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1、施工导流联合泄流计算模型及导流方案风险分析甄红锋1 柴换成2（1. 2. 山东水利职业学院 山东 日照 276826）摘 要：通过分别研究明渠导流、隧洞导流以及坝体缺口导流的水力计算，提出切实可行的联合泄流水力计算模型。在施工导流系统联合泄流能力的计算基础上，采用Monte-Carlo方法，模拟施工期洪水入库过程和导流建筑物的泄流工况，用系统仿真方法进行施工洪水调洪演算得到堰前水位的随机样本数据，通过聚类分析确定导流系统动态风险。实例验证说明，施工导流联合泄流水力计算以及风险分析计算模型是可靠的、适用的。关键词：施工导流；联合泄流；风险分析；Monte-Carlo方法；聚类分析分类号: TV6
2、Computational Model for Joint Discharge and Risk Analysis of Construction Diversion SchemesHongfeng Zhen 1，Huancheng Chai（1. 2. Shandong Water Polytechnic, Rizhao, 276826）Abstract: Through the separate analysis of channel diversion、tunnel diversion and dam gap discharge, this paper establishes the c
3、omputational model for joint discharge during construction by applying the hydraulic computation theory. On the joint discharge basis of construction diversion system, using the Monte-carlo method to simulate the flood and discharge process, the risk model analyses the distribution of the flood leve
4、l in front of the cofferdam and dynamic risk under different diversion standard by flood routing model and the cluster analysis model. The case study institutes that the computational model for joint discharge and risk analysis model of construction diversion schemes are reasonable and effective.Key
5、 words: construction diversion; joint discharge; risk analysis; Monte-Carlo method; cluster analysis1. 引言施工导流工程是风险工程，在进行导流方案确定、导流方式选择、设计优化时，工程的风险应作为一个指标参与决策，所以如何确定施工导流工程的综合风险就显得十分重要。目前，施工导流工程中所存在的风险问题己经引起广泛的重视，并将风险与导流标淮1的选择联系起来进行研究。而进行施工导流工程风险分析计算的前提是首先针对导流工程不同导流时段其不同导流方式和导流建筑物的组合进行联合泄流水力计算2。本文阐述了一种
6、广泛适用的联合泄流计算原理，提出了切实可行的联合泄流水力计算算法，提高水力计算的速度和精度。在联合泄流水力计算的基础上，采用Monte-Carlo方法对土石围堰挡水导流风险进行分析，利用Monte-Carlo方法模拟施工洪水过程和导流建筑物泄流工况，通过系统仿真进行施工洪水调洪演算，对得到的上游堰前水位分布进行聚类分析，从而确定在不同的导流标准条件下围堰运行的动态风险。2. 施工导流联合泄流水力计算模型作者简介：甄红锋（1973），男，硕士在读，山东巨野人，从事水利工程施工与水力学的教学研究工作。柴换成（1980），男，学士，甘肃天水人，从事水利工程施工与水利工程管理的教学研究工作。国内外水利
7、水电导流工程实践表明，无论是土石坝枢纽，还是混凝土坝枢纽，施工导流过程中，一般都是几个导流建筑物联合泄流。混凝土坝施工后期的导流渡汛，往往采用坝体预留缺口和底孔泄流方式；在峡谷地区进行水电工程施工导流时，常需要采用隧洞群的导流方式。导流洞还会遇到多层、多条群洞联合泄流，同一洞不同时期或不同洞同一时期可能同时存在有压、半有压、无压的复杂局面。2.1 明渠导流水力计算模型明渠泄流时，水流可能呈均匀流或非均匀流3 4。明渠均匀流的水流保持匀速直线运动，可采用谢才公式计算。人工渠道的水工流绝大部分是明渠恒定非均匀流。对于渐变流水面线的计算采用分段求和法。 2.2 隧洞导流水力计算模型隧洞泄水能力曲线时
8、是按已知流量Q推求上游水位H。（1）隧洞无压流时上游水位： （1）式中，为淹没系数，当时取1.0，当时，由确定，为隧洞进口内的收缩水深；B为临界水深以下断面平均宽度，；流量系数m由进口体形确定。（2）隧洞半有压流时上游水位计算半有压短洞上游水位： （2）半有压长洞上游水位： （3）（3）隧洞有压流时上游水位计算有压淹没流： （4）有压自由出流： （5）2.3 缺口泄流水力计算模型缺口泄流，当堰顶长度与水头的关系在区间()时，按如下宽顶堰公式计算： （6）式中，为过水宽度；为缺口底槛以上上游水头；为侧收缩系数；为流量系数；为淹没系数，当自由出流时，取1.0，当淹没出流时，可查宽顶堰淹没系数表得到
9、。2.4 联合泄流水力计算模型5无论是隧洞群联合导流还是缺口与底孔联合导流，在已知总泄流量和下游水位的情况下，任何泄水建筑物联合泄流必须同时满足以下两个条件： （7）式中，为同一上游水位下，一个泄流建筑物的泄流量；为上游水位。个泄水建筑物联合导流泄流能力计算步骤：(1) 根据原河床坝址处天然水位流量关系，先拟定个下游水位，用插值法找到相对应的个流量。(2) 求出各建筑物对应每一级流量的上游水位的最小值，并找出当时对应各建筑物的上游水位的最小值，然后在区间()上取初值，用单条隧洞水力计算公式分别计算对应的泄流量。(3) 将、相加得到，如果(误差允许值)，则，假设的即为下泄流量的上游水位，否则，根
10、据逐步逼近方法，用()继续试算，直到.(4) 将计算所得的组(，)值绘成曲线，进行光滑处理，即为联合泄流的上游水位泄流能力的关系曲线。(5) 如果围堰是过水围堰，则当(围堰挡水设计流量)，n个泄水建筑物泄流且围堰参与过水。同理给定下游水位，按台形堰溢流计算公式计算过水围堰泄流曲线，最后，把计算所得曲线和n个导流建筑物的联合泄水曲线依照上述(1)(4)方法迭加生成上游水位和泄流能力的关系曲线。3. 施工导流风险分析模型施工导流风险度定义为：在导流施工过程中发生超过上游围堰高程的洪水的频率。水电站在施工截流成功并实现戗堤闭气后，为了保证围堰填筑进度满足第一年洪水的渡汛要求，必须确定分月围堰的填筑高
11、度及相应的风险率6 7。因此，围堰填筑过程中分月堰前水位超过堰顶高程的可能性为： （8）其中：Z上(t)为第t月上游围堰堰前水位；H上堰高为第t月上游围堰堰顶高程。由施工导流风险率表达式可见，导流风险主要由河道来流洪峰流量的不确定性、洪水过程的不确定性及导流设施的泄流能力不确定性8所引起的，只有综合反映这三方面因素，才能全面合理地确定导流风险率，因此，对导流中的水文随机性及水力不确定性进行分析。3.1 洪峰流量的不确定性分析洪峰流量的不确定性对导流风险的影响最大，我国最大洪峰流量系列采用P-型分布，其概率密度9为(x) （9）式中：x为洪峰流量；为年最大洪峰流量系列的均值；Cv为变差系数；Cs
12、为偏态系数。Cv、Cs均有水文统计资料来确定。3.2 洪水过程的不确定性分析洪水过程的不确定性主要表现在洪量的不确定和洪水历时的不确定性。经过大量实测资料统计分析，认为洪量的分布符合P-型分布，其概率密度如式上式。洪水过程历时可以认为服从正态分布，其密度函数为： （10）式中为历时的数学期望，为历时的方差。3.3 泄流能力的不确定分析计算实例表明，导流洞的泄流能力较为接近三角形分布，其密度函数10 11为： （11）式中a为泄流能力下限；b为平均泄流能力；c为泄流能力上限；a、b、c参数通过模拟泄流能力的统计资料来确定。3.4 调洪演算模型根据水量平衡方程式： （13）其中，分别为计算时段始、
13、末入库流量；分别为计算时段始、末出库流量；分别为计算时段始、末的水库蓄水量。当已知入库洪水过程线时，为已知，V1、q1为计算的初始条件，V2、q2未知。又由于，根据导流建筑物的泄流能力曲线Hq和水库的水位库容曲线HV，可确定q与V的函数关系，即q=f（V）。采用常用的二分法求解方程，推求水库下泄过程线，从而可求得最大下泄流量、防洪所需库容以及相应的最高洪水位。3.5 导流动态风险计算确定导流围堰上游水位风险，要系统考虑河道来流、导流建筑物泄流以及枢纽的其他特征，通过系统模拟的方法来实现。由水文随机参数和分布得到一个随机的上游洪水Fin；同时由水力随机参数和分布得到对应的泄流建筑物的泄流能力Qo
14、ut。通过反复的抽样、计算可以得到一个任意长的围堰上游水位模拟历史系列，上游水位的概率分布只要对这个历时系列进行聚类分析就可以得到了，而设计水位的风险率，实际上就是这个模拟历史系列的密度函数的一些分位点的值。图1 导流风险分析计算流程4. 实例分析及其计算结果4.1 联合泄流能力计算现以金沙江中游河段上某大型水电工程折坝线混合坝初期导流设计方案为例，说明本文所提出的联合泄流水力计算模型及施工导流风险分析模型的应用。混合坝右岸厂房全年导流方案共布置了4条导流隧洞，隧洞净空断面为修正马蹄形，净空最大宽度为15m，底宽11m，净空高度15m，净空断面积191.5587 m2。进口高程定在1020.0
15、0m，出口高程1012.00m。混合坝河中厂房方案全年导流共布置了7条导流底孔，导流底孔断面为矩形，单孔宽度8m，高度14m（底孔出口段孔口高度压低为12.5m）。底孔前段8m14m净空断面积112.00 m2，后段8m12.5m净空断面积100.00 m2，底孔进口高程定在1020m，出口高程1020m，底孔纵坡i=0。孔口泄流控制断面在出口，8m12.5m（宽高）。应用本文所介绍联合泄流水力计算模型计算，联合泄流曲线如图2：图2 水电站折坝线混合坝枢纽泄流能力曲线4.2 施工导流方案风险率计算成果根据水利水电工程施工组织设计规范SDJ338-89，选定的导流建筑物为级。对于级导流建筑物，土
16、石类围堰相应设计洪水标准为重现期2050年。根据实测资料分析,电站坝址下游的水文站实测最大流量为29000m3/s。综合分析水文系列资料、导流建筑物的工程量、施工工期以及水文、水力等不确定性因素，初步拟定3个备选的初期施工导流标准为20年一遇、30年一遇和50年一遇。导流标准为20年一遇洪水流量Qp=5%为11400 m3/s，30年一遇洪水流量Qp=3.3%为12100 m3/s，50年一遇洪水流量Qp=2%为13000 m3/s。混合坝右岸厂房全年导流方案，其泄流能力服从三角形分布，其分布参数分别为0.97（下限）、1.00（中值）、1.05（上限）；河中厂房方案，其泄流能力分布参数分别为
17、0.98（下限）、1.00（中值）、1.06（上限）。根据施工导流风险分析模型，分别拟合洪水过程线、泄流过程线，进行围堰上游水位的仿真计算，统计围堰上游堰前水位分布和在不同导流设计洪水标准条件下的风险率R（或保证率P），考虑水文和水力随机因素随机模拟结果以及设计水位对应考虑随机模拟综合风险计算成果如表1、表2所示。表1 考虑水文和水力随机因素随机模拟成果表表2 设计水位对应考虑随机模拟综合风险表4.3 成果分析 （1）对于折坝线混合坝右岸厂房导流方案，初期导流设计标准为30年一遇，在不考虑导流系统的随机因素条件下，围堰上游水位1064.65m，相应水头54.65m（上游相应水头从河床底高程10
18、10.00m起计，下同）。考虑导流系统的随机因素时，30年重现期对应的上游围堰水位为1063.59m，对应水头为52.59m；而观音岩水电站30年一遇导流设计水位为1065.61m，对应的导流风险率为2.74%。（2）对于折坝线混合坝河中厂房导流方案，初期导流设计标准为30年一遇，在不考虑导流系统的随机因素条件下，围堰上游水位1060.98m，相应水头50.98m。考虑导流系统的随机因素时，30年重现期对应的上游围堰水位为1061.26m，对应水头为51.26m；而观音岩水电站30年一遇导流设计水位为1061.98m，对应的导流风险率为3.03%。5. 结语针对国内外大型水电工程建设项目，在施
19、工导流过程中，一般都是几个导流建筑物联合泄流，而且不同的导流时段其导流方式和导流建筑物的组合也不同，对于山区河流极其普遍的隧洞导流型式给出了各种型式隧洞的泄流能力计算方法，本文重点介绍了联合泄流水力计算模型的建立，工程实例表明其联合泄流水力计算算法是切实可行的。施工导流系统风险是影响水电枢纽导流建筑物设计的规模、型式及其可靠性的主要因素，是由导流系统具有的实际泄流能力与实际洪水流量的相对大小决定的。在计算施工导流系统联合泄流能力的基础上，采用Monte-Carlo方法，模拟施工期洪水入库过程和导流建筑物的泄流工况，用系统仿真方法解决施工洪水调洪演算，对得到的围堰上游水位随即数据样本进行聚类分析
20、确定导流系统动态风险。通过实例分析说明风险分析模拟模型与聚类分析模型的可行性与有效性，为水电工程施工导流系统风险分析提供了有效的工具与途径。参考文献：1 肖焕雄. 施工导流标准与方案优选M. 湖北，湖北社学技术出版社，1996.2 肖焕雄. 施工水力学M. 北京，水利电力出版社，1992.3 李炜，徐孝平. 水力学M. 武汉，武汉水利电力大学出版社，2000.4 武汉水利电力学院. 水力计算手册M. 北京，水利电力出版社，1983.5 水利电力部水利水电建设总局. 水利水电工程施工组织设计手册M. 北京，水利电力出版社，1990.6 胡志根，刘全，贺昌海等水利水电工程施工初期导流标准多目标风险
21、决策研究J. 中国工程科学，2001，3(8)：5863.7 胡志根，刘全，贺昌海，等. 基于Monte-Carlo方法的土石围堰挡水导流风险分析J. 水科学进展，2002，(9)：634638.8 陈风兰，王长新. 施工导流风险分析与计算J. 水科学进展，1996，7(4)：361366.9 长江水利委员会. 水利水电工程设计洪水计算手册M，北京，水利电力出版社，1995.10 D.O.Karlsson, Y.Y.Haimes. Probability Distributions and Their Partitioning J. Water Resources Research,1988,24(1) : 2129.11 刘全. 施工导流风险分析与施工过程仿真的可视化研究D. 武汉大学，2003.
