（市政工程专业论文）基于可靠性的城镇防洪水力计算的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着城市化的发展，人民群众生活水平的不断提高，人们对水环境的要 求也越来越高，城市河道的综合功能已经发生了变化，不仅要发挥防洪、排 涝、蓄水、航行等基本功能，还需要具有生态、景观、休闲、旅游等功能。 在城市河道断面形态规划设计上，既要注重河道防洪排水的功能要求，又要 体现城市生态环境和城市景观的要求。而河道整治首先要面临的问题，就是 城镇防洪的水力计算。 本论文通过分析现有的水力计算方法包括洪水设计流量的计算和河道 断面尺寸的计算，认为小流域城镇多功能河道的水力计算是存在问题的，即： 具有防洪和排水双重功能河道的设计流量计算，按防洪为主和按排水为主两 种计算结果差别较大，而且都没有考虑到水力计算中的诸多不确定性因素， 防洪可靠性较低。 本论文将可靠性理论应用到河道防洪的水力计算中，对各种不确定性因 素进行了概率分析并加以量化，建立了一种基于可靠性的水力计算模型。采 用验算点法、基于优化原理的蒙特卡罗法两种计算方法，以实例分析了彭州 市区河道各主断面的防洪可靠度，并采用界限估计法估计出整个河道体系的 可靠度，计算结果显示了现有的用定值设计法设计的河道排洪可靠性低的结 论。又根据城市防洪标准定出了河道概率极限状态设计的目标可靠指标值， 并计算出与之相对应的分项系数，最后举例运用目标可靠指标和分项系数表 达式两种方法进行了河道的概率极限状态水力计算，验证了该可靠性水力计 算模型的可用性。 关键词排洪河道；水力计算；可靠性；概率极限状态 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t c a u s eo f t h ea d v a n c eo fu r b a n i z a t i o na n dt h ep r o m o t i o no f1 i f e s t a n d a r d ，p e o p l ec l a i mh i g h e rq u a l i t yo ft h ew a t e rc i r c u m s t a n c e s t h e i n t e g r a t e df u n c t i o no fc i t yw a t e r c o u r s e sc h a n g e s n o to n l yt h eb a s i c f u n c t i o n sa sf l o o dp r e v e n t i o n ，w a t e rd r a i n a g e ，s t o r a g ea n ds h i p c a n a l ， b u ta l s oe c o l o g i c a l ，l a n d s c a p e d ，r e s t e da n dr e s o r t i n gf u n c t i o n sa r e d e m a n d e d b o t hb a s i ca n da d d i t i o n a lf u n c t i o n ss h o u l db ec o n s i d e r e d w h e ns c h e m i n gt h et o w nc h a n n e ls e c t i o n s c a l c u l a t i n ga n dd e s i g n i n g t h ef l o wr a t ei st h ef i r s t i s s u eo fc h a n n e l r e n o v a t i o n t h ec u r r e n tm e t h o d so fh y d r a u l i cc a l c u l a t i o ni n c l u d e d e s i g n c a l c u l a t i o no ff l o wr a t ea n dd i m e n s i o n sc a l c u l a t i o no fc i t yc h a n n e l s a r ea n a l y z e di nt h i st h e s i s i ti sd e m o n s t r a t i v eo fp r o b l e mt h a ti s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l to ft h em e t h o dr e g a r d e df l o o dp r e v e n t i o na st h e m a i nf u n c t i o ni sd i f f e r e n tf r o mt h er e s u l to ft h em e t h o dr e g a r d e d d r a i n a g e a st h em a i n f u n c t i o n w h e nt h et o w nc h a n n e lh a sf l o o d p r e v e n t i o na n dd r a i n a g e f u n c t i o n si nt h eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o n m e t h o d so fs m a l lb a s i nt o w nc h a n n e l a n dm a n yu n c e r t a i nf a c t o r so f t h eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o na r en o tc o n s i d e r e di nb o t ho ft h et w o m e t h o d s t h er e l i a b i l i t yt h e o r yi su s e dt oa n a l y z ea n dq u a n t i f yt h e s e u n c e r t a i n t yf a c t o r s ，a n dah y d r a u li cc a l c u l a t i o nm o d e lb a s e do n r e l i a b i l i t yh a sb e e nb u i l tu pi nt h i st h e s i s t h e nt oad e s i g ne x a m p l e a st h et o w nw a t e r c o u r s ei np e n g z h o uc i t y ，j cm e t h o d ，a n dm o n t e c a r l o m e t h o da r ea d o p t e dt oc a l c u l a t et h er e l i a b i l i t yo fe v e r ym a i ns e c t i o n o ft h ew a t e r c o u r s e ，b o u n de s t i m a t i o nm e t h o di sa d o p t e dt oc a l c u l a t e t h er e l i a b i l i t yo ft h ew h o l ew a t e r c o u r s es y s t e m t h er e s u l to f c a l c u l a t i o ns h o w st h a t t h er e l i a b i l i t yo ft h ew a t e r c o u r s ed e s i g n e d w i t hd e f i n i t ev a l u ed e s i g nm e t h o di sl o w t h e nt h e r e li a b l et a r g e t i n d e xo ft h ec h a n n e lp r o b a b i l i t yl i m i td e s i g ni sp u tf o r w a r d ，a n dt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 p a r t i a lf a c t o r so fc o r r e s p o n d i n gt ot h e ma r ec a l c u l a t e d f i n a l l y ，t h e p r o b a b i l i t yl i m i ts t a t eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o no fw a t e r c o u r s ei s c a r r i e do nw i t he x p e c t e dr e l i a b i l i t yi n d e xm e t h o da n dp a r t i a lf a c t o r e x p r e s s i o nm e t h o df o re x a m p l e ，a n dt h eu s a b i l i t yo ft h i sm o d e lh a s b e e nt e s t e d k e yw o r d sf l o o d r e l i e fc h a n n e l ：h y d r a u l i cc a l c u l a t i o n ；r e l i a b i l i t y ： p r o b a b i l i t yl i m i ts t a t e 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密留，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：乎、锺 日期：工p 口7 d 午f 乎 指导老师签名： 观殄幻 日期：卅牛，少 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声由：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弦，秀 日期：如d 9 年口钥件日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 自古以来，人类喜欢近水而居，临江湖之滨而筑城，这是人崇尚山水 的天性。“水是人类文明的一面镜子”，折射出人类生活方式的文明n 3 。随 着人民群众生活水平的不断提高，人们对水环境的要求也越来越高，城市 河道不仅要发挥防洪、排涝、蓄水、航行等基本功能，还需要具有生态、 景观、休闲、旅游等功能心1 。 城镇河道功能的多样化，使河道综合整治已从单纯的工程水利向资源 水利、生态水利方向转变，从单纯的以防洪为主向防洪、治污、环境美化、 生态保护的多功能综合效益转变。在城市的形成和发展中如何解决水利和 水害的矛盾，始终是一重要问题，它关系到城市的兴盛和衰败。城市河道 防洪设计中最主要的问题，就是计算洪水设计流量和河道断面设计。 国内外虽然已经有各种计算洪水设计流量的方法，但是，在这各种计 算洪水设计流量的方法中，又各有其适用性h 1 。对于城镇的这种小规模多 功能性河道的设计流量计算，本论文认为是存在问题的。具有防洪和排水 双重功能的城市河道，采用按防洪为主的水利部门提出的小流域设计洪水 计算推理公式法和按排水为主采用市政部门提出的排水排涝流量计算公 式法，两种计算结果的差别较大。 另外，城市洪水灾害还受诸多因素的影响，而其中多数因素存在有明 显的不确定性( 即包括事物本身的随机性，也包括现有资料的不完备性和 主观认识上的模糊性) ，表现在洪灾的形成和发展过程并非是确定的，很 难作出准确的预报特别是长期预报，洪水出现的频率及模型的不确定性， 水文计算的误差，无洪水观测资料推算设计洪水的误差等诸多因素口3 。河 道断面计算中也存在材料性能、几何尺寸及计算模式等多方面的不确定 性。 洪水和洪灾的形成和发展过程非常复杂，是由众多自然因素和非自然 的人为因素共同作用的结果，每个因素又分别有各自的时空分布过程，其 遭遇组合几乎可以有无限的可能性，使洪灾具有明显的不确定性哺1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 现有的城镇防洪水力计算方法包括各种设计流量的计算和河道断面 尺寸的计算，都采用定值设计法，无法细致考虑其中涉及到的诸多不确定 性因素，抗御灾害的可靠性较差。 在许多工程结构( 如建筑、桥梁、铁路、公路、港口、水利水电) 的 设计都采用以可靠性理论为基础以分项系数表达的概率极限状态设计法 来设计晦1 。在城镇防洪的水力计算中也应把这些不确定性因素看作是随机 变量，运用基于可靠性理论的概率极限状态设计法来设计。 将可靠度理论应该运用在目前的河道综合整治断面优化设计中，采用 基于可靠性的概率极限状态法设计，这样才不至于出现城市化高度发展， 而河道防洪的可靠性却相对降低的问题。 因此，随着城市化的发展，在城市河道综合功能转变之后，针对目前 城镇小流域河道防洪的水力计算没有适用统一规范且仍都采用定值设计 法的现状，在城镇河道防洪设计的水力计算中引入可靠性的概念，研究水 力计算中各因素的不确定性，建立一种基于可靠性理论的设计方法是十分 必要的，也是完全可行的，是具有理论和实际意义的。 1 2 国内外研究现状 我国自新中国成立以来，设计洪水计算有了较大的发展，特别是我国 设计洪水计算规范的编制与修订，已形成比较完整的分析方法阳 。但这些 方法随着城市化发展及城市河道功能的转变，已逐步不适应。在城市河道 断面尺寸计算上，仍是按明渠均匀流排水公式来进行计算。在防洪水力计 算中包括设计洪水计算和河道断面尺寸计算，国内外通常都是采用定值设 计方法，考虑的因素不够全面。 在洪水计算方法方面，推理公式法自1 9 世纪摩尔凡尼提出后，应用 迄今已有百年历史，广泛应用于计算小流域设计洪峰流量。它是一种由暴 雨推求设计洪水流量的方法，认为流域出口断面处形成最大流量，是降落 在流域上的暴雨经过产流和汇流两个阶段演变的结果。重点分析暴雨强 度、暴雨损失和流域汇流对洪峰流量影响，由于对暴雨、产流、汇流的处 理方式不同，形成了多种形式的推理方式埔1 。前苏联列宁格勒公用事业研 究院在1 9 4 8 年提出空隙容积利用法的计算。日本板仓诚教授于1 9 5 2 年和 1 9 5 5 年提出滞流式计算法。1 9 6 0 年t h o l i n 与k e i f e r 又提出芝加哥水文 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 过程线法。 在国际方面，有关防洪工程水力计算可靠度的研究成果如下。 1 9 6 9 年，o t t op f a s t e t t e 在论述溢洪道设计的经济问题时，就提出 大坝失事风险应由大坝失事概率和失事后果来确定。 1 9 7 2 年，w h t a n g 和b c y e n 首次提出了综合风险的概念，即同时 考虑洪水及泄流不确定性，计算了排水涵洞的风险，虽然在计算过程中采 用了简化手段，但在方法上却向前迈进了重要的一步。 1 9 8 2 年，s t c h e n g ，b c y e n 和w h t a n g 在考虑了水文、水力两方 面的不确定性情况下，估计了漫坝风险，并对风险标准做了进一步的研究。 1 9 9 0 年，a a f s h a r ，m a m a r i n o 在总结前人研究成果的基础上，阐 述了利用风险分析设计溢洪道最优泄流能力的方法。 国内有关防洪工程水力计算可靠度的研究成果如下。 1 9 8 8 年，郭子中、徐祖信分析了开敞式溢洪道水力设计中的各种不 确定性，提出了开敝式溢洪道泄洪风险的计算模型，首次将结构可靠度计 算中广泛采用的j c 法用于泄洪风险的计算。 1 9 9 1 年1 月，金明探讨了水力不确定性及其在防洪泄洪风险分析中 的影响，指出仅仅考虑水文风险会低估防洪泄洪系统的全面风险。 1 9 9 6 年，刘成文，张凤芝分析了输水渠道水力特性对水文和水力不 确定性的敏感性，表明了系统水力特性的变差系数对曼宁水力摩阻和渠底 坡降的敏感性为低，对明渠横断面及植物蒸发蒸腾的敏感性为高。对灌溉 渠系水流的统计特性有了初步的认识，并且描述了参数的统计时空变化性 数据的相对数值。 2 0 0 0 年4 月，吴时强、吴修峰、徐世凯、姜树海基于随机微分方程 的堤防设计风险分析方法，指出了用可靠度来设计堤防高程，可最有效地 发挥工程的防洪作用。 2 0 0 2 年6 月，张子贤对溢洪道泄洪的可靠性进行了初步研究，计算 和分析表明，使用现行水力设计方法，当发生设计洪水位时，溢洪道宣泄 设计流量的可靠性不高。 2 0 0 2 年9 月，胡志根、刘全、贺昌海等运用蒙特卡罗方法模拟施工 洪水入库过程和导流建筑物泄流的随机性，通过仿真分析确定上游围堰前 水位变化过程及其分布函数。 2 0 0 3 年，郭绍光，梁扬武针对我国尚无城区暴雨洪水计算方法规范 的问题，结合城区的特点，通过分析水利、市政部门的暴雨洪水计算公式， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 探讨性的提出了一种城区小流域暴雨洪水定值计算方法。 2 0 0 6 年，郭瑞，禹华谦将工程结构可靠性理论引入了雨水管道中， 提出了雨水管道的概率极限状态水力计算方法，给出了目标可靠指标建议 值，并计算出与之相对应的分项系数，形成了基于可靠性的以分项系数表 达的概率极限状态水力计算公式。 2 0 0 6 年，刘健，曹升乐对城市防洪标准进行了模糊优选的研究。 我国对结构可靠度理论研究始于2 0 世纪5 0 年代，曾讨论了数理统计 方法在结构设计中的应用问题，6 0 年代又提出用二阶矩模式分析结构的 安全系数7 1 。 而国内开展水利工程防洪可靠性的研究是2 0 世纪8 0 年代才开始的， 尽管如此也取得了一批成果。水利工程防洪可靠性研究包括：抗力和作 用的随机性研究：洪水的随机分布规律和分布参数的确定，p m f 值的估算 及其对应的重现期研究，泄流能力及其影响因素的随机性研究，库容不确 定性研究。可靠度模型与计算方法研究：可靠度模型的建立，可靠度的 计算方法和数值计算手段。灵敏度分析：即各种因素对可靠度影响程度 的分析。可靠度标准的研究：确定恰当的可靠度标准，使其既能被社会 所接受，又具有较好的经济效益。系统分析和事故树分析研究n 训。 防洪工程方面的可靠性研究晚于结构可靠性研究，主要是由于水利工 程防洪系统涉及的自然因素较多，无法通过人工试验测验其随机性，受历 史资料限制，不易获得其随机性规律，而且变量之间多为非线性、非解析 函数关系，系统内部关系复杂，难以用数学模型精确描述，但在借鉴结构 可靠性研究成果的基础上，经过许多研究人员的努力，水利工程防洪研究 取得了明显的进展。1 9 9 1 年召开的国际水利学研究协会大会上还专门召 开关于可靠性和风险分析的讨论会，极大地促进了这一领域研究的发展。 在基于可靠性的概率极限状态设计法成功而广泛应用的今天，河道防 洪水力计算仍然是定值设计法，本文将在城镇河道防洪水力计算的可靠性 方面进行初步的探讨，对水力计算中的不确定性因素及可靠度模型进行研 究。在城镇防洪水力计算的可靠度计算模型及概率极限状态设计方法上争 取一定的突破。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 主要工作与技术路线 1 3 1 课题拟采取的研究方法 本课题采用理论分析与计算机编程想结合的方法：通过资料调研，掌 握可靠性及城镇河道防洪水力计算的研究现状；理论分析水力计算中防洪 设计流量及河道断面排洪能力公式的基本参数、假定条件和使用范围，分 析影响水力计算的各种不确定因素。并通过研究，建立一种以可靠性理论 为基础的计算方法及模型，通过计算机编程计算可靠度。最后引入工程实 例，证明运用可靠性设计方法的可行性及优越性。 1 3 2 课题的技术路线 洪水设计；赢量的 不确定性研究 j 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章城市河道设计方法 2 1 城镇河道的功能 早期的城市一般是随着政治、军事和商业的需要发展起来的，由于供 水和航运等方面的要求，大多数城市都临近河流、湖泊、海滨，为供水和 航运提供了便利，但也遭受洪水威胁n 1 3 。 流经城市的河道造成的洪水习惯上称为河洪。河流流域上游突降暴 雨、冰雪迅速融化、堤坝溃决以及河冰阻塞河道等均可形成洪水，习惯上 把这些江河洪水分别称为暴雨洪水、融雪洪水、溃坝洪水和凌汛。其中以 暴雨洪水最为常见，本文主要分析暴雨洪水。流域降雨情况、地质地貌和 下垫面条件等都是影响暴雨洪水的主要因素。 随着城市入口的增加，经济的迅速发展和现代水平的不断提高，现在 的城镇河道已不仅只是具有防洪、供、排水和航运的简单功能，还要兼具 生态、景观、休闲、旅游等多种功能。由于城市河道功能的转变，有的河 道就以排洪为重点，有的河道就以防洪为重点，如岷江对成都来说就是以 防洪为首要任务；彭州市的白土河就是以防洪为重点；各排洪沟就是以排 洪为主。他们的设计标准就不一样，水力计算方法也不一样。 城镇河道综合功能的扩展及城市的发展使河道防洪这一首要功能出 现一系列新的特点： ( 1 ) 城市河道防洪安全对经济发展和社会稳定的影响不断扩大； ( 2 ) 城市分布由分散的点向线和面发展，城市界限逐步消失，城市河 道防洪由局部点的保护，逐步扩大到城市群和面的保护； ( 3 ) 城市化水文效应的不多增强，市区内洪涝水的排蓄条件不断恶化， 城镇河道防洪、排涝的任务与困难与日俱增； ( 4 ) 城市现代化对交通、供水、能源、通讯、信息系统的依赖程度 越来越大，地下交通、商业、仓储、管线网络等工程设施越来越多，保护 这些设施免于被水淹没，防止各种网络系统的局部破坏，任务日益艰巨； ( 5 ) 城市之间相互依存的关系更为密切，洪水会影响周围众多城市。 在多功能化的城市河道整治中，应以防洪功能为基础，同时兼顾其他 各种功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 城镇河道防洪设计内容与步骤 城市防洪总体规划设计内容主要包括基本资料的收集、保护范围和防 洪标准的确定、防洪措施的选择、防洪工程总体布局等。对于小流域的城 镇河道，其设计内容主要是基本资料的收集、保护范围和防洪标准的确定、 设计洪水的计算、根据设计洪水对河道控制断面进行设计等。 设计洪水是指工程规划、设计和施工所依据的一定标准的洪水。因为， 河流洪水、山洪之所以造成危害，是由于洪水流量超过河流断面的过水能 力、水位超过堤防工程的顶高、或者洪水总量超过蓄滞洪工程的蓄滞洪能 力，从而造成危害。设计洪水一般是分析计算设计洪峰流量、设计洪量和 设计洪水过程线、洪水水位。 流过城市的河流在市区具有一定的长度，各河道断面的水位、流量等 水力特征不同。为满足城市河段防洪工程的设计要求，应选定一个或几个 河流断面进行设计洪水计算，以这些断面的一定标准的洪水作为设计依 据，这些断面称为控制断面。推求设计洪水实际上是推求这些控制断面的 设计洪水。选择合适的河流断面作为控制断面，并准确地计算控制断面的 设计洪水，是防洪工程合理设计的基础。若计算的设计洪水偏大，会造成 工程投资浪费；但若计算的设计洪水偏小，则工程难以发挥预期防洪作用。 因此，对于设计洪水计算必须认真研究。最后根据计算出的设计洪水按明 渠均匀流公式进行河道的断面尺寸设计计算n 。 其主要步骤如下： ( 1 ) 基本资料的收集整理和分析； ( 2 ) 保护范围和防洪标准的确定； ( 3 ) 设计洪水的计算； ( 4 ) 根据设计洪水对河道控制断面尺寸进行设计计算。 2 3 现行河道设计流量的计算方法 对于一些中小流域，一般均无实测径流资料，雨量资料也很少。推求 这些流域的设计洪水只能通过理论推理、流域概化方法推求。况且这些中 小流域上的工程大多只对洪峰有较高的精度要求，而洪量和洪水过程线可 适当放宽。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 1 小流域设计暴雨 小流域的设计暴雨目前是通过建立暴雨历时频率关系的方法计 算的。 首先选择各统计历时的最大雨量，然后进行各历时雨量的频率分析， 即建立了雨量历时频率关系，常用暴雨公式表示。防洪设计中常用的 暴雨公式是： s f = ( 2 - 1 ) 矗 。 式中：f 历时t 的最大暴雨强度，m m h ； s 。设计频率暴雨雨力，m m h ； f 暴雨历时时间，h ； 刀暴雨衰减指数。 暴雨参数可以根据实测暴雨资料分析计算。一般各地已有各种历时的 降水量统计参数等值线图，可以用来分析计算暴雨参数。 2 3 2 设计洪峰流量的计算 当前推理公式很多，这里只介绍常用的水利科学研究院水文研究所推 理公式方法的基本原理。该方法常用于中小流域设计洪水计算中n 。 水利科学研究院水文研究所推理公式为： q = o 2 7 8 y f ( 2 - 2 ) 式中：q 频率为p 的设计洪峰流量，m 3 s ； s p 设计频率暴雨雨力，m m l h ； 露暴雨衰减指数； f 流域面积，k m 2 ： 沙洪峰径流系数； f 流域汇流时间，h 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 流域汇流时间用下式计算： r f = 0 2 7 8 - 2 _ 。( 2 3 ) v 式中：流域最远点流程，k m ； y 流域平均汇流速度，m s 。 流域平均汇流速度可用下式计算： v = m j 口q 名 ( 2 4 ) 式中：，沿流程的平均纵向坡降； 珑与河流和流域有关的汇流系数，常综合为m 一护关系( 表2 1 ) 其中9 = l j r 3 。 q 待求最大流量，聊3i s ； 仃、名反映水力特征的参数一般取盯= 1 3 、五= 1 4 。 表2 1 特小流域汇流参数1 1 1 值查用表 雨洪特性、河道特性、土壤植被条件矽= 1 1 00 = 1 0 - 3 0乡= 3 0 - 9 0 雨量丰沛的湿润山区，河床呈山区型， 0 2 0 3 0 3 0 3 5 o 3 5 o 4 大卵砾石河槽 南方、东北湿润山区，或流域内以水稻 田或优良的草皮为主，中心洪水多为矮 o 3 - 0 40 4 0 50 5 o 6 胖型 南、北方地理景观过渡区，或流域内耕 0 6 0 7 0 7 0 8 0 8 0 9 5 地较多 北方干旱地区，植被条件较差，旱作物 1 。o 1 3 1 3 1 61 6 0 1 。8 0 较多，河道呈现宽浅型 洪峰径流系数与净雨历时和流域汇流时间有关： j 6 厂- - 净雨历时按下式计算： z t c 矿t c ( 2 - 5 ) 坐钓一， 1 挖 ，jil 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 乙= 爿珈 式中：平均入渗系数，m m h 。 2 3 2 1 适用范围 该方法主要适用范围： ( 1 ) 流域面积小于5 0 0 o n 2 ； ( 2 - 6 ) ( 2 ) 全流域汇流和部分流域汇流均可使用； ( 3 ) 式中参数具有鲜明的地区性，应根据本地区的资料予以验证； ( 4 ) 不适于岩溶地区、泥石流地区和人类活动严重地区。 2 3 2 2 基本假定 。 ( 1 ) 暴雨和洪水同频率； ( 2 ) 流域上暴雨基本均匀。 2 2 2 3 计算步骤 ( 1 ) 流域参数量算。在l ：5 0 0 0 0 的地形图上标注流域边界，量算流域 集水面积f ，主河槽长度三和主河槽平均坡降，； ( 2 ) 暴雨参数查算。根据实测暴雨资料，分析暴雨参数；如当地已有 暴雨分析成果，可以直接查算暴雨参数。办与参数包括雨力s 和暴雨衰减 指数n 。 ( 3 ) 汇流参数。当有实测洪水资料时，可以根据推理公式反求汇流参 数聊，若没有实测洪水资料，可以参考表2 - 1 。有实测洪水资料时，同时 可以分析平均入渗系数。 ( 4 ) 求解以上公式组成的方程组即可估计设计洪峰流量q 。在以上公 式中有两个未知变量，即最大流量q 。和流域汇流时间z 。但方程复杂，一 般通过查算图表、试算方法和迭代方法求解。 用迭代方法求解的基本原理是从假定的流域汇流时间彳开始，代入相 应公式计算洪峰径流系数y 和洪峰流量q ，再将q 回代流域汇流时间计 算公式，计算新的流域汇流时间z ，再将新的流域汇流时间f 代入相应公 式计算洪峰径流系数i c ，和洪峰流量q ，反复计算，一直到f ( 或洪峰流量 q ) 满足精度要求时为止。为简便起见，首先根据净雨历时计算公式计 算净雨历时i 。流域汇流时间f 初值就取为净雨历时t ，即彳= t ，这时洪峰 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 汇流系数y = 以，这时即可开始迭代计算，只需3 5 次即可得到真正解。 2 3 3 城市防洪和市政排雨水工程计算方法的差别 由于城市内还有一些小型排洪河道，发育不远，属于特小流域，主要 担负的是市区排雨水的功能，径流特点就与排雨水工程计算比较相似，因 此在城镇河道设计中也有人采用市政排雨水公式来计算这类小型河道的 洪水设计流量。市政排雨水工程计算流量公式如下n 幻： q = 灼， ( 2 7 ) 式中：y 径流系数，一般市区综合采用0 5 o 8 ，郊区采用0 4 o 6 ； g 设计暴雨强度，三s 1 0 4 m 2 ； f 汇水面积，1 0 4 m 2 。 尽管城市防洪工程和市政排雨水工程其设计范围和面积均属小汇水 面积一般均在3 0 0 砌2 以下，其暴雨强度公式和雨量公式推导方法也基本相 同。但在具体问题计算及工程应用上还是有显著差别的。因此就两种公式 的不同进行比较分析。 公式的不同点： ( 1 ) 重现期含义不同，推理公式法采用年一次选样法，其反映的是年 最大洪水，有转换关系：p ( 频率) = 1 t ( a ) ；市政排水公式采用多次选样 法，设计降雨强度的推算与水利部门不同，其洪水成果与推理公式法成果 无法对比； 。 ( 2 ) 推理公式法的洪水计算成果除洪峰外，通过其净雨过程及采用“三 角形过程线法还可推求洪水过程线，而市政排水公式仅能算出洪峰； ( 3 ) 推理公式法可根据设计降雨或实测一场降雨推求洪水，且对实测 降雨系列的延长或推求短历时降雨的设计值均较简单；而市政排水公式仅 能依据各地预先编好的暴雨强度公式推求设计流量，推求暴雨强度公式又 非常繁杂，若利用以前统计分析的各城市的雨强成果又存在利用实测资料 系列短等问题n 副。 ( 4 ) 适用性不同。推理公式法主要应用于天然状况的小流域，其汇流 参数和稳渗率均依据天然小流域的降雨径流关系推求，而天然状况的汇流 与城区系统的排水差异较大，该法计算的汇流时间一般比较长，这与城市 系统排水的速度较快不符。市政排水公式其汇流与城区洪水运行相符，但 其设计洪水选取的标准与水利部门的概念差异较大，公式仅能算出洪峰流 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 量，其过程线是否同推理公式法一样还不确定。 ( 5 ) 径流系数沙值不同。反映一次降雨过程中最大暴雨和损失关系值 称为径流系数y 。在城镇防洪中，由式( 2 5 ) 可知，径流系数不仅与土壤 类别、汇水面积，、设计雨力s 。、暴雨递减指数和地形等级有关。而且 径流系数随设计重现期增加而增大。在雨水工程设计中，径流系数通常只 是按地面覆盖种类确定经验系数，或是按地区情况不同采用综合径流系 数。在排雨水工程设计计算中，径流系数不随设计标准重现期变动而改变。 城市排雨水工程与城市防洪工程比较可知城市排雨水工程汇流时间 短，暴雨强度高，径流系数大，糙率小、流速大。因此对同一块面积、同一 场降雨，雨水工程一年重现期设计洪峰流量，就相当于防洪工程重现期5 1 0 年设计洪峰流量，而雨水工程重现期5 年设计流量，则相当防洪工程重 现期2 0 年设计洪峰流量。 综上，水利部门推理公式法考虑的变量因素要比雨水工程计算考虑的 多，更接近于可靠性理论。 2 4 河道排洪能力的计算 对小流域排洪河道，排洪流量一般采用明渠均匀流公式计算： v = c 、 r i c = 尺v 6 n q = o o v 呈三 级= 聆1 ( o r 3 i 2 式中：卜平均流速，m s ； 力过水断面的糙率； 过水面积，酊； r 设计水力半径，m ； 卜底坡( 以小数计) 。 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 5 城市河道设计的特点 首先分析城镇河道的特点：汇水面积较小，属小流域河道。大部分 在1 5 o n 2 以内。防洪减灾有双重要求，既要防保护区以外( 外江) 的洪 水，又要排保护区( 内涝) 的洪水。城镇的产汇流条件发生了较大变化， 地面大量硬化，降雨入渗减少，相同降雨形成的径流量增大，且汇流时间 减短。缺少实测的水文资料，很难对洪水的合理性进行检验。 有些河道之前只是供农业灌溉用的，随着城市向周边的发展而逐渐成 为城区河道，兼顾起了市区排涝、生态、景观等功能。 因此，对于城镇小流域河道的设计，它的设计流量计算就应该是既有 别于水利部门的推理公式，又与市政排水公式不同。但是目前尚无城区暴 雨洪水计算方法规范。对城区暴雨洪水计算方法的研究，还有待进行。 虽然常用前面介绍的水利部门推理公式法来计算，但也有其不适用的 一面。水利部门的推理公式适用于面积小于5 0 0 概2 的中小流域，主要应 用于天然情况的小流域洪水计算，而城镇河道的流域大部分在1 5 o n 2 以 内，且下垫面大部分为硬化的混凝土，该公式对城区小流域是否适合一直 没有明确。 市政部门的排雨水工程流量公式，虽然其汇流与城区洪水运行相符， 但其设计洪水选取的标准与水利部门的概念差异较大，公式计算出的仅为 洪峰流量，其过程线是否同推理公式法一样还不知道，同时其暴雨强度公 式的推求过于繁杂n 朝。 在河道断面形态设计上，要以防洪功能为基础，同时兼顾其他各种功 能。就要确保河道断面尺寸设计的防洪可靠性较高，达到一定的防洪标准。 2 6 城市河道设计存在的问题 城镇建设的高速发展，使城镇的产汇流条件发生了较大变化。城镇不 透水面积迅速增加，地面大面积硬化，汇水面积上不同性质的地面覆盖比 例发生变化，使得径流系数发生变化，降雨入渗减少，相同降雨形成的径 流量增大。产汇流条件的变化，使原防洪河道系统的排水能力相对降低， 造成排水不畅n 利。 在城市河道整治时的小流域河道防洪水力计算中，对于设计流量计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 算，现有的几种公式都有其不适应的地方，如上一节所述，到底采用哪种 计算公式，是遇到的一个新的问题。况且目前常用的水利部门推理公式以 及市政排水公式等，都是定值设计法，可以说是经验公式，都无法细致考 虑洪水出现的概率及其公式模型的不确定性、水文计算的误差、无洪水观 测资料推算设计洪水的误差等诸多不确定性因素。另外，对于河道断面尺 寸的计算，由于影响城市河道断面排洪能力的水力因子为随机变量，致使 河道的排洪能力也为随机变量，定值设计法设计计算出的河道断面在排洪 时，是否可靠，可靠度多高，目前有待研究。 城市河道设计流量的可靠程度应能在工程设计中给予足够的重视，水 力计算时，应考虑到设计洪水的不确定性和影响河道断面排洪能力的各变 量的随机性，采用基于可靠性的城市河道水力计算方法，以提高水力计算 成果的可靠性。 本文就以可靠性理论为基础，对城镇河道防洪水力计算中的不确定性 因素进行量化，并分析其估算误差，对河道设计断面的排洪能力进行可靠 性计算，并推荐一种基于可靠性理论的概率极限状态设计方法，与现行公 式结合起来，可供设计参考之用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章可靠性理论及其工程应用 3 1 可靠性的概念和原理 3 1 1 结构变数和不确定性 各组成部分的性质和功能，彼此之间的联系和相互作用以及它们组成 结构整体的方式等等，决定了结构整体的性质和功能。各组成部分若有变 动，则结构整体的性质和功能也要发生变化。我们称各组成部分为结构的 一组变数。变数可以是项目有形或无形的技术、整治、法律或经济的属性。 我们可以通过变数来描述结构。分析结构可靠度时，哪些变数需要考虑， 哪些变数不要考虑，关系很大。 一般而言，将来的活动或事件，其后果有多种可能，各种后果出现的 可能性大小，即概率也不一样。由于人们一般不能掌握将来的活动或事件 的全部信息，因此，事先不能确知最终会产生什么样的后果。这种现象叫 做不确定性。不确定性是存在于客观事物与人们认识与估计之间的一种差 距，它反映了人们由于难以预测未来活动或事件的后果而产生的怀疑态 度。即使有些时候人们可以事先辨识事件或活动的各种可能结果，但仍然 不能确定或估计它们发生的概率。这种情况也是一种不确定性。不确定性 有程度之分。对于活动或事件的信息掌握得越充分，不确定性越小。 结构可靠度理论正是考虑到工程结构设计中存在着诸多不确定性而 产生和发展的。如果在设计前能够准确预测结构各构件的极限承载能力和 作用荷载的大小，则可将结构设计为使用期内不会发生破坏，但这是不现 实的n 5 3 。 目前的结构可靠度理论主要讨论的是随机不确定性下的可靠度，与结 构可靠度有关的随机不确定性包括： ( 1 ) 物理不确定性 在结构设计中，承认存在随机不确定性，就是承认与设计有关的变量 存在变异性，如荷载的变异性、材料强度的变异性等。在一定的环境和条 件下，这些变量的不确定性是由其内在因素和外在条件共同决定的，称为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 物理不确定性。在有些情况下，、当与制作过程有关时，物理不确定性可通 过提高技术水平或质量控制水平来降低，如混凝土的变异性可通过严格配 制程序、准确控制拌和料称重、细心拌和等手段而减小，但控制过分严格 会提高构件制作的费用，降低生产效率。而有些情况下物理不确定性则不 能人为降低，如风荷载、雪荷载等。 ( 2 ) 统计不确定性 概率论中研究的随机变量的概率分布和统计参数( 如平均值、标准差、 形状参数、尺度参数等) 都是已知的确定的，但在实际中，随机变量的统 计参数要根据收集到的样本数据，利用数理统计方法进行估计才能得到。 而估计的结构与样本的容量有关，理论上只有当样本的容量为无穷时，估 计的参数才是准确的、确定的，一般情况下估计的参数也是一个随机变量， 样本容量大时，参数估计值变异性小，样本容量小时，变异性大。例如， 一般认为混凝土的抗压强度服从正态分布，当用矩法或其他方法估计抗压 强度的平均值时，即使是同一批试件，用不同组试件估计的结果也是不同 的。这种由于随机变量样本量的不足而导致统计参数估计值的不确定性称 为统计不确定性。降低统计不确定性的手段是增大样本容量或采用合适的 估计方法，但由于客观条件的限制，很多情况下并不能得到足够多的数据， 甚至有时获得少量样本数据都是困难的。 ( 3 ) 模型不确定性 在结构设计和可靠度分析中，常需要根据一些变量利用已有的公式或 模型计算另一变量的值，如根据结构的材料特性和几何尺寸计算结构的承 载力，根据结构上的荷载计算结构的反应等，使用的公式可为理论公式， 也可能为半经验半理论公式，还可能是完全通过试验得到的经验公式。即 便是精确推导的理论公式，计算结果也会与实际值有所差别，因为理论公 式是在一定假设条件下得到的，而假设条件一般总与实际情况有差别。对 于经验公式更是如此。除此之外，采用各种简化手段进行分析也会产生一 定的误差，如将非线性问题简化为线性问题，将动力问题简化为静力问题 等。由计算公式不准确或模型简化而产生的不确定性称为模型不确定性， 在结构可靠度分析中常用一个附加的随机变量来描述。降低模型不确定性 的途径是使计算假定尽量与实际情况相符、采用先进的计算手段，但这些 都要受到科学技术发展水平和经济条件的限制，如许多问题目前还不能建 立更为准确的理论模型，有些情况下精确的分析则需要相当大的费用u 制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 1 2 作用与抗力 结构的可靠度与结构上的作用和结构的抗力有关，所以结构可靠度分 析也是以作用和抗力的统计分析为基础的。 “作用 是指作用于研究对象之上并使研究对象产生内力、位移甚至 破坏或失事的动力，而“抗力”是指研究对象抵抗破坏或失事的能力。“作 用 与“抗力”是两个抽象化的概念，对不同的研究对象、不同的失事形 式，它们所代表的物理含义是不同的。如在结构分析中，“作用”是结构 构件的内力、位移等，“抗力”为构件的极限内力、极限强度、刚度以及 抗滑力、抗倾力矩等。 结构上的作用按随时间的变异性分为：永久作用、可变作用和偶然作 用。一般情况下，只有荷载是容易统计的，所以目前的结构可靠度分析是 以荷载的统计分析为基础的。统计分析表明，永久荷载可采用正态分布模 型，而对于可变荷载，要根据其随机特点选用不同的随机过程模型。在结 构可靠度分析中，可变荷载多采用极值i 型分布，除极值i 型分布能很好 地拟合实测数据外，另一个重要原因是其具有分布类型不变的性质( 即当 可变荷载时点值服从极值i 型分布时，其设计基准期内的最大值也服从极 值i 型分布，但标准差不变，平均值增大) 在工程中应用非常方便。 结构抗力是多个基本随机变量的函数，因而是一个综合随机变量。实 际中比较容易得到的是基本随机变量的统计特征，所以实际中的做法是首 先分析影响结构抗力的不确定性因素，然后根据抗力函数的形式，应用以 下式，近似估计抗力的统计参数n 。 若y = x l x 2 x 3 土x 。则： 平均值 y = 蜀- + f i x 2 j r i 标准差o y ：尹i i 孑= 干孑i 彳_ 两 ( 3 1 ) 变异系数4 = a ，, g y 若y = x 1 x 2 置t 则： 平均值 p y = 弘x 、p x 。p x x 。 标准差 吒= 触4 ( 3 - 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第