呂高峰

(1.中國電建集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.國家水電站大壩安全和應(yīng)急工程技術(shù)中心，浙江 杭州 310014)

我國已建成近10萬座大壩，受大壩自身缺陷，以及地震、洪水等外部因素影響，部分大壩面臨一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。國外不少國家，如加拿大、澳大利亞、美國、荷蘭等，正在逐步建立水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估管理體系和標(biāo)準(zhǔn)，我國也做了很多風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相關(guān)工作[1]。大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可充分考慮各種環(huán)境因素以及大壩結(jié)構(gòu)本身所存在的種種不確定性對(duì)大壩安全運(yùn)行的影響，能反映一旦大壩失事所造成的后果對(duì)大壩安全性的要求，能綜合考慮大壩運(yùn)行、社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、人員等方面的要求，因此，對(duì)大壩安全狀況所做出的評(píng)價(jià)更符合實(shí)際要求[2]。針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的成果，可通過事件推演建立風(fēng)險(xiǎn)路徑，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)路徑上的條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化動(dòng)態(tài)管控。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基本原理

大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估通過分析與計(jì)算，確定各種風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性，以及大壩發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故后所造成的損失，由此得出大壩的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，從而依據(jù)接受準(zhǔn)則制定針對(duì)性的應(yīng)對(duì)策略和控制方案。風(fēng)險(xiǎn)可以表示為后果和概率的函數(shù)[3]，即

R=f(P,C)

(1)

式中：R為風(fēng)險(xiǎn)；P為失事概率；C為對(duì)應(yīng)的失事后果或風(fēng)險(xiǎn)損失程度。

下面以大壩安全為分析對(duì)象，開展大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

(1) 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別用來識(shí)別可能引起大壩產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)源。風(fēng)險(xiǎn)源可以是內(nèi)部的，也可以是外部的。外部的風(fēng)險(xiǎn)源包括地震、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)降雨、超標(biāo)準(zhǔn)洪水(含上游非正常泄水)等自然環(huán)境因素，也包括上游可能失事的大壩、養(yǎng)魚的網(wǎng)箱、船只、滑坡體、泥石流溝等；內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)源包括組成大壩樞紐建筑物的大壩、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物、導(dǎo)流洞堵頭(含底孔)、船閘、升船機(jī)、魚道、過木建筑物、工程基礎(chǔ)、閘門及啟閉機(jī)等。

(2) 風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)分析指對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源推演可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)事件。一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件可能產(chǎn)生另一個(gè)更為嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)事件，建議依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)事件推演，建立風(fēng)險(xiǎn)路徑圖，對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行可能性和風(fēng)險(xiǎn)損失分析，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。大壩安全風(fēng)險(xiǎn)事件包括潰壩、漫壩、滑坡、泥石流、水淹廠房、堰塞湖、壩體壩基滲透破壞、壩體壩坡失穩(wěn)、泄水及消能設(shè)施沖刷破壞、泄水建筑物進(jìn)水口淤堵、泄水閘門啟閉設(shè)備和電源故障等。

(3) 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

對(duì)于不同等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)分別采取接受風(fēng)險(xiǎn)、降低風(fēng)險(xiǎn)和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)等措施，制定風(fēng)險(xiǎn)源的日常管理措施和風(fēng)險(xiǎn)事件的應(yīng)急應(yīng)對(duì)措施。

2 基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定

2.1 后果級(jí)別

目前，國內(nèi)普遍依據(jù)對(duì)環(huán)境影響、社會(huì)影響、傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失等情況評(píng)估確定風(fēng)險(xiǎn)損失嚴(yán)重程度?？紤]到風(fēng)險(xiǎn)管控的本身是水電站大壩，漫壩、潰壩是造成更大損失的直接原因，對(duì)大壩運(yùn)行的影響也作為評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)損失嚴(yán)重程度的依據(jù)[4-5]，將損失等級(jí)分為5級(jí)(表1)。不直接造成傷亡或直接經(jīng)濟(jì)損壞的，以最大可能造成大壩事故的傷亡和經(jīng)濟(jì)損失來確定。

表1 風(fēng)險(xiǎn)損失嚴(yán)重程度評(píng)估依據(jù)

2.2 可能性級(jí)別

風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性等級(jí)分為5級(jí)，其對(duì)應(yīng)的概率或頻率值見表2。

表2 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性評(píng)估依據(jù)

2.3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)損失嚴(yán)重程度(1～5級(jí))和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性等級(jí)(1～5級(jí))確定的風(fēng)險(xiǎn)矩陣見表3，表中風(fēng)險(xiǎn)值為(1～5級(jí))和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性等級(jí)(1～5級(jí))的乘積。依據(jù)確定的風(fēng)險(xiǎn)值對(duì)照表4風(fēng)險(xiǎn)值范圍，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[4-5]。不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的預(yù)警等級(jí)、接受準(zhǔn)則、應(yīng)對(duì)策略和控制方案。

表3 風(fēng)險(xiǎn)矩陣R和風(fēng)險(xiǎn)值確定表

表4 各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)接受準(zhǔn)則與應(yīng)對(duì)措施

3 事件推演建立風(fēng)險(xiǎn)路徑

通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立大壩面臨的各類風(fēng)險(xiǎn)的路徑。大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)主要包括構(gòu)筑物類、金屬結(jié)構(gòu)類、設(shè)備設(shè)施類、管理類、環(huán)境類等，其中環(huán)境類包括地震、山洪、泥石流、山體滑坡等(表5)。近幾年，我國大壩遭遇影響較大的，如汶川紫坪鋪震損、白格堰塞湖、牛欄江堰塞湖、龍?zhí)赌嗍鞯戎卮蟠髩伟踩L(fēng)險(xiǎn)均屬于環(huán)境類風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)境類風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)是目前影響我國大壩安全最為重要的一類風(fēng)險(xiǎn)。

表5 大壩工程運(yùn)行主要風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目

以李家峽水電站庫區(qū)滑坡體和假定的監(jiān)測(cè)為例，李家峽水電站位于黃河干流，青海省境內(nèi)尖扎縣和化隆縣交界處，距西寧市112 km。壩址以上控制流域面積13 674 km2，水庫正常蓄水位2 180 m，1 千年一遇設(shè)計(jì)洪水位2 181.3 m，1萬年一遇校核洪水位2 182.6 m。水庫總庫容17.5×108m3，電站總裝機(jī)容量2 000 MW，屬一等大(1)型工程。大壩及泄洪建筑物、廠房等為1級(jí)建筑物。壩址區(qū)地震基本烈度為7度，設(shè)防烈度為8度。

以李家峽水電站工程庫區(qū)的滑坡體為例：該滑坡群壩前右岸高350～400 m陡崖的頂部，距大壩1.2～2.5 km，巖性由黃土、紅層和混合巖夾片巖組成，單個(gè)滑坡一般寬約180～350 m，長約170～1 000 m，厚度約10～30 m，體積約170×104～580×104m3?；麦w前緣蠕滑，后緣拉裂、錯(cuò)坎、陷穴形跡顯著。

通過事件推演(圖1)，滑坡體可能造成涌浪或堰塞湖，堰塞湖處置不當(dāng)可能造成漫壩?；麦w造成涌浪事件的可能性為“中等”，損失等級(jí)為“較大”；滑坡體成堰塞體事件的可能性為“較低”，損失等級(jí)為“較大”；堰塞體處置不當(dāng)造成漫壩事件的可能性為“較低”，損失等級(jí)為“重大”。

圖1 李家峽滑坡體基于事件推演的風(fēng)險(xiǎn)路徑圖

4 監(jiān)測(cè)預(yù)警及其實(shí)踐

針對(duì)該滑坡體可能導(dǎo)致滑坡的原因進(jìn)行分析，除地質(zhì)條件外，強(qiáng)降雨、人工排水不當(dāng)是重要的誘發(fā)因素。以風(fēng)險(xiǎn)事件涌浪為例進(jìn)行分析，降雨量和地下水位對(duì)滑坡體產(chǎn)生涌浪的可能性影響見表6[6-8]。大壩及近壩庫岸建立了大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)置了變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、環(huán)境量(庫水位、降雨量、氣溫)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩和滑坡體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成果。同時(shí)，建立了水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)，可以預(yù)測(cè)未來的降雨情況。

表6 李家峽水電站庫區(qū)滑坡體產(chǎn)生涌浪的可能性監(jiān)測(cè) 預(yù)警條件統(tǒng)計(jì)表

基于上述條件，對(duì)滑坡體產(chǎn)生涌浪條件的降雨量和地下水位進(jìn)行自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，對(duì)滑坡體產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的可能性進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化動(dòng)態(tài)管控。

通過已建成的大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，再集成氣象(降雨、氣溫)預(yù)報(bào)、臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息、洪水預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)地震信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類大壩安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

5 結(jié) 語

基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，通過事件推演建立風(fēng)險(xiǎn)路徑，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化動(dòng)態(tài)管控。

5.1 總結(jié)大壩安全的風(fēng)險(xiǎn)源

風(fēng)險(xiǎn)源包含內(nèi)部的，也包含外部的。外部的風(fēng)險(xiǎn)源包括地震、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)降雨、超標(biāo)準(zhǔn)洪水(含上游非正常泄水)等自然環(huán)境因素，也包括上游可能失事的大壩、養(yǎng)魚的網(wǎng)箱、船只、滑坡體、泥石流溝等；內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)源包括組成大壩樞紐建筑物的大壩、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物、導(dǎo)流洞堵頭(含底孔)、船閘、升船機(jī)、魚道、過木建筑物、工程基礎(chǔ)、閘門及啟閉機(jī)等。

5.2 評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)事件

基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)事件推演，提出風(fēng)險(xiǎn)路徑圖。大壩安全風(fēng)險(xiǎn)事件包括潰壩、漫壩、滑坡、泥石流、水淹廠房、堰塞湖、壩體壩基滲透破壞、壩體壩坡失穩(wěn)、泄水及消能設(shè)施沖刷破壞、泄水建筑物進(jìn)水口淤堵、泄水閘門啟閉設(shè)備和電源故障等。

5.3 管控各風(fēng)險(xiǎn)事項(xiàng)

針對(duì)各類大壩安全事件可能產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析。分析內(nèi)因和外因，重點(diǎn)分析地震、降雨、氣溫、監(jiān)測(cè)監(jiān)控等外部因素，通過監(jiān)測(cè)預(yù)警條件的分析及各類數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)大壩安全風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)字化動(dòng)態(tài)管控。