浅论堤防工程风险分析理论和实践研究

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1、河海大学博士学位论文堤防工程风险分析理论和实践研究姓名：邢万波申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：徐卫亚20060601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

2、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：LevelI：水文失事模式和结构失事模式；LevelII：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：LevelIII：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

3、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例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

4、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；分析了堤防失事后河海大掌博士论文果估算方法，建立了堤防系统失事风险的评价方法，并对堤防系统失事风险表述进行了必要说明；定义了超标洪水的概念，并给出了超标

5、洪水下堤防系统失事风险的计算方法。(4)指出了MonteCarlo抽样法在实际工程中容易出现的误用，并给出了相关情况下的MonteCarlo抽样求解步骤；对传统求解可靠指标的几何法进行改进，提出了相关情况下非正态随机变量的扩展几何法求解可靠指标和失效概率的求解步骤，并设计程序进行验证；同时将扩展几何法与二次多项式序列响应面法相结合，并给出了其求解可靠指标和失效概率的求解步骤，并设计程序进行验证。(5)针对单元堤段分项失事模式的特点，分别提出并建立了适合于单元堤段分项失事模式条件失事概率的计算方法；提出基于与扩展几何法相结合的响应面法形成响应面随机渗流有限元

6、来计算渗透破坏失事条件概率的程序流程；指出临界概率滑面与临界确定性滑面的区别，给出了一种实用高效的岸坡失稳模式的条件失事概率计算方法，该方法可同时求解得到临界概率滑面及其相应可靠指标以“最后，基于所建立的堤防工程单元堤段失事风险率计算模型，以及所提出的单元堤段分项失事模式条件失事概率的计算方法，研制开发了堤防工程单元堤段失事风险率计算程序Levee鼬sk。(6)结合板桥河左岸堤防加固工程，基于所提出和建立的风险分析理论、方法和程序，分别对板桥河左岸堤防失事风险率和失事风险进行了计算估算；根据1995年破圩实例，对板桥河左岸堤防失事风险进行了分析，并建立起板

7、桥河堤防失事风险率和风险的临界值和容许值，对外板桥河左岸堤防工程具有重要意义，对同类工程具有重要参考价值；同时，提出堤防风险管理理念，并针对板桥河左岸堤防提出了降低风险措施，并对堤防汛期洪水位运行管理提出了建议。(7)结合南京市外秦淮河整治工程，放弃传统的水位频率曲线线型，根据实测日洪水系列资料采用频率统计分析确定了外秦淮河堤防潮位频率曲线的线型和分布；然后计算分析了外秦淮河堤防综合失事风险率以及超标准洪水下堤防失事风险率；并基于分析成果，对外秦淮河堤防汛期管理提出了若干建议。．(8)以外秦淮河河道整治工程为背景，分别从确定性分析角度和概率风险的不确定性分

8、析角度，就临水面设置防渗土工膜对堤防稳定性影响的利弊问题进行了探讨