)智能化技術(shù),將應(yīng)急預(yù)案貫穿于安全監(jiān)測(cè)信息和工程險(xiǎn)情、洪水、暴雨、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害信息中.若出現(xiàn)險(xiǎn)情信息,系統(tǒng)即自動(dòng)提示相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案,以人機(jī)交互方式生成實(shí)時(shí)調(diào)度方案,進(jìn)行調(diào)度方案仿真,結(jié)合災(zāi)情分析等因素進(jìn)行多方案比較,并具有調(diào)度方案、成果、系統(tǒng)管理等功能.4.1大壩安全預(yù)警系統(tǒng)GIS具有信息管理的功能,是一種為防洪決策提供信息支持的理想工具.借助于GIS可對(duì)災(zāi)害形成、發(fā)展條件、災(zāi)情分析進(jìn)行綜合評(píng)價(jià);估計(jì)災(zāi)害損失、制定災(zāi)民撤退路線、確定險(xiǎn)工段、制定避災(zāi)設(shè)施建設(shè)方案;并可利用系統(tǒng)中具有的豐富信息,進(jìn)行災(zāi)區(qū)資源調(diào)查、水土資源綜合利用規(guī)劃等工作.總體上,水庫(kù)大壩的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可分為數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、災(zāi)前預(yù)測(cè)評(píng)估、災(zāi)中實(shí)時(shí)評(píng)估和災(zāi)后反饋評(píng)估4個(gè)部分.基于WebGIS技術(shù)的大壩安全預(yù)警系統(tǒng)采用基于Intranet/Internet應(yīng)用的WebGIS技術(shù)、GPS技術(shù)、RS(遙感系統(tǒng))技術(shù),以及分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、多級(jí)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)復(fù)制技術(shù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)與數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)搭建一個(gè)“數(shù)字平臺(tái)”,以數(shù)字化地圖為信息發(fā)布平臺(tái),實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)查詢、分析與數(shù)據(jù)挖掘,為大壩安全預(yù)警提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息和決策支持.基于WebGIS的應(yīng)急撤離仿真流程見(jiàn)圖4.大壩安全預(yù)警系統(tǒng)可在電子地圖上全面反映歷史與實(shí)時(shí)的汛情數(shù)據(jù)和相對(duì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)工情數(shù)據(jù).4.2潰口形態(tài)描述土石壩的潰壩模型可采用Fread的土石壩侵蝕模型Breach.該模型基于水力學(xué)、泥沙動(dòng)力學(xué)、土力學(xué)等原理及大壩的幾何特性、材料特性和水庫(kù)特性(庫(kù)容、溢洪道特性和庫(kù)水位隨來(lái)水量的變化),模擬因管涌和漫頂引起的潰壩過(guò)程.潰口是大壩失事時(shí)形成的缺口,其形態(tài)主要與壩型和筑壩材料有關(guān).目前,由于實(shí)際潰壩機(jī)理仍不是很清楚,因此,潰口形態(tài)主要通過(guò)近似假定來(lái)確定.考慮到模型的直觀性、通用性和適應(yīng)性,一般假定潰口底寬從一點(diǎn)開(kāi)始,在潰決歷時(shí)內(nèi),按線性比率擴(kuò)大,直至形成最終底寬.若潰決歷時(shí)小于10min,則潰口底部不是從一點(diǎn)開(kāi)始,而是由沖蝕直接形成最終底寬.潰口形態(tài)描述主要由3個(gè)參數(shù)確定:潰決歷時(shí)、潰口底部高程、潰口邊坡.潰決歷時(shí)可以確定大壩潰決是瞬潰還是漸潰;潰口底部高程、潰口邊坡可以確定潰口斷面形態(tài)為矩形、三角形或梯形,以及是局部潰或是全潰.4.3u2004方程描述洪水在壩下游區(qū)域演進(jìn)數(shù)值模擬與一般二維水體運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬相比,最大特點(diǎn)在于:洪水淹沒(méi)范圍隨時(shí)間變化,存在不確定性;洪泛區(qū)內(nèi)縱橫交錯(cuò)的河道、圩垸、交通道路、涵洞、橋梁、建筑物、植被等對(duì)下泄水流影響很大.洪水演進(jìn)數(shù)值模擬的困難在于各種復(fù)雜內(nèi)外邊界的處理.通常,洪水在下游的運(yùn)動(dòng)用二維洪流方程描述:?h?t+?U?x+?V?y=S0(1)?U?t+??x(uU)+??y(vU)+gh?H?x+gn2uu2+v2√h13=0(2)?V?t+??x(uV)+??y(vV)+gh?H?y+gn2vu2+v2√h13=0(3)?h?t+?U?x+?V?y=S0(1)?U?t+??x(uU)+??y(vU)+gh?Η?x+gn2uu2+v2h13=0(2)?V?t+??x(uV)+??y(vV)+gh?Η?y+gn2vu2+v2h13=0(3)式中:U,V——x,y方向的單寬流量,(m3·s-1)/m;u,v——x,y方向的流速,m/s;h——水深,m;H——水面高程,m;S0——源項(xiàng),m/s.計(jì)算平臺(tái)采用Wallingford公司的河流水動(dòng)力模擬平臺(tái)InfoWorks.RS9.0.該軟件計(jì)算引擎采用基于地面高程模型DEM或DTM的河道一維和洪泛區(qū)二維模型相結(jié)合的辦法,能很好地模擬河流系統(tǒng)洪水漫溢或潰壩洪水在地面上的演進(jìn)過(guò)程.4.4例子4.4.1溫嶺城壩溢洪道概況本文以浙閩臺(tái)流域一座以供水為主,兼灌溉、防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)等綜合利用的中型水利樞紐為例.該水庫(kù)下游為溫嶺城區(qū)經(jīng)濟(jì)繁華地帶,有130多個(gè)村莊,共12.5萬(wàn)人口和超過(guò)4000hm2農(nóng)田以及近百家企業(yè).大壩為黏土心墻土壩,最大壩高20.60m.溢洪道位于大壩右側(cè),為正槽式溢洪道;進(jìn)口為奧氏實(shí)用堰式;輸水建筑物包括拱條石涵洞和石橋半嶺隧洞.其中拱條石涵洞為放空涵洞,屬穿壩建筑物,擬封堵.4.4.2．1．1壩水流變化模型計(jì)算區(qū)域根據(jù)壩址下游平原區(qū)1∶10000地形圖中25.00m等高線確定,計(jì)算區(qū)域地面高程模型(DEM)根據(jù)1∶10000地形圖中35.00m以下等高線和測(cè)量點(diǎn)高程2種數(shù)據(jù)生成.同時(shí),采用概化斷面對(duì)地面模型進(jìn)行切割以充分考慮河道斷面形態(tài)對(duì)潰壩水流變化的影響.模型中把25.00m等高線作為“墻邊界”處理,即水流無(wú)法流入或流出計(jì)算區(qū)域.高程低于25.00m部分邊界采用“臨界條件”,即如果計(jì)算水位高于25.00m,則按無(wú)能量損耗的寬頂堰公式計(jì)算流出計(jì)算區(qū)域的單寬流量;若計(jì)算水位低于25.00m,則不考慮計(jì)算區(qū)域內(nèi)外的水量交換.在大壩潰口處,計(jì)算斷面形態(tài)和高程是根據(jù)DEM及事先估算的潰口大小、形狀概化而成的,以潰壩流量過(guò)程作為邊界條件.從1∶10000地形圖中提取出居民地、草地、林地、經(jīng)濟(jì)林和耕地5種地物的分布區(qū)域作為糙率分區(qū),相應(yīng)的糙率值分別設(shè)定為0.075,0.035,0.050,0.050和0.030,河道的糙率設(shè)置為0.025.計(jì)算范圍內(nèi)其他區(qū)域的糙率設(shè)定為0.035.水庫(kù)下游可能淹沒(méi)范圍(計(jì)算區(qū)域)總面積約為521km2.DEM模型及計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖5.4.4.3態(tài)下計(jì)算工況水庫(kù)潰壩口門(mén)形態(tài)采用漸潰,該潰壩口門(mén)形態(tài)下計(jì)算工況包括特征水位下的漫頂或管涌工況.利用Breach土石壩侵蝕模型對(duì)各工況進(jìn)行計(jì)算,得到圖6所示的流量過(guò)程.4.4.4洪水演進(jìn)過(guò)程利用本文介紹的模型和方法,得到了該水庫(kù)各工況下下游淹沒(méi)圖及洪水演進(jìn)歷時(shí),圖7和圖8為