CN111160763B - 水工消力池的安全风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水工消力池的安全风险评估方法，其包括获取水工消力池的设计参数和实测损伤信息，并根据设计参数模拟计算水工消力池底孔的水动力荷载；采用设计参数、水动力荷载作为先验概率，检测渗流变化和实测损伤信息作为边缘似然率，并利用贝叶斯理论计算水工消力池风险的后验概率；获取影响水工消力池组成部件的安全风险因素，并采用事故树分析法梳理出影响水工消力池安全的关键因素建立水工消力池事故的逻辑层次；根据水工消力池事故的逻辑层次，利用信息物元方法确定水工消力池位于的安全等级。本方案提供的方法可以对水工消力池安全风险进行全覆盖定量评估，可以节省了力池检修需要的造围堰、抽水等复杂工程带来的时间、经济及人力成本。

Description

水工消力池的安全风险评估方法

技术领域

本发明涉及水利工程中建筑物的安全评估技术，具体涉及一种水工消力池的安全风险评估方法。

背景技术

水利枢纽具有防洪、供水、航运、灌溉等综合利用功能，经济、社会、生态效益显著，但其安全运行也是关乎广大群众安全的国计民生大事。从大型水利枢纽(坝高100m以上，库容10亿m³以上)的建成年代来看，20世纪30-80年代兴建31座，20世纪90年代兴建24座，21世纪前16年兴建136座。20世纪90年代后期至21世纪是高坝建设的高峰，尤其是坝高200m以上水库基本兴建于21世纪。由于多种原因(运行工况、时间蠕变、温度及地质变化等)，据2005年统计，已有约1/3的水利工程存在不同程度的病险问题；且随时间的推移，水工结构的老化和病害将越来越严重。可以预料，21世纪将迎来水利工程加固和处理的高潮。

水工消力池作为水利枢纽的泄洪建筑物，承担了最大的洪水压力，同时也是已有水利安全事故中最常发的高危部位。但由于地质条件和施工技术复杂，设计时对地质条件的认识尚不够全面准确，结构本身老化以及造价、管理等原因，水工消力池病害往往带来严重的经济、社会损失。而且水工消力池作为特殊的过水建筑物，面临着复杂苛刻的水动力荷载工况，更需要从水利专业角度加以研究。另一方面，随着无损检测方法的广泛应用，如预埋感应件的实时监测，以及机器人巡检技术的突破，实现了定时及不定时的机器人/人工检测，将有越来越多的各类数据可以被应用在水工消力池病害诊断中。如何有效整理利用这些大量的多源异构数据，并综合水动力等机理模型，定量评估水工消力池安全风险状态，已成为水利能源行业中一个关乎安全根本的关键问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的水工消力池的安全风险评估方法解决了不能定量评估水工消力池安全风险状态的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种水工消力池的安全风险评估方法，其包括：

获取水工消力池的设计参数和实测损伤信息，并根据设计参数采用Flow-3D进行数值模拟计算水工消力池底孔的水动力荷载；

采用设计参数、水动力荷载作为先验概率，检测渗流变化和实测损伤信息作为边缘似然率，并利用贝叶斯理论计算水工消力池风险的后验概率；

获取影响水工消力池组成部件的安全风险因素，并采用事故树分析法梳理出影响水工消力池安全的关键因素建立水工消力池事故的逻辑层次；

根据水工消力池事故的逻辑层次，利用信息物元方法确定水工消力池位于的安全等级。

本发明的有益效果为：本方案将水动力机理模型加入到水工消力池的安全评估中能预测缺陷发生的高危区域。通过结合实测缺陷数据，采用贝叶斯理论将得以构建出动态可拓的安全风险评估概率体系；通过信息物元法合理量化各指标特征值及重要性程度，定量计算水工消力池的整体安全等级；同时给出水工消力池各部位的风险数值，为水工消力池运行维修提供决策支持。

附图说明

图1为水工消力池的安全风险评估方法的流程图。

图2为采用事故树分析法梳理出影响水工消力池安全的关键因素建立水工消力池事故的逻辑层次的原理框图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了水工消力池的安全风险评估方法的流程图；如图1所示，该方法100包括步骤101至步骤104。

在步骤101中，获取水工消力池的设计参数和实测损伤信息，并根据设计参数采用Flow-3D进行数值模拟计算水工消力池底孔的水动力荷载。

实施时，本方案优选设计参数包括水工消力池对应大坝的设计参数和水工消力池的底孔的设计参数；所述水动力荷载为根据设计参数，基于水跃动力原理结合Flow-3D进行数值模拟计算得到压强和最大流速。

在步骤102中，采用设计参数、水动力荷载作为先验概率，检测渗流变化和实测损伤信息作为边缘似然率，并利用贝叶斯理论计算水工消力池风险的后验概率。

实施时，本方案优选所述后验概率p(θ_j|e_j)的计算公式为：

其中，θ_j为水工消力池的安全风险等级，j为安全风险等级的数量；e_j为破损信息；p(θ_j)为先验概率；p(θ_j|e_j)为后验概率；p(x)为边缘似然率。

在步骤103中，获取影响水工消力池组成部件的安全风险因素，并采用事故树分析法梳理出影响水工消力池安全的关键因素建立水工消力池事故的逻辑层次，水工消力池事故的逻辑层次可以参见图2。

在步骤104中，根据水工消力池事故的逻辑层次，利用信息物元方法确定水工消力池位于的安全等级。

在本发明的一个实施例中，根据水工消力池事故的逻辑层次，利用信息物元方法确定水工消力池位于的安全等级进一步包括：

S1、将水工消力池分解为若干层次的多个指标，逐层比较多种关联因素，按指标的优良程度或重要程度划分为若干安全等级，安全等级为N_j＝{N₁、N₂、N₃、N₄}＝{正常、轻微异常、异常、险情}。

S2、基于信息物元方法结合事故树分析法得到的逻辑层次，构建水工消力池工作性态n维经典域物元：

其中，R_0j为第j个等级的经典域物元；N_0j为水工消力池安全评估等级，j＝1,2,3,4；c_i为物元评价等级N_0j的特征；v_0j为N_0j关于c_i所规定的取值范围[a_0j,b_0j]，a_0j为v_0j的最小下限，b_0j为v_0j的最大上限；

S3、采用熵权法、层次分析法或组合赋权法，计算所有物元的权重矩阵W；

S4、计算水工消力池的第i个指标特征关于等级j的关联度矩阵K_j(v_i)：

K_j(v_i)＝ρ(v_i,v_0ji)/[ρ(v_i,v_pi)-ρ(v_i,v_0ji)]

ρ(v_i,v_0ji)＝|v_i-(a_0ji+b_0ji)/2|-(b_0ji-a_0ji)/2

ρ(v_i,v_pi)＝|v_i-(a_pi+b_pi)/2|-(b_pi-a_pi)/2

其中，ρ(v_i,v_0ji)为点到经典域的距离；ρ(v_i,v_pi)为点到节域的距离；a_pi为v_pi的最小下限；b_pi为v_pi的最大上限；

S5、计算水工消力池关于评价等级j的关联度为K_j(N)：

K_j(N)＝WK_j(v)j＝1,2,3,4

K^*＝K_j ^*(N)＝max{K₁(N),K₂(N),K₃(N),K₄(N)}

其中，W为权重矩阵，由各层次权重叠加得到；K_j(v)为特征指标关联度矩阵；

S6、根据最大关联度准则，判定水工消力池所属的安全等级。

在基于本方案得到水工消力池的安全等级后，可以根据安全等级评估出水工消力池的安全性，水工消力池安全性不好时，可以对对影响水动力荷载的结构进行排查和检修，以提高水工消力池的安全性能。

下面结合具体实例四川省嘉陵江上游某水电站水工消力池对水动力荷载的计算进行说明：

位于四川省广元市苍溪县境内的某水利枢纽工程，由中国大唐集团公司投资建设，是国家完善长江防洪体系六大重点工程之一，是嘉陵江干流唯一的控制性骨干工程，也是2009年西部大开发新开工18项重点工程中唯一的水利工程。此水利枢纽以防洪、灌溉及城乡供水、发电为主，兼顾航运，并具有拦沙减淤等效益的综合利用工程，是国务院《关于加强长江近期防洪建设的若干意见》中确定的为完善长江防洪体系将于近期开工的6大防洪水库工程之一，也是四川省灾后恢复重建项目和拉动内需重点项目。

总库容40.67亿立方米，调节库容10.60亿立方米，控制灌溉面积292.14万亩。工程等别为一等，工程规模为大(1)型。主要建筑物为1级，电站厂房为2级，次要建筑物为3级。混凝土坝设计洪水重现期为500年，校核洪水重现期为5 000年。消能建筑物设计洪水重现期为100年。

该枢纽是以防洪为主的工程，嘉陵江洪水峰量较大，大坝设计洪水峰值达34500m3/s。重力坝坝轴线总长995.4m，坝顶高程465m，最大坝高116m。泄水建筑物均布置于河床中部，由8个表孔、5个底孔组成，底孔邻近厂房坝段，布置于表孔左侧。表孔坝段宽18.5m，闸墩厚4.5m；底孔坝段17.0m。溢流前缘总长243.5m，采用底流消能形式。本发明以底孔水工消力池为例说明实施方案。

水工消力池底孔主要任务是泄洪、排沙，并兼作施工期导流底孔，共5孔，孔口尺寸均为6m×9m(宽×高)。底孔底板高程374.0m，采用有压短管形式，有压短管出口下游两侧突扩0.5m，底部跌坎高1.6m。明槽坡比1∶4.5，下段采用半径为75m的圆弧调整到水平后至出口，出口突跌8.0m至水工消力池底板，出口高程362.0m，水工消力池护坦高程354.0m。底孔池底板高程354.0m，长187.7m(底孔明槽出口～水工消力池尾坎)，池宽75m，水工消力池尾坎为连续式，坎顶高程367m。尾坎后防冲段长35m，高程360.3m。水工消力池设置封闭抽排***。

2018年7月11日，该水力枢纽经受了超50年接近80年一遇的洪水，最大入库洪峰达25130m³/s。水库发挥拦蓄功能，控制下泄流量，最大出库16790m³/s，有效滞洪8.1亿m³，平均消减洪峰6731m³/s，平均削峰率达34％，充分发挥了工程削峰滞洪的功能，极大程度减轻了下游苍溪、阆中、南充等城市防汛压力，保障了沿江两岸人民生命财产安全。

711洪峰期间，该水利枢纽首次8个表孔弧门全开的同时，开启3个底孔。底孔水工消力池最大泄流量5607m³/s(7月12日06：00)，毛水头(上下游水位差)71.73m。本申请选取此底孔最大泄流量作为最不利工况，进行水力计算及安全评估，主要参数如下表1：

根据表1中水电站水工消力池的具体参数，进行水动力荷载计算，根据水跃基本原理，计算水跃主要参数，计算过程如下表2：

表2底孔泄洪建筑物高程及尺寸设计图

计算得到第一共轭水深1.94m，单宽流量除以此共轭水深得到跃前断面平均流速38.54m/s，因此跃前断面弗劳德数Fr1为8.83，第二共轭水深为23.28m。此次711洪峰条件下的计算结果与设计资料对比如下表3：

表3底孔泄洪建筑物设计及711洪峰水跃参数

从表3可以看出，Fr1<9.0，属于稳定水跃，消能效率高，同时水跃稳定，跃后水面也较平静。利用水跃消能，最好是使Fr1位于此范围内。

根据尾水及跃后共扼水深的不同，水跃分可为临界水跃、远驱水跃和淹没水跃。远驱水跃对河床冲刷较大，临界水跃不稳定，形成淹没水跃对于工程安全最有利。第二共轭水深23.28m，小于坝后水深29.84m，为淹没水跃。矩形明渠跃长142.10m(吴持恭，或者128.07m，Smetana；147.28m，Elevatorski)。底孔水工消力池池长187.70m，故水跃发生在水工消力池中前部，符合设计规范。

Flow-3D进行数值模拟模型根据底孔消能建筑物设计及施工图，上游水流被坝面阻挡，经过上游有压管道接弧形闸门后，冲过一段斜坡及反弧面，跃下8m深底坎，冲入水工消力池中，水工消力池长187.7m，尾部有13m高尾坎，最后进入下游河道。底孔水工消力池共有5个底孔，根据711泄洪实际情况，开启1、3、5孔，即两侧及中孔,建立模型。初始水位111.57m，39.84m(下游水工消力池底板厚度10m)。实测及模拟计算结果见表4，对比验证数值结果，最大流速误差3.19％，压强误差2.25％，表明采用Flow-3D进行数值模拟计算可信高。

表4.主要参数的数值模拟与实测及初步计算结果对比

综上所述，本方案提供的方法可以对水工消力池安全风险进行全覆盖定量评估，评估结果为水电站运行维护提供了科学依据，节省了水工消力池检修需要的造围堰、抽水等复杂工程带来的时间、经济及人力成本，具有显著的工程实际意义。

Claims (6)

1.水工消力池的安全风险评估方法，其特征在于，包括：

获取水工消力池的设计参数和实测损伤信息，并根据设计参数采用Flow-3D进行数值模拟计算水工消力池底孔的水动力荷载；

采用设计参数、水动力荷载作为先验概率，检测渗流变化和实测损伤信息作为边缘似然率，并利用贝叶斯理论计算水工消力池风险的后验概率；

获取影响水工消力池组成部件的安全风险因素，并采用事故树分析法梳理出影响水工消力池安全的关键因素建立水工消力池事故的逻辑层次；

根据水工消力池事故的逻辑层次，利用信息物元方法确定水工消力池位于的安全等级。

2.根据权利要求1所述的水工消力池的安全风险评估方法，其特征在于，所述后验概率p(θ_j|e_j)的计算公式为：

其中，θ_j为水工消力池的安全风险等级，j为安全风险等级的数量；e_j为破损信息；p(θ_j)为先验概率；p(θ_j|e_j)为后验概率；p(x)为边缘似然率。

3.根据权利要求1所述的水工消力池的安全风险评估方法，其特征在于，所述根据水工消力池事故的逻辑层次，利用信息物元方法确定水工消力池位于的安全等级进一步包括：

S1、将水工消力池分解为若干层次的多个指标，逐层比较多种关联因素，按指标的优良程度或重要程度划分为若干安全等级；

S2、基于信息物元方法结合事故树分析法得到的逻辑层次，构建水工消力池工作性态n维经典域物元：

其中，R_0j为第j个等级的经典域物元；N_0j为水工消力池安全评估等级，j＝1,2,3,4；c_i为物元评价等级N_0j的特征；v_0j为N_0j关于c_i所规定的取值范围[a_0j,b_0j]，a_0j为v_0j的最小下限，b_0j为v_0j的最大上限；

S3、采用熵权法、层次分析法或组合赋权法，计算所有物元的权重矩阵W；

S4、计算水工消力池的第i个指标特征关于等级j的关联度矩阵K_j(v_i)：

K_j(v_i)＝ρ(v_i,v_0ji)/[ρ(v_i,v_pi)-ρ(v_i,v_0ji)]

ρ(v_i,v_0ji)＝|v_i-(a_0ji+b_0ji)/2|-(b_0ji-a_0ji)/2

ρ(v_i,v_pi)＝|v_i-(a_pi+b_pi)/2|-(b_pi-a_pi)/2

其中，ρ(v_i,v_0ji)为点到经典域的距离；ρ(v_i,v_pi)为点到节域的距离；a_pi为v_pi的最小下限；b_pi为v_pi的最大上限；

S5、计算水工消力池关于评价等级j的关联度为K_j(N)：

K_j(N)＝WK_j(v) j＝1,2,3,4

其中，W为权重矩阵，由各层次权重叠加得到；K_j(v)为特征指标关联度矩阵；

S6、根据最大关联度准则，判定水工消力池所属的安全等级。

4.根据权利要求1所述的水工消力池的安全风险评估方法，其特征在于，所述设计参数包括水工消力池对应大坝的设计参数和水工消力池的底孔的设计参数；所述水动力荷载为根据设计参数，基于水跃动力原理结合Flow-3D进行数值模拟计算得到压强和最大流速。

5.根据权利要求1-4任一所述的水工消力池的安全风险评估方法，其特征在于，所述安全等级为N_j＝{N₁、N₂、N₃、N₄}＝{正常、轻微异常、异常、险情}。

6.根据权利要求5所述的水工消力池的安全风险评估方法，其特征在于，根据水工消力池位于的安全等级对影响水动力荷载的结构进行排查和检修。

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