施工导流联合泄流计算模型及导流方案风险分析

1、施工导流联合泄流计算模型及导流方案风险分析甄红锋1 柴换成2（1. 2. 山东水利职业学院 山东 日照 276826）摘 要：通过分分别研究究明渠导导流、隧隧洞导流流以及坝坝体缺口口导流的的水力计计算，提提出切实实可行的的联合泄泄流水力力计算模模型。在在施工导导流系统统联合泄泄流能力力的计算算基础上上，采用用Monnte-Carrlo方方法，模模拟施工工期洪水水入库过过程和导导流建筑筑物的泄泄流工况况，用系系统仿真真方法进进行施工工洪水调调洪演算算得到堰堰前水位位的随机机样本数数据，通通过聚类类分析确确定导流流系统动动态风险险。实例例验证说说明，施施工导流流联合泄泄流水力力计算以以及风险险分析

2、计计算模型型是可靠靠的、适适用的。关键词：施施工导流流；联合合泄流；风险分分析；MMontte-CCarllo方法法；聚类类分析分类号: TV66Compuutattionnal Moddel forr Joointt Diischhargge aand Rissk AAnallysiis oof Consttrucctioon DDiveersiion SchhemeesHongffengg Zhhen 1，Huaanchhengg Chhai（1. 22. SShanndonng WWateer PPolyytecchniic, Rizzhaoo, 22768826）Abstrractt:

3、 TThrooughh thhe ssepaaratte aanallysiis oof cchannnell diiverrsioon、tunnnell diiverrsioon aand damm gaap ddisccharrge, thhis papper esttabllishhes thee coompuutattionnal moddel forr joointt diischhargge dduriing connstrructtionn byy appplyyingg thhe hhydrraullic commputtatiion theeoryy. OOn tthe jo

4、iint disschaargee baasiss off coonsttrucctioon ddiveersiion sysstemm, uusinng tthe Monnte-carrlo metthodd too siimullatee thhe ffloood aand disschaargee prroceess, thhe rriskk moodell annalyysess thhe ddisttribbutiion of thee flloodd leevell inn frrontt off thhe ccoffferddam andd dyynammic rissk uun

5、deer ddifffereent divverssionn sttanddardd byy flloodd rooutiing moddel andd thhe cclussterr annalyysiss moodell. TThe casse sstuddy iinsttituutess thhat thee coompuutattionnal moddel forr joointt diischhargge aand rissk aanallysiis mmodeel oof cconsstruuctiion divverssionn scchemmes aree reeasoonab

6、ble andd efffecctivve.Key wwordds: connstrructtionn diiverrsioon; joiint disschaargee; rriskk annalyysiss; MMontte-CCarllo mmethhod; cllustter anaalyssis1. 引言言施工导流工工程是风风险工程程，在进进行导流流方案确确定、导导流方式式选择、设设计优化化时，工工程的风风险应作作为一个个指标参参与决策策，所以以如何确确定施工工导流工工程的综综合风险险就显得得十分重重要。目目前，施施工导流流工程中中所存在在的风险险问题己己经引起起广泛的的重视，并并将

7、风险险与导流流标淮1的的选择联联系起来来进行研研究。而而进行施施工导流流工程风风险分析析计算的的前提是是首先针针对导流流工程不不同导流流时段其其不同导导流方式式和导流流建筑物物的组合合进行联联合泄流流水力计计算22。本文阐述了了一种广广泛适用用的联合合泄流计计算原理理，提出出了切实实可行的的联合泄泄流水力力计算算算法，提提高水力力计算的的速度和和精度。在在联合泄泄流水力力计算的的基础上上，采用用Monnte-Carrlo方方法对土土石围堰堰挡水导导流风险险进行分分析，利利用Moontee-Caarloo方法模模拟施工工洪水过过程和导导流建筑筑物泄流流工况，通通过系统统仿真进进行施工工洪水调调洪

8、演算算，对得得到的上上游堰前前水位分分布进行行聚类分分析，从从而确定定在不同同的导流流标准条条件下围围堰运行行的动态态风险。2. 施工工导流联联合泄流流水力计计算模型型作者简介：作者简介：甄红锋（1973），男，硕士在读，山东巨野人，从事水利工程施工与水力学的教学研究工作。柴换成（1980），男，学士，甘肃天水人，从事水利工程施工与水利工程管理的教学研究工作。国内外水利利水电导导流工程程实践表表明，无无论是土土石坝枢枢纽，还还是混凝凝土坝枢枢纽，施施工导流流过程中中，一般般都是几几个导流流建筑物物联合泄泄流。混混凝土坝坝施工后后期的导导流渡汛汛，往往往采用坝坝体预留留缺口和和底孔泄泄流方式式；

9、在峡峡谷地区区进行水水电工程程施工导导流时，常常需要采采用隧洞洞群的导导流方式式。导流流洞还会会遇到多多层、多多条群洞洞联合泄泄流，同同一洞不不同时期期或不同同洞同一一时期可可能同时时存在有有压、半半有压、无无压的复复杂局面面。2.1 明明渠导流流水力计计算模型型明渠泄流时时，水流流可能呈呈均匀流流或非均均匀流3 44。明明渠均匀匀流的水水流保持持匀速直直线运动动，可采采用谢才才公式计计算。人人工渠道道的水工工流绝大大部分是是明渠恒恒定非均均匀流。对对于渐变变流水面面线的计计算采用用分段求求和法。 2.2 隧隧洞导流流水力计计算模型型隧洞泄水能能力曲线线时是按按已知流流量Q推求上上游水位位H。

10、（1）隧洞洞无压流流时上游游水位： （11）式中，为淹淹没系数数，当时时取1.0，当当时，由由确定，为为隧洞进进口内的的收缩水水深；BB为临界界水深以以下断面面平均宽宽度，；流量系系数m由由进口体体形确定定。（2）隧洞洞半有压压流时上上游水位位计算半有压短洞洞上游水水位： （2）半有压长洞洞上游水水位： （33）（3）隧洞洞有压流流时上游游水位计计算有压淹没流流： （44）有压自由出出流： （55）2.3 缺缺口泄流流水力计计算模型型缺口泄流，当当堰顶长长度与水水头的关关系在区区间()时，按按如下宽宽顶堰公公式计算算： （66）式中，为过过水宽度度；为缺缺口底槛槛以上上上游水头头；为侧侧收缩系

11、系数；为为流量系系数；为为淹没系系数，当当自由出出流时，取1.0，当淹没出流时，可查宽顶堰淹没系数表得到。2.4 联联合泄流流水力计计算模型型5无论是隧洞洞群联合合导流还还是缺口口与底孔孔联合导导流，在在已知总总泄流量量和下游游水位的的情况下下，任何何泄水建建筑物联联合泄流流必须同同时满足足以下两两个条件件： （77）式中，为同同一上游游水位下下，一个个泄流建建筑物的的泄流量量；为上上游水位位。个泄水建筑筑物联合合导流泄泄流能力力计算步步骤：(1) 根根据原河河床坝址址处天然然水位流量关关系，先先拟定个个下游水水位，用用插值法法找到相相对应的的个流量量。(2) 求求出各建建筑物对对应每一一级流

12、量量的上游游水位的的最小值值，并找找出当时时对应各各建筑物物的上游游水位的的最小值值，然后后在区间间()上上取初值值，用单单条隧洞洞水力计计算公式式分别计计算对应应的泄流流量。(3) 将将、相加得得到，如如果(误误差允许许值)，则则，假设设的即为为下泄流流量的上上游水位位，否则则，根据据逐步逼逼近方法法，用()继续续试算，直直到.(4) 将将计算所所得的组组(，)值绘绘成曲线线，进行行光滑处处理，即即为联合合泄流的的上游水水位泄泄流能力力的关系系曲线。(5) 如如果围堰堰是过水水围堰，则则当(围堰堰挡水设设计流量量)，nn个泄水水建筑物物泄流且且围堰参参与过水水。同理理给定下下游水位位，按台台

13、形堰溢溢流计算算公式计计算过水水围堰泄泄流曲线线，最后后，把计计算所得得曲线和和n个导流流建筑物物的联合合泄水曲曲线依照照上述(1)(4)方法迭迭加生成成上游水水位和泄泄流能力力的关系系曲线。3. 施工工导流风风险分析析模型施工导流风风险度定定义为：在导流流施工过过程中发发生超过过上游围围堰高程程的洪水水的频率率。水电电站在施施工截流流成功并并实现戗戗堤闭气气后，为为了保证证围堰填填筑进度度满足第第一年洪洪水的渡渡汛要求求，必须须确定分分月围堰堰的填筑筑高度及及相应的的风险率率6 7。因因此，围围堰填筑筑过程中中分月堰堰前水位位超过堰堰顶高程程的可能能性为： （88）其中：Z上上(t)为第tt

14、月上游游围堰堰堰前水位位；H上堰高高为第tt月上游游围堰堰堰顶高程程。由施工导流流风险率率表达式式可见，导导流风险险主要由由河道来来流洪峰峰流量的的不确定定性、洪洪水过程程的不确确定性及及导流设设施的泄泄流能力力不确定定性88所引引起的，只只有综合合反映这这三方面面因素，才才能全面面合理地地确定导导流风险险率，因因此，对对导流中中的水文文随机性性及水力力不确定定性进行行分析。3.1 洪洪峰流量量的不确确定性分分析洪峰流量的的不确定定性对导导流风险险的影响响最大，我我国最大大洪峰流流量系列列采用PP-型分布布，其概概率密度度9为(xx) （99）式中：x为为洪峰流流量；为年最最大洪峰峰流量系系列

15、的均均值；CCv为变差差系数；Cs为偏态态系数。Cv、Cs均有水文统计资料来确定。3.2 洪洪水过程程的不确确定性分分析洪水过程的的不确定定性主要要表现在在洪量的的不确定定和洪水水历时的的不确定定性。经经过大量量实测资资料统计计分析，认认为洪量量的分布布符合PP-型分布布，其概概率密度度如式上上式。洪洪水过程程历时可可以认为为服从正正态分布布，其密密度函数数为： （110）式中为历时时的数学学期望，为历时的方差。3.3 泄泄流能力力的不确确定分析析计算实例表表明，导导流洞的的泄流能能力较为为接近三三角形分分布，其其密度函函数110 111为为： （111）式中a为泄泄流能力下下限；bb为平均均

16、泄流能力；c为泄流能力上上限；a、b、c参数通过过模拟泄泄流能力力的统计计资料来来确定。3.4 调调洪演算算模型根据水量平平衡方程程式： （113）其中，分别别为计算算时段始始、末入入库流量量；分别别为计算算时段始始、末出出库流量量；分别别为计算算时段始始、末的的水库蓄蓄水量。当当已知入入库洪水水过程线线时，为为已知，V1、q1为计算的初始条件，V2、q2未知。又由于，根据导流建筑物的泄流能力曲线Hq和水库的水位库容曲线HV，可确定q与V的函数关系，即q=f（V）。采用常用的二分法求解方程，推求水库下泄过程线，从而可求得最大下泄流量、防洪所需库容以及相应的最高洪水位。3.5 导导流动态态风险计

17、计算确定导流围围堰上游游水位风风险，要要系统考考虑河道道来流、导导流建筑筑物泄流流以及枢枢纽的其其他特征征，通过过系统模模拟的方方法来实实现。由由水文随随机参数数和分布布得到一一个随机机的上游游洪水FFin；同同时由水水力随机机参数和和分布得得到对应应的泄流流建筑物物的泄流流能力QQoutt。通过过反复的的抽样、计计算可以以得到一一个任意意长的围围堰上游游水位模模拟历史史系列，上上游水位位的概率率分布只只要对这这个历时时系列进进行聚类类分析就就可以得得到了，而而设计水水位的风风险率，实实际上就就是这个个模拟历历史系列列的密度度函数的的一些分分位点的的值。图1 导流流风险分分析计算算流程4. 实

18、例例分析及及其计算算结果4.1 联联合泄流流能力计计算现以金沙江江中游河河段上某某大型水水电工程程折坝线线混合坝坝初期导导流设计计方案为为例，说说明本文文所提出出的联合合泄流水水力计算算模型及及施工导导流风险险分析模模型的应应用。混混合坝右右岸厂房房全年导导流方案案共布置置了4条条导流隧隧洞，隧隧洞净空空断面为为修正马马蹄形，净净空最大大宽度为为15mm，底宽宽11mm，净空空高度115m，净空空断面积积191.55887 mm2。进口口高程定定在10020.00mm，出口口高程110122.000m。混合坝河中中厂房方方案全年年导流共共布置了了7条导导流底孔孔，导流流底孔断断面为矩矩形，单单

19、孔宽度度8m，高度度14mm（底孔孔出口段段孔口高高度压低低为122.5mm）。底底孔前段段8m14mm净空断断面积1112.00 m2，后段段8m12.5m净净空断面面积100.00 m2，底孔孔进口高高程定在在10220m，出口口高程110200m，底孔孔纵坡ii=0。孔孔口泄流流控制断断面在出出口，88m12.5m（宽宽高）。应用本文所所介绍联联合泄流流水力计计算模型型计算，联联合泄流流曲线如如图2：图2 水电电站折坝坝线混合合坝枢纽纽泄流能能力曲线线4.2 施施工导流流方案风风险率计计算成果果根据水利利水电工工程施工工组织设设计规范范SDDJ3338-889，选选定的导导流建筑筑物为级

20、。对对于级导流流建筑物物，土石石类围堰堰相应设设计洪水水标准为为重现期期2050年年。根据据实测资资料分析析,电站站坝址下下游的水水文站实实测最大大流量为为290000mm3/s。综综合分析析水文系系列资料料、导流流建筑物物的工程程量、施施工工期期以及水水文、水水力等不不确定性性因素，初初步拟定定3个备备选的初初期施工工导流标标准为220年一一遇、330年一一遇和550年一一遇。导导流标准准为200年一遇遇洪水流流量Qpp=5%为1114000 m3/s，330年一一遇洪水水流量QQp=3.33%为1121000 mm3/s，550年一一遇洪水水流量QQp=2%为1330000 m33/s。混

21、合坝右岸岸厂房全全年导流流方案，其其泄流能力力服从三三角形分分布，其其分布参参数分别别为0.97（下下限）、11.000（中值）、1.05（上限）；河中中厂房方方案，其其泄流能能力分布布参数分分别为00.988（下限限）、11.000（中值）、1.06（上限）。根据施工导导流风险险分析模模型，分分别拟合合洪水过过程线、泄泄流过程程线，进进行围堰堰上游水水位的仿仿真计算算，统计计围堰上上游堰前前水位分分布和在在不同导导流设计计洪水标标准条件件下的风风险率RR（或保保证率PP），考考虑水文文和水力力随机因因素随机机模拟结结果以及及设计水水位对应应考虑随随机模拟拟综合风风险计算算成果如如表1、表表2

22、所示示。表1 考虑虑水文和和水力随随机因素素随机模模拟成果果表表2 设计计水位对对应考虑虑随机模模拟综合合风险表表4.3 成成果分析析 （11）对于于折坝线线混合坝坝右岸厂厂房导流流方案，初期导流设计标准为30年一遇，在不考虑导流系统的随机因素条件下，围堰上游水位1064.65m，相应水头54.65m（上游相应水头从河床底高程1010.00m起计，下同）。考虑导流系统的随机因素时，30年重现期对应的上游围堰水位为1063.59m，对应水头为52.59m；而观音岩水电站30年一遇导流设计水位为1065.61m，对应的导流风险率为2.74%。（2）对于于折坝线线混合坝坝河中厂厂房导流流方案，初期导

23、流设计标准为30年一遇，在不考虑导流系统的随机因素条件下，围堰上游水位1060.98m，相应水头50.98m。考虑导流系统的随机因素时，30年重现期对应的上游围堰水位为1061.26m，对应水头为51.26m；而观音岩水电站30年一遇导流设计水位为1061.98m，对应的导流风险率为3.03%。5. 结语语针对国内外外大型水水电工程程建设项项目，在在施工导导流过程程中，一一般都是是几个导导流建筑筑物联合合泄流，而而且不同同的导流流时段其其导流方方式和导导流建筑筑物的组组合也不不同，对对于山区区河流极极其普遍遍的隧洞洞导流型型式给出出了各种种型式隧隧洞的泄泄流能力力计算方方法，本本文重点点介绍了

24、了联合泄泄流水力力计算模模型的建建立，工工程实例例表明其其联合泄泄流水力力计算算算法是切切实可行行的。施工导流系系统风险险是影响响水电枢枢纽导流流建筑物物设计的的规模、型型式及其其可靠性性的主要要因素，是是由导流流系统具具有的实实际泄流流能力与与实际洪洪水流量量的相对对大小决决定的。在在计算施施工导流流系统联联合泄流流能力的的基础上上，采用用Montee-Caarloo方法，模模拟施工工期洪水水入库过过程和导导流建筑筑物的泄泄流工况况，用系系统仿真真方法解解决施工工洪水调调洪演算算，对得得到的围围堰上游游水位随随即数据据样本进进行聚类类分析确确定导流流系统动动态风险险。通过过实例分分析说明明风险分分析模拟拟模型与与聚类分分析模型型的可行行性与有有效性，为为水电工工程施工工导流系系统风险险分析提提供了有有效的工工具与途途径。参考文献：1 肖肖焕雄. 施工工导流标标准与方方案优选选M. 湖湖北，湖湖北社学学技术出出版社，119966.2 肖肖焕雄. 施工工水力学学M. 北北京，水水