防波堤风险分析研究框架

1、防波堤风险分析研究框架 专业：港口、海岸及近海工程 组员：马朝晖 李龙目录一.防波堤设计理念新发展二.防波堤风险辨识三.防波堤风险估计四.防波堤风险评估五.结语一.防波堤设计理念新发展1.1.研究内容、方法及目前研究现状研究内容、方法及目前研究现状随人们对防波堤可靠性要求不断提高，各种新型防波堤结构不断涌现，同时与之适应的防波堤设计方法和理念也得到长足发展。概率设计方法和风险分析是近年来防波堤设计理论研究和管理科学的前沿课题，风险分析既是可靠度设计方法研究的引申，又是向优化设计的拓展。相对于传统的可靠度设计方法，防波堤风险分析不仅更加全面地考察了各种不确定因素的存在特点，而且从工程实际效果和技

2、术经济的角度界定了防波堤系统的工作目标和不利事件的后果量化及估计方法，同时对减少不利事件发生概率提出可行的解决方案。风险分析在防波堤工程中运用包括四个方面内容 风险辨识、风险估计、风险评价和风险控制风险辨识、风险估计、风险评价和风险控制。( 1 ) 防波堤风险辨识： 定义防波堤系统功能，描述各种失效模式，建立防波堤失效故障树。( 2 ) 防波堤风险估计： 描述和识别随机荷载的分布类型及参数，计算各种失效模式以及系统的失效概率，分别量化承载能力极限状态的可靠度和正常使用极限状态失效后果。( 3 ) 风险评价： 优化设计方案；评判风险准则，并根据接受风险准则决定设计方案是否可行( 4 ) 风险控制

3、： 依据风险评估采取降低风险的措施，并定量衡量其适用性和有效性。防波堤风险分析的目标（1）明确和量化工程中存在诸多不确定因素对它们的性质、影响和后果做出分析，为权衡风险与成本提供充足信息。（2）对设计方案进行改进，制定消除风险的措施或在不同方案中做出优选。对现役防波堤结构进行风险评估，实现管理优化。（3）对防波堤系统进行风险分析，可令其安全水平具有可比性，从而可将防波堤的风险可接受性与其他工程项目的风险可接受性在相同的风险决策框架中加以评估。二.防波堤风险辨识1. 防波堤系统功能定义防波堤主要是用来抵御波浪的侵袭，维持港口水域稳定，以保证船舶在港内安全停泊和装卸作业，保护港内码头和其他水工建筑

4、物免遭巨大波浪荷载的作用此外还可阻拦泥沙进入港内水域造成回淤。根据以上主要任务，在防波堤风险分析中将防波堤系统失效分为两个层次： （1）正常使用极限状态失效； （2）系统承载力极限状态。正常使用极限状态失效：防波堤虽堤身结构发生轻度破坏，当无法使其所掩护区域达到正常使用功能，即认为防波堤正常使用极限状态失效。这多是由于波浪绕射或越浪过量造成港内水面静稳度降低，导致港内船舶无法安全停靠或不能正常进港以及港内装卸设备等难以正常工作等。例如当波高达到一定范围时，停靠船舶与护弦发生冲撞对船体和码头建筑物造成不同程度的破坏。表1 给出停靠在港内不同类型船舶所能承受最大特征波高。防波堤修建长度和方位、口门

5、位置等对周边区水流走向、岸滩冲刷和长期滩演变会产生一定影响，在防波堤可行性研究及设计阶段，应考虑到这些因素，对设计方案进行慎重评估。否则，虽然防波堤结构本身没有破坏，但整体规划上的失误使其不能达到正常使用功能需求，在一定程度上造成经济和环境方面的损失，这也是正常使用极限状态失效的一种情形。系统承载力极限状态：当防波堤的滑移、沉降、倾覆或基底应力达到一定程度而使防波堤基础和结构本身产生重大破坏，即认为防波堤系统承载力极限状失效。防波堤承载力极限状态失效的原因可主要归结于以下三个方面： ( 1 ) 设计波浪选取不准确； ( 2 ) 防波堤工作条件和工作机理不明确，即对防波堤的水动力、地基和堤身结构

6、特性认识不深刻； ( 3 ) 结构设计及施工组织不合理。2.故障树和失效模式的建立防波堤可看作由若干部分组成系统，由于各部分相互作用，一部分的破坏可能会引起其它部分失效，甚至导致整个系统失效。因此故障树描述了系统失效模式及相应原因，以及各种失效模式之间相互作用关系。图 1：简化斜坡堤正常使用极限状态故障树图 2：直立堤整体破坏承载力极限状态主要失效模式图 3 ：简化直立堤两种极限状态失效故障树三.防波堤风险估计防波堤风险估计包括： 荷载不确定性的描述和识别； 防波堤失效概率计算和失效后果量化。该部分是风险分析的中心环节1.设计波浪不确定性描述和识别设计波浪是研究防波堤首先要考虑的荷载，波浪在空

7、间和时间上都是不规则和不重复的物理现象，只有用随机波浪的理论才能正确描述海浪的特征，把防波堤设计得更加安全、合理与经济。防波堤设计工作寿命通常在 50 a 以上，它要承受使用期内最大波浪作用，这就要求考虑波浪长期分布。波浪长期分布问题主要有三种： ( 1 ) 单个波高的长期分布，它能给出最大的单个波高的重现期； ( 2 ) 有效波高的极值统计； ( 3 ) 最大的单个波的极值统计。实现上述目的的基础就是要选择波浪要素的分布类型并估计与该分布类型相对应的参数。经典的估计方法有：矩方法、极大似然估计法和最小二乘法。目前常用的方法还有线性矩方法和概率权重矩法。2.防波堤可靠度计算单一失效模式的可靠度

8、计算 可靠度的计算方法目前分为三个水准： （1）水准一为“半经验半概率法”，该法对影响结构可靠度的某些参数进行数理统计分析，并与经验结合，引入某些经验参数。 （2）水准二为“近似概率法”，采用近似方法计算结构可靠度。设计方法多是使用一次二阶矩 (FOSM) 方法 （3）水准三为“全概率法”，完全基于概率论的可靠度精确分析方法。目前常用的方法是 Monte-Carlo 方法。系统失效概率计算 防波堤系统的失效概率取决于系统中的各个子事件的逻辑关系，建立故障树的目的有两个方面： （1）阐明防波堤各个部分间的关联作用和它们的工作机理； （2）可以近似计算体系的失效概率。 根据故障树分析，将防波堤体系

9、分解为若干个串联和并联的基本体系。 大量的研究表明在波浪和地质条件一定的情况下一两种失效模式占主导地位，故可以将这些失效模式简化成简单的串并联系统来计算系统的失效概率表 2 给出联合考虑相关性和系统类型的系统可靠度失效概率。3.防波堤失效后果量化 Rlifetime 为优化防波堤设计方案，引入防波堤全寿命成本（Total Life Time Cost）概念： 全寿命成本 (Costlifetime ) 初始成本 (I0) +建造成本 ( Ix) +全寿命风险成本 ( Rlifetime） (1) 式中：第一部分是与整个工程相关的初始成本I0 ，包括设计、可行性 研究和现场勘察 (钻探，测量等)

10、 的费用。 第二部分是建造成本Ix。 ,(x)365P(x)C(x)C(x)yearf SLSSLSf ULSULSRP1(x)(x)(1r g)NyearlifetimennRR 第三部分为全寿命风险成本（Rlifetime），其定义为：（2）式中：n表示使用年数，r为内部收益率；g为通货膨胀率；Ryear为年度风险成本，其定义为：（3）（2）式：防波堤结构的全寿命风险是将各年风险累积，同时考虑了利率、通货膨胀和经济增长等因素。（3）式：承载力极限状态失效后果CULS是防波堤破坏后的维修费用，与结构的几何尺寸相关，以年计。正常使用极限状态失效后果CSLS包括港内设施停工费用，船舶、码头破坏损

11、失费用，船舶营运损失，违约金损失以及对牵连相关行业所造成的损失，与防波堤结构尺寸无关，以日计。Pf，ULS是承载力极限状态失效概率。Pf，SLS是正常使用极限状态失效概率。 四.风险评估4.1 成本获益分析和效用分析 确定防波堤系统所能提供的防护水平，需要平衡建造成本和全寿命成本。基于风险的成本获益分析就是从纯经济角度来考虑这样的平衡。 在该分析中，通过对防波堤的建造成本与失效后的经济损失进行经济角度的优化和比较，进而得到一个综合考虑的合理防护水平。 效用分析考虑了决策者对待损失和收益的不同态度，并据此将决策行为分为以下三种类型：（1）风险偏好认为收益的效用大于损失，即倾向于冒险的方案；（2）

12、风险厌恶认为损失的效用大于收益，倾向于保守的方案；（3）风险中性对收益和损失的态度相同。 当失效后果非常严重，设计工程师会表现出风险厌恶的态度，而使设计趋于保守。这种行为可以通过凸函数式 ( 4 ) 表现出来。 式中：x为成本，u(x) 为反映风险厌恶态度的效用函数； 为风险厌恶态度参数。 4.2 防波堤全寿命成本优化过程 基于以上的分析，防波堤全寿命风险优化流程表示为图 54.3 风险准则评定 评定风险可否接受称为风险准则，目前最实际的标准是对待风险的三个层次：不能容忍、最低合理可行和可以容忍。 港口工程项目中防波堤系统破坏后主要以经济风险接受准则为衡量标准。经济风险接受标准要考虑投资方的资本构成状况和对突发事件的抵御能力。五.结语 防波堤风险分析贯穿于项目的可行性研究、工程