水库大坝安全诊断与智慧管理关键技术与应用

中国水库大坝建设水平世界领先，但管理水平相对滞后，突出表现在管理手段落后、信息化应用程度低，出险甚至溃坝事故仍时有发生，亟待加强传统水利与现代信息技术融合，充分应用大数据、人工智能、机器学习等现代信息技术，实现水库大坝安全智能诊断和智慧管理。“十三五”国家重点研发计划项目“水库大坝安全诊断与智慧管理关键技术与应用（2018YFC0407100）”以澜沧江流域代表性水电工程等为依托，以水资源高效利用为目标，以确保水库大坝安全为宗旨，以工程防灾减灾为突破点，通过近四年的联合攻关，在大型复杂水工结构性能演化测试装备与智能诊断技术、大坝结构与服役环境互馈仿真及智能监控关键技术、基于大数据的大坝安全诊断与预警关键技术等方面取得系列创新成果，为进一步健全中国大坝安全保障体系和强化预报、预警、预演、预案“四预”措施提供科技支撑，全面保障水库大坝安全运行和综合效能发挥，具有极高的科学价值和广阔的推广应用前景，社会效益、经济效益和生态环境效益极其显著。     

基于单元堤段洪泽湖大堤风险分析

以洪泽湖大堤为例,提出了以单元堤段为基本单元的堤防工程风险分析和风险评估方法,并将此风险评估成果应用于正在进行的洪泽湖大堤加固工程,验证了该方法的合理性。     

堤防工程单元堤安全等级评判及风险估计

鉴于堤防工程结构复杂，在风险估计时，宜将整个堤防工程划分为若干组合堤、单元堤进行分析。在原有组合堤与单元堤概念的基础上，结合险工险段识别与专家经验方法，将单元堤安全等级按抗洪能力、渗透情况、结构稳定、抗震能力等因素分为4级，给出全面的单元堤安全状态指标级别判别依据与判别方法，并以洪泽湖大堤风险评估为例，通过分析失效概率与失事后果的计算结果，有效验证了该方法的准确性。     

土石坝震损程度快速评估方法研究

以"5 .12"汶川地震震损水库大坝调查、分析及现场专家险情评级资料为依据 ,将土石坝震损级别以险情程度划分四级 ,结合震损水库特征与破坏机理 ,以层次分析法(AHP )为手段 ,通过建立震损土石坝综合评估指标体系 ,对震损土石坝险情快速评估技术进行了深入研究 ,获得了土石坝震损险情快速评估方法 ,并应用于四川绵竹市红刺滕水库震后评价 ,结果表明 ,该方法能够客观反映土石坝震损程度 ,便于使用 ,为震损土石坝应急处理提供了一定的技术支持.     

城市型水库溃坝生命损失估算研究

以DP-DFY城市型水库为例,应用BREACH模型和二维水动力模型分析该市Ⅰ、Ⅱ水库在遭遇PMF洪水,坝前水位达到最高水位,主坝同时发生管涌破坏时的溃坝流量和洪水淹没范围。基于模拟结果确定溃坝洪水严重性和洪水风险人口计算参数,选定4种警报时长,分别应用Dekay&McClelland法和李-周法初步估算不同警报时长参数下的生命损失数量,并对估算结果的合理性进行分析。基于估算结果,针对两种估算方法对于城市型水库的估算结果合理性进行讨论,对严重性参数与理解程度参数取值提出建议。     

溃坝洪水避洪转移动态路径优化方法

现阶段水库大坝安全管理应急预案中避洪转移路径划分采用时间短、距离近等原则，通常为静态路径，无法伴随溃坝洪水演进过程动态化。通过BREACH-MIKE21耦合模型进行溃坝洪水演进模拟，获取溃坝洪水淹没信息，接入路网模型构建环境情景模型。采用蚁群算法优化避洪转移路径，利用增加回溯算法、引入最大最小蚁群系统、改进启发式函数等手段改进算法，提升路径寻优能力和收敛速度；通过逐帧解析洪水淹没要素，将溃坝洪水信息融入算法中，最终得到最优避洪转移路径。仿真试验表明：（1）在同一淹没情景下，改进蚁群算法比基本蚁群算法平均运行时间增长1.6‰，准确率提高32%，收敛次数平均减少10.13次，收敛速度更快、寻优能力更强；（2）改进蚁群算法根据溃坝洪水演进优化得到的最优避洪动态路径比静态路径更安全。研究结果可满足水库大坝安全管理应急预案对避洪转移路径过程动态化的要求，提高应急转移效率，降低溃坝洪水产生的灾害影响。     

BREACH模型与MIKE21模型在溃坝风险中的耦合分析

BREACH模型常用来模拟水库大坝漫顶及管涌溃坝模式并获取溃口流量与时间关系,MIKE21模型常用来模拟湖泊、河口、海湾等二维水动力学并获取洪泛区内洪水风险信息要素,两大模型耦合分析在保障水库大坝安全运行及风险管理方面发挥了积极作用。以BREACH模型模拟溃口流量动态数据过程与溃口演变尺寸为基础,通过ArcGIS预处理地形文件、工程建筑物参数与水文数据,构建MIKE21二维水动力学模型并计算网格差值空间,利用Flow Model模块生成溃坝洪水模拟文件,采用判别溃口流量差值是否满足精度要求的迭代法来耦合两大模型,最终结合所要分析水库大坝的工程概况,计算不同风险情况下的水库大坝溃坝洪水淹没水深与范围,进而模拟溃坝洪水演进过程。该方法已成功应用于郑州常庄水库风险分析,结果表明,该方法能客观反映溃坝洪水行洪情况,使用方便,为水库大坝运行管理与应急处置提供了一定的技术支持。     

基于模糊神经网络的水电施工安全隐患评价

水电工程施工过程中存在的安全隐患多且动态变化,是造成水电工程事故多发的主要原因。为评价水电工程施工的安全隐患程度,基于模糊综合评价和BP神经网络建立了水电工程施工安全隐患评价模型,构建了一个具有多层次和多指标特性的水电工程施工安全隐患诊断指标体系,提出了重大、较大、一般、较小以及轻微的5个等级划分。结合实例,对某水电工程施工进行评价,确定其安全隐患等级,并对评价结果进行分析。结果表明:该水电站施工安全隐患等级为3级,符合其实际隐患排查情况。评价提出的模糊神经网络模型可操作性强,能有效分析水电工程施工安全隐患,对于水电工程施工过程的安全隐患排查具有一定参考意义。     

基于有限元法的大坝抗震安全评价

汾河二库初设时按Ⅶ度地震设防,但根据现行规范,工程区地震基本烈度提高至Ⅷ度,需要进行抗震安全复核。本文针对该水库大坝抗震安全,通过大型通用有限元软件ANSYS,建立充分模拟基础及上部结构的三维模型,采用模态分析反应谱法进行地震动力计算分析。结果表明,在Ⅷ度地震情况下,大坝抗震安全满足规范要求。