堤防工程风险分析理论和实践研究

论文摘要

堤防安全评价是堤防设计和堤防除险加固的重要组成部分,是对所研究堤段防洪能力的综合检验和评价。但堤防工程是赋存于一定水环境中受水文和水力条件作用的岩土工程结构,而风险作为一种用来考虑和评价工程实践中诸多不确定和无法预测因素而导致工程失事的一种手段时,是所有岩土工程中先天固有的(Casagrande,1965)。传统定值设计方法由于很难考虑到堤防工程实际存在的不确定性,因而已不足以确切地表征工程的安全程度。将以概率论和可靠度为基础的风险分析方法引入堤防工程安全评价实践中具有重要意义。本文在广泛参阅国内外大量文献基础上,对堤防工程风险分析的理论、模型、方法以及应用进行了探讨研究,取得了以下研究成果: (1) 采用故障树分析方法对单元堤段失事破坏类型进行了分析,将单元堤段失事模式分为以下3个层次8种分项失事模式: Level Ⅰ:水文失事模式和结构失事模式; Level Ⅱ:将水文失事模式分为洪水漫溢失事模式和洪水漫顶失事模式,将结构失事模式分为渗透破坏失事模式、岸坡失稳模式和地震险情失事模式; Level Ⅲ:将地震险情失事模式分为岸坡地震失稳和地震液化,岸坡失稳模式分为临水面岸坡失稳模式和背水面岸坡失稳模式,岸坡地震失稳模式同样亦分为临水面岸坡地震失稳模式和背水面岸坡地震失稳模式。 (2) 依据所进行的单元堤段失事模式分析,分别推导建立了单元堤段分项失事模式风险率计算模型,并提出了分项失事模式功能函数及其功能函数中随机变量的估计方法;同时在建立分项失事模式的风险率计算模型时考虑了分项失事模式的失事后果严重程度,在洪水漫顶失事模式和地震液化失事模式的风险率计算模型中引入贡献权重函数K(h)来考虑其风险对综合失事风险的贡献;然后对单元堤段分项失事模式的风险率计算模型中的洪水位概率密度函数和分项失事风险率的表述方式进行了详细阐述,提出了风险率计算模型中积分计算方法(基于高斯—勒让德节点的离散化积分求解方法和函数拟合方法),给出了分项失事模式条件失事概率计算中随机变量的标准差估计方法,并建议将失事风险率计算结果用风险率与洪水位关系曲线来表示,以更好地表征堤防工程安全程度。 (3) 对单元堤段综合失事风险率计算的解析解、界限估计和近似估计方法进行了描述;建立了单元堤段失事事件之间的相关函数,以及堤防系统综合失事风险率计算的公式,并提出了堤防系统综合失事风险率计算步骤;分析了堤防失事后

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 堤防单元堤段常见失事破坏类型
• 1.2.1 漫溢
• 1.2.2 渗透破坏
• 1.2.3 失稳
• 1.3 风险分析理论及现状
• 1.3.1 风险的含义及定义
• 1.3.2 风险分析的内容
• 1.3.3 风险管理的概念
• 1.3.4 可靠性分析、安全分析与风险分析
• 1.3.5 工程中的不确定性描述
• 1.3.6 常用风险分析方法
• 1.4 概率风险分析研究现状
• 1.4.1 概率风险发展历史
• 1.4.2 岩土工程中的概率风险分析
• 1.4.3 大坝安全的概率风险分析
• 1.4.4 堤防工程的概率风险分析
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 堤防失事风险分析模型和理论
• 2.1 概述
• 2.2 堤防失事模式分析
• 2.2.1 研究目的和意义
• 2.2.2 堤防失事破坏类型分析
• 2.2.3 堤防失事模式分析
• 2.2.4 堤防失事模式分级
• 2.3 单元堤段分项失事风险率计算模型
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 风险率计算模型构建基本理论
• 2.3.3 单元堤段水文失事风险分析模型
• 2.3.4 单元堤段渗透破坏风险率计算模型
• 2.3.5 单元堤段岸坡失稳风险率计算模型
• 2.3.6 单元堤段地震险情风险率计算模型
• 2.4 单元堤段分项失事风险率模型的计算说明
• 2.4.1 洪水位概率密度函数f（h）
• 2.4.2 风险率计算结果表述
• 2.4.3 计算模型中的积分处理方法
• 2.4.4 标准差估计
• 2.5 单元堤段综合失事风险率
• 2.5.1 系统失效概率解析解
• 2.5.2 单元堤段综合失事风险率界限估计
• 2.5.3 单元堤段综合失事风险率近似估计
• 2.6 堤防系统综合失事风险率
• 2.6.1 堤防系统综合失事风险率基本计算式
• 2.6.2 单元堤段失事事件间的相关系数
• 2.6.3 堤防系统综合失事风险率计算步骤
• 2.7 堤防系统失事风险评价
• 2.7.1 失事后果估算
• 2.7.2 堤防系统失事风险评价
• 2.7.3 风险计算成果表述说明
• 2.8 超标洪水下堤防系统失事风险
• 2.8.1 超标洪水概念
• 2.8.2 超标洪水下堤防系统失事风险
• 2.9 本章小结
• 第三章 堤防失事风险率计算方法和程序研究
• 3.1 相关情况下Monte Carlo抽样法
• 3.1.1 Monte Carlo法简介
• 3.1.2 Monte Carlo法使用中存在的问题
• 3.1.3 相关情况下的Monte Carlo抽样
• 3.2 求解失效概率的扩展几何法
• 3.2.1 问题的提出
• 3.2.2 可靠指标的几何含义
• 3.2.3 扩展几何法
• 3.2.4 程序与算例分析
• 3.3 与扩展几何法相结合的响应面方法
• 3.3.1 问题的提出
• 3.3.2 与扩展几何法相结合的二次多项式序列响应面法
• 3.3.3 程序与算例分析
• 3.4 单元堤段分项失事模式条件失事概率计算方法
• 3.4.1 渗透破坏失事模式的条件失事概率
• 3.4.2 静力条件下岸坡失稳模式的条件失事概率
• 3.4.3 地震条件下岸坡地震失稳模式的条件失事概率
• 3.5 堤防失事风险率计算程序LeveeRisk开发
• 3.5.1 LeveeRisk程序开发基础
• 3.5.2 LeveeRisk程序主要功能简介
• 3.5.3 LeveeRisk程序流程
• 3.6 本章小结
• 第四章 典型堤防失事风险分析和容许风险研究——以南京市板桥河左岸堤防为例
• 4.1 工程概况和计算模型
• 4.2 分项失事模式失事风险率计算及其临界值建立
• 4.2.1 计算参数说明
• 4.2.2 洪水位概率密度函数和场地地震发生率
• 4.2.3 水文失事风险率
• 4.2.4 渗透破坏失事风险率
• 4.2.5 岸坡滑动失稳风险率
• 4.2.6 地震液化风险率
• 4.2.7 堤防综合失事风险率及其临界值
• 4.2.8 风险率计算成果分析
• 4.3 堤防失事风险估算
• 4.3.1 板桥河堤防失事经济损失估计
• 4.3.2 板桥河堤防失事风险估算
• 4.4 板桥河堤防失事风险管理探讨和容许风险建立
• 4.4.1 堤防风险管理的概念
• 4.4.2 降低风险措施
• 4.4.3 板桥河堤防容许风险研究
• 4.4.4 板桥河堤防汛期洪水位运行建议
• 4.5 本章小结
• 第五章 超标准洪水下典型堤防失事风险分析——以外秦淮河堤防为例
• 5.1 工程概况和研究背景
• 5.2 水文失事风险率估算
• 5.2.1 洪水位频率曲线统计分析
• 5.2.2 洪水漫溢失事风险率
• 5.2.3 洪水漫顶失事风险率
• 5.2.4 水文失事风险率
• 5.2.5 水文失事风险率分析结论
• 5.3 超标准洪水下外秦淮河堤防失事风险率估算
• 5.3.1 超标洪水下堤防失事风险率估算
• 5.3.2 综合失事风险率与洪水位关系曲线分析
• 5.4 外秦淮河堤防汛期运行管理建议
• 5.5 本章小结
• 第六章 防渗土工膜对堤防安全性影响研究
• 6.1 概述
• 6.2 防渗土工膜设置对堤防稳定性影响——确定性分析角度
• 6.2.1 计算假定与计算条件
• 6.2.2 岸坡饱水工况下堤防稳定性
• 6.2.3 退水过程堤防稳定性分析计算
• 6.2.4 确定性计算分析结论
• 6.3 防渗土工膜设置对堤防稳定性影响——不确定性分析角度
• 6.3.1 计算条件与工况设计
• 6.3.2 渗透破坏失事风险率
• 6.3.3 岸坡滑动失稳风险率
• 6.3.4 不确定性计算分析结论
• 6.4 防渗土工膜在外秦淮河整治工程中应用的建议
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介、攻博期间发表论文和科研实践