考虑停工和填筑强度不确定性的高堆石坝施工度汛风险预测方法与流程

本发明涉及捕水利水电工程领域，尤其是一种考虑停工和填筑强度不确定性的高堆石坝施工度汛风险预测方法。

背景技术：

水利水电工程施工度汛风险精确预测是挡水建筑物防洪标准合理确定的基础，是确保大坝汛期安全经济施工的关键。随着我国水电工程建设重心逐步向西南、西北地区转移，一系列200m级以上高堆石坝工程相继开工建设。高堆石坝以其施工经济简便、对地质条件适应性强等优点成为高坝建设中的主流坝型且发展势头迅速。

高堆石坝填筑方量大，其施工周期长往往要应对多年汛期，因而其施工度汛风险与坝体施工进度，相互制约影响。填筑高程作为导流风险预测中的重要控制变量之一，工程实践中常常受到降雨停工、工序衔人员机械工作效率等因素的影响，导致填筑实际高程偏离计划高程，使挡水高程最终是否达到计划高程存在不确定性。

高堆石坝中后期施工度汛阶段，坝体填筑高程超过围堰堰顶高程后，坝体临时断面作为挡水建筑物。常规的初期导流风险预测方法将围堰或大坝挡水高程视为常量，适用范围有限；现有的高堆石坝度汛风险预测方法根据施工进度计划下的不同挡水高程逐月计算，又未能考虑降雨停工、施工强度等影响高程的随机因素，预测结果存在一定误差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑停工和填筑强度不确定性的高堆石坝施工度汛风险预测方法，可以解决未考虑降雨停工、施工强度等影响高程的随机因素的问题，大幅度提高了高堆石坝施工中期导流度汛风险的预测精度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种考虑停工和填筑强度不确定性的高堆石坝施工度汛风险预测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：引入停工天数和填筑强度两个变量，构建高堆石坝填筑高程仿真模型表达如下：

式中，gn为第n个月坝体填筑高程；g0为模型计算起始填筑高程；di为第i个月的自然天数；di为第i个月的停工天数；tj为第j个填筑区的工作时间；h为填筑区铺土厚度；w为填筑区面积；qj为第j个填筑区的填筑强度；每g米高程划分m个填筑区；

步骤2：统计坝址历史多年汛期日降雨量和降雨天数，依据高堆石坝因雨停工天数标准，得到多年汛期月停工天数di序列，拟合其得到各月停工天数函数分布。

步骤3：将填筑强度qj视为随机变量，根据当前工程建设面貌和施工组织设计中推荐机械配置方案，结合坝体分期填筑规划强度得到填筑方量序列，根据该序列推导出汛期堆石料填筑强度分布。

步骤4：确定模拟次数n，基于洪水p-iii分布和导流建筑物泄流能力服从三角分布，随机生成洪峰随机数、泄流能力系数随机数，根据水库水位流量关系曲线，调洪演算得到月坝前最高水位序列hn。

步骤5：根据停工天数分布和填筑强度分布，随机模拟得到月停工天数和各区堆石料填筑强度，根据式(1)，得到坝体挡水断面填筑高程序列gn。

步骤6：统计坝前最高水位序列hn超过坝体挡水断面高程的次数m，计算高堆石坝中期导流风险率，风险率计算式为：风险率＝m/n，对高堆石坝施工度汛风险进行预测。

步骤1构建的高堆石坝填筑高程仿真模型满足以下假设：

假设1：根据填筑材料之间接触面是否需要骑缝碾压来划分填筑区，将每个填筑区看作一个实体，再将填筑区分为若干个填筑子区，将其视作子实体，坝体填筑采用相邻坝段平行上升填筑方式，施工机械及人员已按标准确定，上坝强度和填筑强度均满足相应施工规范约束；

假设2：坝体填筑高程的随机性主要由降雨和填筑强度的不确定性决定；

假设3：假设坝体每g米高程划分m个填筑区，坝体填筑系统考虑各个填筑区之间存在高差约束，同时近似认为各工作面施工方式、流水节拍与步距均相同；

假设4：将填筑区内各个子填筑区铺土厚度总和看作填筑区的层厚；每个填筑区施工顺序，取决于对应每个填筑子区的具体施工，因而，各个填筑区填筑状态的转变取决于相应填筑子区之间的施工先后关系。

步骤2中，假定每月日降雨发生时间、降雨量相互独立。

本发明提供的考虑停工和填筑强度不确定性的高堆石坝施工度汛风险预测方法，有益效果如下：

1、根据高堆石坝施工因雨停工特点，考虑施工填筑区强度和日降雨量随机分布，构建了大坝临时断面高程仿真模拟方法，较为真实反映了大坝在施工度汛过程中，挡水高程动态变化对度汛风险预测的影响，避免将填筑高程视为常量带来对度汛风险率计算准确性的降低，大幅度提高了高堆石坝施工中期导流度汛风险的预测精度。

2、与已有的预测方法相比，本发明的预测方法使用范围更广，不仅适用于高堆石坝施工初期导流围堰(堆石围堰)挡水阶段，也适用于大坝施工中后期坝体临时断面挡水阶段。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例二中考虑停工和填筑强度不确定性的高堆石坝施工度汛风险预测方法流程图；

图2为本发明实施例二中高堆石坝月因雨停工天数分布函数图；

图3为本发明实施例二中水库水位-流量关系曲线图；

图4为本发明实施例二中考虑停工和填筑强度不确定的风险预测方法与填筑高程为定值的预测方法计算结果对比图。

具体实施方式

实施例一：

一种考虑停工和填筑强度不确定性的高堆石坝施工度汛风险预测方法，预测方法流程如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1：引入停工天数和填筑强度两个变量，构建高堆石坝填筑高程仿真模型表达如下：

式中，gn为第n个月坝体填筑高程；g0为模型计算起始填筑高程；di为第i个月的自然天数；di为第i个月的停工天数；tj为第j个填筑区的工作时间；h为填筑区铺土厚度；w为填筑区面积；qj为第j个填筑区的填筑强度；每g米高程划分m个填筑区；

步骤1中，填筑区铺土厚度h和填筑面积w，g和填筑区个数m均为已知量。

步骤2：统计坝址历史多年汛期日降雨量和降雨天数，依据高堆石坝因雨停工天数标准，得到多年汛期月停工天数di序列，拟合其得到各月停工天数函数分布；

步骤2得到各月停工天数函数分布的步骤为：

步骤2-1：假定月内日降雨发生时间、降雨量相互独立，假定出现降雨时采取保护措施及土料翻晒时间一定，依据施工规范中的堆石坝因雨停工天数标准，对降雨天数和停工天数进行统计。堆石坝因雨停工天数标准如表1所示：

表1堆石坝坝体因雨停工天数标准

步骤2-2：由于降雨量存在正态性，本实施例假设每月停工天数服从正态分布，根据统计的停工天数进行参数拟合。

步骤3：将填筑强度qj视为随机变量，根据当前工程建设面貌和施工组织设计中推荐机械配置方案，结合坝体分期填筑规划强度得到填筑方量序列，根据该序列推导出汛期堆石料填筑强度分布。

步骤4：确定模拟次数n，基于洪水p-iii分布和导流建筑物泄流能力服从三角分布，随机生成洪峰随机数、泄流能力系数随机数，根据水库水位流量关系曲线，调洪演算得到月坝前最高水位序列hn。

步骤5：根据停工天数分布和填筑强度分布，随机模拟得到月停工天数和各区堆石料填筑强度；根据式(1)，得到坝体挡水断面填筑高程序列gn。

步骤6：统计坝前最高水位序列hn超过坝体挡水断面高程的次数m，计算高堆石坝中期导流风险率，风险率计算式为：风险率＝m/n，对高堆石坝施工度汛风险进行预测。

步骤6中，风险率计算原理如式(2)所示：

pn＝prob(hn≥gn-1|gn-1<g^*)(2)

式中，pn为高堆石坝主汛期第n个月的导流风险；hn为随机模拟得到的坝前最高水位；gn-1为上月底的大坝挡水填筑高程；g^*为大坝设计高程。

实施例二(实例分析)：

西南流域某高心墙堆石坝工程，坝顶高程821.5m，最大坝高261.5m，中后期(主体工程施工期第3年6月～第5年10月)导流采用坝体临时断面挡水，标准取上限200年一遇相应的设计流量为22000m³/s，对应设计水位为672.69m。由于大坝中期导流的第1个汛期挡水高程相对较低，施工洪水超标的可能性大，该时段对坝体填筑速度和工期要求较高，为此，主要对该时段(第3年6月～第3年10月)的度汛风险进行预测。

步骤1：引入停工天数和填筑强度两个变量，构建高堆石坝填筑高程仿真模型，如式(1)所示。

步骤1中，填筑区铺土厚度h＝0.5m，填筑面积w根据工作面长宽计算，工作面长度和宽度随着高程上升，在60m至100m变化。坝体采用全断面平行上升，每g＝5m高程划分m＝3个填筑区。

步骤2：统计坝址历史多年汛期日降雨量和降雨天数，依据高堆石坝因雨停工天数标准，得到多年汛期月停工天数di序列，拟合其得到各月停工天数函数分布。

具体过程为：

根据1990-2010年坝址处降雨资料，得到各月日降雨量统计如表2。考虑工程实际情况，并结合堆石坝坝体因雨停工天数标准表1进行参考。考虑在发生土料翻晒及其他临时处理情况下产生停工状况，初步假设当降雨量为20～30mm时发生停工1天，超过30mm时停工1.5天这两种情况，假定每自然月平均实际工作时间为30天，由于降雨量存在正态性，令每月停工天数服从正态分布，对分布参数进行拟合，得到停工天数和有效施工天数分布参数如表3，其中停工天数分布函数如图2所示。通过假设检验，计算结果验证模型合理。

表21990～2010年汛期各月日降雨量统计

表3高堆石坝汛期停工天数和有效施工天数分布参数

步骤3：将填筑强度qj视为随机变量，根据当前工程建设面貌和施工组织设计中推荐机械配置方案，结合坝体分期填筑规划强度得到填筑方量序列，根据该序列推导出汛期堆石料填筑强度分布。

具体过程为：

选取对数、指数、均匀和正态分布对数据进行分布拟合。其中指数分布较好地描述了该时间段的施工强度分布特点，其概率密度函数如式(3)所示：

式中，fq(·)为日施工强度概率密度函数；q为大坝填筑区的填筑强度，m³/日。

步骤4：确定模拟次数n，基于洪水p-iii分布和导流建筑物泄流能力服从三角分布，随机生成洪峰随机数、泄流能力系数随机数，根据水库水位流量关系曲线，调洪演算得到月坝前最高水位序列hn。

模拟次数设置为10000次。洪峰服从p-iii分布，其参数为：均值μx＝7700m³/s、离差系数cv＝0.28、偏态系数cs＝0.07；泄流能力服从三角分布，其随机参数的上、中、下限值分别取0.97、1.00、1.05。水库水位-流量关系曲线如图3所示，经调洪演算后，随机模拟得到5组10000个最高水位值。

步骤5：根据停工天数分布和填筑强度分布，随机模拟得到月停工天数和各区堆石料填筑强度。根据式(1)，得到坝体挡水断面填筑高程序列gn；

其中，6-10月分别对应5个正态分布函数，如图2所示。填筑强度分布如式(3)，模拟次数为10000次，得到5组10000个填筑高程值。

步骤6：统计坝前最高水位序列hn超过坝体挡水断面高程的次数m，计算高堆石坝中期导流风险率，风险率计算式为：风险率＝m/n，完成高堆石坝施工度汛风险的预测。

以不考虑停工和填筑强度不确定性的现有方法，令挡水填筑高程为定值，即设计挡水标准672m，计算度汛风险率。两种方法风险预测结果的对比如图4所示。

由图4可知，当考虑挡水填筑高程为定值时，风险率明显偏低，且各月风险率没有显著差别，这不符合大坝度汛风险的时间(月份)-空间(填筑高程)动态特性。由于现有没有考虑度汛前期(6月、7月)大坝填筑高程较低的情况，风险预测结果过低容易造成坝体施工前期设计标准过低，导致遭遇超标洪水引起漫坝事故。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。