水利水电风险分析和风险管理相关问题的讨论陈祖煜

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• 三峡梯级水调自动化系统水情测报站网：
– 接入金沙江水情遥测系统145个遥测站，控 制流域面积16万平方公里。
1、研究背景-附图1 遥测站到三峡梯调中心的通信信道网络结
构示意图
北斗卫星
注： 蓝线为主信道
红线为备信道
L波段
C波段
S波段
VPN
雨量、水库遥测站
北斗地面站
移动基站
水文（位）遥测站
已知 P A D 0 .9 ,5 P A D 0 .90
而且P 已 D 知 0.00 ： 04
现有一人用此法检验患有肝癌，求此人真正患有 肝癌的概率．
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在贝叶斯方法基础上建立 动态汛限水位的理论框架
• 这是在这个领域迄今为止我们能找到 的最适用的科学定理;
• 方法简单，只需要引入两个新的概率 指标。
碾压式土石坝设计规范 SL274-2019
西北口等48工程硬岩堆石料统计结果
矩法 线性回归法
o
msms
53.403 1.480 9.371 1.733 -0.809
53.725 1.594 9.388 0.895 -0.949
0 losg 3/p (a)
对典型面板坝剖面使用的非线性参数
()
()
均值
标准差
小值平均 均值
标准差
小值平均
53.0
2.0
51.0
10.0
1.0
11.0
对典型面板坝剖面稳定分析成果
1:1.3 1:1.4
确定性模型 安全系数F 1.513 1.597
可靠度和风险分析 可靠度指标b 4.72 5.03
失效概率
1.2110-6 2.5210-7
以年计失效概率
0.5510-8 0.6310-9
0.999958
1PDA0.000042
用三峡洪水预报系统预报
用某种方法普查肝癌，设洪：水 A={ 用此方法判断被检查者不患有肝癌 }， D={ 被检查者确实不患有肝癌 }，
一星期内不会出现一个
A={ 用此方法判断被检查者患有峰过肝为 程癌10}0，,000 m3/s 代表的 D={ 被检查者确实患有肝癌 }，
(3.18)
其中 x1,x2……xn 为计算安全系数时输入的强度指标、孔隙水压等一系列参数。由于这些参
数都是随机变量，因此，F 也是随机变量。系统的极限状态方程为
G F 1 g(x1, x2,xm) 1 0
(3.19)
(a)
(b)
功能函数的直方图及失效概率
目标函数: (a) G=R-S; (b) K
可靠度分析的应用举例
• 研究安全系数标准； • 超越概率的分析方法
可靠度分析的应用举例 研究安全系数标准
• 在编制水利水电边坡工程设计规范中的 应用
• 在土石坝设计规范修订工作中引入非线 性强度指标的作用
运用条件
正常运用条件 非常运用条件I 非常运用条件II
坝坡抗滑稳定最小安全系数
工程等级
1
2
结构安全级别 一类破坏 二类破坏
Ⅰ级 3.7 4.2
Ⅱ级 3.2 3.7
Ⅲ级 2.7 3.2
失效概率Pf 可靠度指标
0.5
0
0.25
0.67
0.1
1.28
0.05
1.65
0.01
2.33
0.001
3.1
0.0001
3.72
0.00001
4.25
计算以年计的失效概率的方法
Py
Pf T
Nd T
P f－ 失效概率 P y－ 以年计失效概率 T － 建筑物的寿命 N d－ 建筑物的设计寿命,
调制解调器
短信中心
移动基站 DDN
PSTN
三峡梯调中心
调制解调器
总体介绍－屏寸遥测系统建
设的作用
• 延长预报遇见期（最长至108小时） • 增强预报时效性（遥测系统可预报的
最短时段为1小时）
水文预报技术 相关基础理论研究
预报模型有： １）ＡＰＩ模型 ２）新安江模型 ３）坦克模型
3、预报体系结构构建－示意图
下图为三峡入库站预报体系示意图：
相关问题讨论
水位的理论框架
用某种方法普查肝癌，设：
贝叶斯理论
A={ 用此方法判断被检查者患有肝癌 }，
D={ 被检查者确实患有肝癌 }，
A={ 用此方法判断被检查者不患有肝癌 }， D={ 被检查者确实不患有肝癌 }，
0ySGG K,QQ K,aK 1dRfm k,aK
0 ——结构重要性系数； y ——设计状态系数；
S(•)——作用效应函数； R(•)——结构抗力函数；
Gk ——永久作用的标准值；G ——永久作用的分项系数； Qk ——可变作用的标准值；Q ——可变作用的分项系数； ak ——几何参数的标准值；m ——材料性能分项系数； d ——承载能力极限状态的结构系数。
0.000 0.945
0.000 0.94 50.999 0.160
0.0038
用某种方法普查肝癌，设： A={ 用此方法判断被检查者不患有肝癌 }， D={ 被检查者确实不患有肝癌 }，
A={ 用此方法判断被检查者患有肝癌 }， D={ 被检查者确实患有肝癌 }，
已知 P A D 0 .9 ,5 P A D 0 .90
大坝和边坡的允许风险
可靠度指标
b mG mF 1 sG sF
P f =F (b)
s m
bm/s
失效概率Pf 可靠度指标
0.5
0
0.25
0.67
0.1
1.28
0.05
1.65
0.01
2.33
0.001
3.1
0.0001
3.72
0.00001
4.25
水工规范规定的持久结构承载能力允许可靠度设计指标b
已知 P A D 0 .9 ,5 P A D 0 .90
而且P 已 D 知 0.00 ： 04
现有一人用此法检验患有肝癌，求此人真正患有 肝癌的概率．
贝叶斯理论
解： 由已知，得
P A D 0 .9,0 P D 0 .9996
所以，由Bayes公式，得
P DA P D P P A D D P P A D D P AD
(1) 功能函数。在可靠度分析中，定义系统的功能函数 G 为
G g(R,S) R S
(3.16)
其中 R 和 S 分别为结构抗力和荷载效应。相对应的极限状态方程为
GRS 0
(3.17)
在边坡稳定分析领域，通常用安全系数来评价边坡的稳定性。我们知道，安全系数可以 表达为输入参数的函数，
F g(x1, x2,xm )
对典型面板坝剖面稳定分析成果
1.确定性分析，2.可靠分析
Fl － 使用小值平均 Fm － 使用均值
1:1.3
Fl=1.523
1:1. 3
Fm=1.677
b=4.72
1:1.4
1:1.4
Fl=1.597 Fm=1.768
b=5.03
可靠度分析的应用举例
• 研究安全系数标准； • 超越概率的分析方法
动态汛限水位
相关基础理论研究
• 延长资料系列和设计洪水复核 • 水库联调； • 气象、洪水预报； • 分期控制汛限水位
动态汛限水位
基础理论研究
• 国内外水库设计洪水理论和防洪调度方法 分析评价
• 设计洪水方法分析研究 • 水库汛期分期设计洪水研究 • 水库汛限水位动态控制方法研究
三峡水库入库洪水预报 系统的开发
运用条件
正常运用条件 非常运用条件I 非常运用条件II
坝坡抗滑稳定最小安全系数
工程等级
1
2
3
4, 5
1.50
1.35
1.30
1.25
1.30
1.25
1.20
1.15
1.20
3
4, 5
1.50
1.35
1.30
1.25
1.30
1.25
1.20
1.15
1.20
1.15
1.15
1.10
中华人民共和国行业标准. 2019. “碾压式土石坝设计规范. SL274-2019
安全系数和失效概率的关系
安全系数的均值
m s m F F aF F a V FF
当 F a1.5, V F0.1时 mF = 1.67
bmsFF110.6.176174.01
可靠度分析的应用举例 研究安全系数标准
• 在编制水利水电边坡工程设计规范中的 应用
• 在土石坝设计规范修订工作中引入非线 性强度指标的作用
指的小 标线浪 稳性底 定和大 分非坝 析线下
性游 强坝 度坡
非线性指标安全系数标准 和失效概率研究
粗粒土的非线性强度指标
水利水电风险分析和风险管理 相关问题的讨论
• 问题的提出 • 风险标准 • 水库汛限水位相关的风险问题 • 建筑物抗滑稳定和滑坡分析相关的风险问题 • 结论和建议
大坝和边坡的允许风险－ 以年计的失效概率
假定我国共有10万座大坝,如果平均每年 报告失事1座,则以年计的失效概率为105。
一级为100年, 二级50年
P PyT Assum NdinTg
可靠度指标的几何意义
G F 1 g ( x 1 ,x 2 , x m ) 1 0
xi
xi mx sx
G F 1 g ( x 1 ,x 2 , x m ) 1 0
G g(x1,x2, xm )1
xi
xi mx sx
而且P 已 D 知 0.00 ： 04
现有一人用此法检验患有肝癌，求此人真正患有 肝癌的概率．
解：
由已知，得
P A D 0 .9,0 P D 0 .9996
所以，由Bayes公式，得
PDAPD PP A D D P P A D D PAD
0.9990.9 65
0.99906.95 50.0000.1 40
G K 1 g ( x 1 ,x 2 , x m ) 1 0
G K 1 g ( x 1 /1 ,x 2 /2 , x m /m ) 1
(a)
(b)
在标准化变量空间上和极限状态面上表达可靠度指标和分项系数 (a) 可靠度指标b, (b)分项系数i
承载能力极限状态验算表达式
一些国家对大坝允许风险（以年 计）的规定
(a) 南非； (b) 荷兰； (c) 澳大利亚
N为失效个体的数量
加拿大不列颠哥仑比亚水电局图制订的风险控制图
美国垦务局建议的风险控制图
水利水电风险分析和风险管理 相关问题的讨论
• 问题的提出 • 风险标准 • 水库汛限水位相关的风险问题 • 建筑物抗滑稳定和滑坡分析相关的风险问题 • 结论和建议
1.20
1.15
1.15
1.10
中华人民共和国行业标准. 2019. “碾压式土石坝设计规范. SL274-2019
8.3.3 土质防渗体坝、沥青混凝土面板坝或心墙坝 及土工膜斜墙坝或心墙坝,其抗剪强度应采用本规 范式(8.3.2.1)-式(8.3.2.3)确定。上述坝型中的1级高 坝，有条件时，粗粒料可用本规范公式(8.3.3)确定 的抗剪强度指标验算稳定。混凝土面板堆石坝粗 粒料应采用本规范公式(8.3.3)确定的抗剪强度指标 进行稳定分析
土石坝堆石材料的抗剪强度指标具有明显的非线性特点。 一般来说，上复土体每增加50m，其内摩擦角即减少8~10°
0 losg 3/p (a)
运用条件
正常运用条件 非常运用条件I 非常运用条件II
坝坡抗滑稳定最小安全系数
工程等级
1
2
3
4, 5
1.50
1.35
1.30
1.25
1.30
1.25
1.20
1.15
屏寸遥测系统建设的主要目的是为了编制多套三 峡入库站预报方案，开发预报会商系统，制作三 峡水库入库站72h预见期的预报，实现预报及会商 计算机化。
三峡水库蓄水后，入库站（寸滩、武隆）至坝址 的洪水传播时间在175m蓄水位时由原先未蓄水时 的48h～54h缩短到仅6h～12h左右，而三峡水库调 度预报预见期一般要求在40～88h（第1～4天。
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• 三峡梯级水调自动化系统水情测报站网：
– 覆盖了湖北、四川、重庆、贵州、云南五省市；
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• 三峡梯级水调自动化系统水情测报站网：
– 一期工程建设了128个遥测站，控制流域面 积6万平方公里；
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• 三峡梯级水调自动化系统水情测报站网：
– 二期工程建设299个遥测站，控制流域面积 37万平方公里；
相关问题讨论
• 基础理论; • 风险管理
南科院目前正在承担的工作
• 水库调度规程编制导则 • 大坝风险评估导则
水利水电风险分析和风险管理 相关问题的讨论
• 问题的提出 • 风险标准 • 水库汛限水位相关的风险问题 • 建筑物抗滑稳定和滑坡分析相关的风险问题 • 结论和建议
功能函数和极限状态方程
水库汛限水位设计与运用研究
• 2019年12月，将水库汛限水位设计与运用研究 分为试点水库研究和基础理论研究两部分同时 开展研究工作，其中基础理论研究分为4个课 题进行研究。
• 2019年2月，国家防办组织编写完成了《试点 水库汛限水位与运用研究工作大纲编制要点》， 并下发《关于开展水库汛限水位设计与运用研 究试点工作的通知》（办库[2019]8号），确定 了密云、察尔森等12座水库为项目研究的试点 水库