李大成，張露澄，馬 黎，鐘啟明，3，吳 迪

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3.水利部水庫大壩安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

0 引 言

目前，我國有水庫大壩9.8萬余座，總庫容超9 000億m3[1]。大壩建設(shè)特點(diǎn)為總量多、類型多、小壩多、土石壩多、老舊壩多、病險庫多。據(jù)水利部大壩安全管理中心普查資料統(tǒng)計(jì)，1954年至2021年，我國共潰壩3 558座，年均潰壩52座，年均潰壩率5.3×10-4。通過對3 558個潰壩案例進(jìn)行分析，可將潰壩原因歸納為3大類，分別是自然因素(洪水漫頂)、工程因素(滲透破壞)和人為因素(設(shè)計(jì)施工缺陷、管理不當(dāng)?shù)?。21世紀(jì)以來，我國大力推進(jìn)水管體制改革和依法依規(guī)管理、大規(guī)模開展病險水庫除險加固、強(qiáng)化水庫應(yīng)急管理工作，使年均潰壩率降至5×10-5以下，進(jìn)入世界低潰壩率國家行列。在這一時期，極端天氣導(dǎo)致的超標(biāo)準(zhǔn)洪水和各類滲流問題成為水庫潰決的主要原因。同時，水庫調(diào)度不當(dāng)、盲目和非法超蓄、閘門操作失靈、無人管理等運(yùn)行管理問題長期存在，當(dāng)耦合庫水位等運(yùn)行條件發(fā)生改變時，極易導(dǎo)致潰壩事故。

目前，我國已建、在建和擬建的高度在200 m以上的特高土石壩數(shù)量居世界首位[2]，這些特高土石壩主要集中在西部山區(qū)，具有高海拔、高地震烈度、高邊坡、復(fù)雜地質(zhì)條件等特點(diǎn)[3]。這些特高土石壩庫容龐大，大多為流域梯級開發(fā)中具有年調(diào)節(jié)作用的控制性水庫甚至是龍頭水庫，一旦發(fā)生潰壩，洪水將在高山峽谷中迅速演進(jìn)，如果無法有效攔蓄，將淹沒下游平原地區(qū)，對人民生命財產(chǎn)和環(huán)境帶來不可估量的損失[4-5]。因此，必須高度重視高土石壩安全風(fēng)險問題。

根據(jù)國際大壩委員會(ICOLD)的定義，風(fēng)險是指對生命、健康、財產(chǎn)和環(huán)境負(fù)面影響的可能性和嚴(yán)重性的度量，是潰壩可能性和產(chǎn)生后果的乘積[6]。因此，潰壩風(fēng)險分為潰壩概率和潰壩后果兩部分。本文重點(diǎn)研究高心墻堆石壩的潰壩概率問題。以我國西南地區(qū)擬建的某特高心墻壩為研究對象，本文采用破壞模式、后果和危害程度分析(Failure modes，effects and criticality analysis，F(xiàn)MECA)法確定大壩主要潰壩模式和潰壩路徑，基于反映時序邏輯的事件樹分析法計(jì)算其潰壩概率。

1 工程概況

某特高心墻壩位于我國西南山區(qū)，根據(jù)其可行性研究報告，該樞紐工程由礫石土心墻堆石壩、泄洪消能建筑物(右岸洞式溢洪道、右岸泄洪洞、放空洞)、引水發(fā)電系統(tǒng)、地下廠房等主要建筑物組成。壩體共分8個區(qū)，自上游至下游依次為上游堆石Ⅰ區(qū)、上游堆石Ⅱ區(qū)、過渡區(qū)、反濾料Ⅱ區(qū)、反濾料Ⅰ區(qū)、防滲礫石土心墻、反濾料Ⅰ區(qū)、反濾料Ⅱ區(qū)、過渡區(qū)、下游堆石Ⅰ區(qū)、下游堆石Ⅱ區(qū)、上下游護(hù)坡。

根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[7]，庫區(qū)基本全處于0.20g范圍。據(jù)此，庫區(qū)Ⅱ類場地50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.20g，反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。

該工程等別為一等大(1)型，對下游多個梯級電站具有調(diào)節(jié)補(bǔ)償作用，是年調(diào)節(jié)水庫。因此，為了提出防止?jié)魏蛯ζ溥M(jìn)行應(yīng)急管理的措施，有必要研究大壩的潰壩模式和潰壩概率。

2 大壩風(fēng)險要素識別

根據(jù)某特高心墻壩工程布置、水文氣象、地形地貌等基本情況，結(jié)合設(shè)計(jì)資料，查找分析大壩主要風(fēng)險要素，包括工程風(fēng)險要素、環(huán)境風(fēng)險要素、人為風(fēng)險要素。

工程風(fēng)險要素識別主要是查找可能導(dǎo)致潰壩的工程自身缺陷。工程自身缺陷包括工程地質(zhì)缺陷，如近壩庫岸不良地質(zhì)體滑坡或崩塌等；工程質(zhì)量缺陷，如壩體施工質(zhì)量缺陷或壩坡偏陡可能導(dǎo)致滑坡，壩頂高程不足可能導(dǎo)致洪水漫頂，閘門破壞或啟閉失效可能導(dǎo)致洪水漫頂?shù)取?/p>

環(huán)境風(fēng)險要素識別主要是查找可能導(dǎo)致潰壩的外力因素。外力因素包括洪水、地震等。

人為風(fēng)險要素識別主要是查找大壩安全管理的薄弱環(huán)節(jié)和社會安全事件。大壩安全管理的薄弱環(huán)節(jié)包括管理缺失或不規(guī)范、缺少必要的安全監(jiān)測設(shè)施與應(yīng)急電源、無防汛搶險道路與通信設(shè)施、操作失誤、盲目與非法超蓄等。社會安全事件包括人為破壞(戰(zhàn)爭、恐怖活動)等。

識別某特高心墻壩工程可能發(fā)生破壞的風(fēng)險要素，結(jié)果具體如下。

2.1 大壩

(1)壩頂?？赡芷茐脑蛴校孩賶误w沉降不均導(dǎo)致壩頂路面出現(xiàn)裂縫；②沉降過大導(dǎo)致壩頂超高不足而漫頂。

(2)防浪墻?？赡芷茐脑蛴校孩賶误w沉降不均導(dǎo)致防浪墻開裂；②近壩庫岸堆積體崩塌造成涌浪導(dǎo)致防浪墻失效；③地震作用導(dǎo)致防浪墻破壞。

(3)礫石土心墻?？赡芷茐脑蛴校孩偬钪|(zhì)量差，水力坡降大于允許比降，產(chǎn)生滲透破壞；②高壩不均勻沉降導(dǎo)致心墻接觸部位滲透破壞；③無控制下的庫水位驟升導(dǎo)致礫石土心墻發(fā)生水力劈裂；④洪水漫頂沖刷致使心墻暴露，發(fā)生傾倒破壞或剪切破壞；⑤地震作用引起心墻剪切錯動，導(dǎo)致滲透破壞；⑥強(qiáng)震作用引起心墻失穩(wěn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性破壞。

(4)接觸黏土料?？赡芷茐脑蛴校孩偬钪|(zhì)量差，水力坡降大于允許比降，產(chǎn)生滲透破壞；②高壩不均勻沉降導(dǎo)致接觸黏土料與岸坡出現(xiàn)大剪切變形，防滲失效引起接觸侵蝕破壞；③地震作用導(dǎo)致接觸黏土層出現(xiàn)大剪切變形，致其失效，引起接觸侵蝕破壞。

(5)反濾料?？赡芷茐脑蛴校孩偬钪|(zhì)量差，水力坡降大于允許比降，產(chǎn)生滲透破壞；②反濾料不能滿足反濾要求，導(dǎo)致堆石料細(xì)粒流失，堆石料變形加劇，形成管涌通道或引起過大沉降；③高壩不均勻沉降導(dǎo)致反濾料與礫石土心墻接觸部位滲透破壞；④地震作用導(dǎo)致心墻失效，滲漏水加劇沖刷反濾料致其流失，引起滲透破壞。

(6)過渡料?？赡芷茐脑蛴校孩龠^渡料不能滿足反濾要求，導(dǎo)致反濾層流失，接觸部位出現(xiàn)集中沖刷；②地震作用導(dǎo)致心墻失效，滲漏水沖刷過渡料致其流失，導(dǎo)致滲透破壞。

(7)堆石I區(qū)?？赡芷茐脑蛴校孩俣咽铣两颠^大，壩頂超高不足；②堆石料沉降過大，變形協(xié)調(diào)問題突出，與反濾料接觸面發(fā)生滲透破壞；③下游堆石料滲透系數(shù)偏低導(dǎo)致排水不暢，引起壩體浸潤線抬升；④鋼筋抗震加固效果不理想，地震作用導(dǎo)致堆石料失穩(wěn)破壞。

(8)堆石II區(qū)。可能破壞原因有：①堆石料沉降過大，壩頂超高不足；②地震作用導(dǎo)致堆石料失穩(wěn)破壞。

(9)塊石護(hù)坡?？赡芷茐脑蛴校孩偬钪|(zhì)量差導(dǎo)致局部滑坡；②地震作用導(dǎo)致局部滑坡。

(10)混凝土蓋板?？赡芷茐脑蛴校孩贊仓|(zhì)量差，致使壩基滲漏加?。虎诟邏巫冃螀f(xié)調(diào)問題導(dǎo)致墊層破壞，開裂、漏水；③地震作用導(dǎo)致蓋板開裂、漏水。

(11)混凝土擋墻?？赡芷茐脑蛴校孩偬钪|(zhì)量差，導(dǎo)致下游蓋重區(qū)失穩(wěn)；②地震作用導(dǎo)致?lián)鯄﹂_裂破壞。

(12)防滲帷幕?？赡芷茐脑蛴校孩偈┕べ|(zhì)量差，導(dǎo)致防滲帷幕透水性較強(qiáng)，滲漏加?。虎诘卣鹱饔脤?dǎo)致防滲帷幕變形、開裂。

(13)壩基?？赡芷茐脑蛴校孩俸樗敍_刷壩基；②高壩不均勻沉降導(dǎo)致壩頂超高不足，導(dǎo)致漫頂破壞；③壩基滲透變形導(dǎo)致壩頂超高不足或防滲體系破壞。

(14)左右岸壩肩?？赡芷茐脑蛴校孩俑哌吰率Х€(wěn)；②繞壩滲漏；③地震作用下壩肩滑坡。

2.2 右岸溢洪洞

(1)引渠?？赡芷茐脑蛴校孩偈┕べ|(zhì)量差，引渠底板、連接段存在滲流通道，導(dǎo)致滲透破壞；②地震破壞。

(2)洞身。可能破壞原因有：①沖刷破壞；②滲漏破壞；③混凝土基礎(chǔ)遭掏刷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞；④地震作用導(dǎo)致坍塌。

(3)閘門?？赡芷茐脑蛴校孩匍l門無法開啟或開啟不足；②地震破壞；③閘門破壞庫水無控下泄。

(4)泄洪消能?？赡芷茐脑蛴校孩傩共叟c挑流鼻坎凹段高度不足，水漫溢墻；②沖刷破壞；③滲漏破壞；④結(jié)構(gòu)破壞；⑤地震導(dǎo)致破壞。

2.3 右岸泄洪洞/放空洞

(1)閘門?？赡芷茐脑蛴校孩匍l門無法開啟或開啟不足；②地震破壞；③閘門破壞庫水無控下泄。

(2)洞身?？赡芷茐脑蛴校孩贈_刷破壞；②滲漏破壞；③結(jié)構(gòu)破壞；④地震導(dǎo)致破壞。

2.4 引水發(fā)電系統(tǒng)

(1)進(jìn)口邊坡?？赡芷茐脑蛴校孩倩?；②地震作用導(dǎo)致坍塌。

(2)閘門?？赡芷茐脑蛴校孩匍l門無法開啟或開啟不足；②地震破壞；③閘門破壞庫水無控下泄。

(3)洞身?？赡芷茐脑蛴校孩贈_刷破壞；②滲漏破壞；③結(jié)構(gòu)破壞；④地震導(dǎo)致破壞。

3 潰壩模式分析

對識別的大壩風(fēng)險要素，采用破壞模式分析確定大壩的潰壩模式和潰壩路徑。破壞模式是指在大壩風(fēng)險要素作用下，導(dǎo)致大壩最終破壞的路徑。本文利用FMECA法[8-9]分析某特高心墻壩各建筑物可能的破壞模式及其后果和危害程度，在此基礎(chǔ)上得到主要潰壩模式與潰壩路徑。

3.1 破壞模式分析

采用FMECA法，分析某特高心墻壩大壩和泄水建筑物的可能破壞模式、后果和危害程度，結(jié)果見表1。限于篇幅，本文僅列出危害程度高的破壞模式。

表1 某特高心墻壩破壞模式、后果和危害程度分析

由表1可知，危害程度高的破壞模式為：①壩體沉降過大；②泄水建筑物閘門故障；③強(qiáng)震作用下壩體結(jié)構(gòu)破壞；④強(qiáng)震作用下泄水建筑物閘門卡阻；⑤恐怖襲擊導(dǎo)致心墻破壞；⑥心墻變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂縫；⑦心墻與岸坡接觸部位大剪切變形；⑧防滲帷幕破壞。

在工程運(yùn)行中需要重點(diǎn)關(guān)注上述部位及其破壞模式，及時采取工程或非工程措施預(yù)防上述破壞模式。

3.2 主要潰壩模式與潰壩路徑

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析[10-11]，土石壩最終的潰壩模式均可以歸為漫頂潰壩和滲透破壞潰壩2類[12]。根據(jù)上述破壞模式分析結(jié)果，可以得到某特高心墻壩主要潰壩路徑，具體如下。

3.2.1 漫頂潰壩

(1)潰壩路徑L1。壩體沉降過大→洪水→庫水位抬升→壩頂超高不足→不能及時加高壩頂→漫頂→沖刷壩體→干預(yù)無效→礫石土心墻暴露、發(fā)生傾倒破壞或剪切破壞→潰壩。

(2)潰壩路徑L2。洪水→泄水建筑物閘門故障導(dǎo)致無法泄洪→庫水位抬升→壩頂高程不足→不能及時加高壩頂→漫頂→沖刷壩體→干預(yù)無效→礫石土心墻暴露、發(fā)生傾倒破壞或剪切破壞→潰壩。

(3)潰壩路徑L3。強(qiáng)震→大壩變形不協(xié)調(diào)→壩體結(jié)構(gòu)破壞→堆石區(qū)松動、心墻產(chǎn)生裂縫→壩頂高程不足→不能及時加高壩頂→漫頂→加速沖蝕心墻→干預(yù)無效→潰壩。

(4)潰壩路徑L4。強(qiáng)震→泄水建筑物閘門卡阻導(dǎo)致無法泄洪→庫水位抬升→壩頂高程不足→不能及時加高壩頂→漫頂→沖刷壩體→干預(yù)無效→礫石土心墻暴露、發(fā)生傾倒破壞或剪切破壞→潰壩。

(5)潰壩路徑L5。恐怖襲擊→壩體結(jié)構(gòu)破壞→心墻產(chǎn)生潰口→壩頂高程不足→不能及時加高壩頂→漫頂→沖刷壩體→干預(yù)無效→礫石土心墻暴露、發(fā)生傾倒破壞或剪切破壞→潰壩。

3.2.2 滲透破壞潰壩

(1)潰壩路徑L6。心墻內(nèi)部變形不協(xié)調(diào)→心墻裂縫→水力劈裂→反濾保護(hù)效果不佳心墻未能自愈→沖蝕心墻土料→滲透破壞→干預(yù)無效→潰口向兩側(cè)擴(kuò)展→潰壩。

(2)潰壩路徑L7。大壩不均勻沉降→心墻與岸坡接觸部位大剪切變形→接觸沖刷→形成滲流通道→滲透破壞→干預(yù)無效→礫石土心墻暴露、發(fā)生傾倒破壞或剪切破壞→潰壩。

(3)潰壩路徑L8。防滲帷幕破壞→壩基滲透破壞→壩體失穩(wěn)→干預(yù)無效→潰壩。

4 潰壩概率計(jì)算

根據(jù)破壞模式分析結(jié)果，結(jié)合洪水/地震重現(xiàn)期，構(gòu)造事件樹，利用事件樹法[13-14]計(jì)算大壩潰壩概率。

4.1 事件樹法

4.1.1 基本概念

事件樹法是一種時序邏輯分析方法，該方法以初始事件為起點(diǎn)，按照事件的發(fā)展順序，對可能的后續(xù)事件逐步進(jìn)行分析，直至系統(tǒng)事故或破壞為止。事件發(fā)生順序存在著一定的因果邏輯關(guān)系，當(dāng)對每一事件賦予相應(yīng)的發(fā)生概率時，就可以估算系統(tǒng)故障發(fā)生的總體概率。事件樹法可用于各類大壩的潰壩概率計(jì)算。

4.1.2 計(jì)算方法

某種荷載狀態(tài)下某條潰壩路徑的潰壩概率Pi，j為

(1)

式中，Pi，j為第i種荷載狀態(tài)、第j種潰壩模式的潰壩概率；p(i，j，k)為第i種荷載狀態(tài)、第j種潰壩模式下第k個環(huán)節(jié)發(fā)生的概率；i為荷載狀態(tài)，i=1，2，…，n；j為潰壩模式，j=1，2，…，m；k為潰壩路徑中的某一環(huán)節(jié)，k=1，2，…，s。

當(dāng)潰壩模式數(shù)量m較少時，某種荷載狀態(tài)下的潰壩概率Pi按式(2)計(jì)算，否則，Pi可取式(3)的上限或者上限和下限的均值。

Pi=P(A1+A2+…+Am)

(2)

(3)

式中，Pi為第i種荷載狀態(tài)的潰壩概率；A1、A2、…、Am為第i種荷載狀態(tài)下的m個潰壩模式。

潰壩概率P為

(4)

式中，Pi為第i種荷載狀態(tài)的潰壩概率；n為荷載狀態(tài)數(shù)量。

根據(jù)洪水/地震重現(xiàn)期區(qū)間構(gòu)造事件樹，然后根據(jù)破壞模式確定破壞路徑，根據(jù)破壞路徑構(gòu)造各分支事件樹，求出不同破壞模式下的破壞概率。

各荷載狀態(tài)發(fā)生概率f等于各重現(xiàn)期區(qū)間內(nèi)的頻率之差，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各荷載狀態(tài)發(fā)生概率計(jì)算

某荷載狀態(tài)下，潰壩概率的計(jì)算方法見表3。

4.2 某特高心墻壩潰壩概率計(jì)算

4.2.1 漫頂潰壩概率計(jì)算

潰壩路徑L1～L5中各環(huán)節(jié)的失事概率由專家經(jīng)驗(yàn)法得到，失事概率為各環(huán)節(jié)失事概率的乘積。根據(jù)式(1)，潰壩概率是第i種荷載狀態(tài)的發(fā)生概率與失事概率的乘積。潰壩路徑L1～L5潰壩概率計(jì)算過程見表4～8。

表4 潰壩路徑L1潰壩概率計(jì)算過程

表5 潰壩路徑L2潰壩概率計(jì)算過程

表6 潰壩路徑L3潰壩概率計(jì)算過程

表7 潰壩路徑L4潰壩概率計(jì)算過程

表8 潰壩路徑L5潰壩概率計(jì)算過程

用式(2)計(jì)算5種潰壩路徑下的潰壩概率，計(jì)算結(jié)果見表9。由表9可知，潰壩路徑L4發(fā)生的概率最大，即強(qiáng)震作用下泄水建筑物閘門卡阻導(dǎo)致無法泄洪而潰壩的概率最大。其他4種潰壩路徑中，強(qiáng)震作用下壩體結(jié)構(gòu)破壞(L3)、泄水建筑物閘門故障(L2)、壩體沉降過大導(dǎo)致壩頂超高不足(L1)、恐怖襲擊導(dǎo)致心墻破壞(L5)的潰壩概率依次減小。

表9 各荷載狀態(tài)下漫頂潰壩概率計(jì)算結(jié)果

4.2.2 滲透破壞潰壩概率計(jì)算

滲透破壞導(dǎo)致潰壩的潰壩路徑為L6～L8，與漫頂潰壩概率計(jì)算方法一樣，潰壩路徑L6～L8潰壩概率計(jì)算過程見表10～12。

表10 潰壩路徑L6潰壩概率計(jì)算過程

表11 潰壩路徑L7潰壩概率計(jì)算過程

表12 潰壩路徑L8潰壩概率計(jì)算過程

用式(2)計(jì)算3種潰壩路徑下的潰壩概率，計(jì)算結(jié)果見表13。由表13可知，心墻變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致潰壩的概率最大，心墻與岸坡接觸部位大剪切變形形成滲流通道、防滲帷幕破壞導(dǎo)致壩基滲透破壞而潰壩的概率依次減小。

4.2.3 綜合潰壩概率計(jì)算

計(jì)算某特高心墻壩綜合潰壩概率。根據(jù)式(4)，由表9可計(jì)算得到漫頂潰壩概率為6.25×10-6，由表13可計(jì)算得到滲透破壞潰壩概率為1.36×10-6，最終得出綜合潰壩概率為7.61×10-6?？梢?，該特高心墻壩漫頂潰壩的概率高于滲透破壞潰壩的概率。

表13 各荷載狀態(tài)下滲透破壞潰壩概率計(jì)算結(jié)果 10-7

5 結(jié) 論

針對我國擬建的某特高心墻堆石壩，首先對其工程資料進(jìn)行分析得到了大壩主要風(fēng)險要素，其次采用FMECA法分析確定了大壩主要潰壩模式和潰壩路徑，最后基于反映時序邏輯的事件樹分析法計(jì)算得到了潰壩概率。本文得到以下主要結(jié)論：

(1)某特高心墻壩危害程度高的破壞模式主要有：壩體沉降過大導(dǎo)致壩頂超高不足，泄水建筑物閘門故障，強(qiáng)震作用下壩體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)震作用下泄水建筑物閘門卡阻導(dǎo)致無法泄洪，恐怖襲擊導(dǎo)致心墻破壞，心墻變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂縫，心墻與岸坡接觸部位大剪切變形，防滲帷幕破壞。

(2)根據(jù)破壞模式分析結(jié)果，分別得到相應(yīng)的5種漫頂潰壩路徑和3種滲透破壞潰壩路徑。

(3)采用事件樹法計(jì)算得到各潰壩模式下的潰壩概率，漫頂潰壩的概率為6.25×10-6，滲透破壞潰壩的概率為1.36×10-6，綜合潰壩概率為7.61×10-6。

綜上所述，根據(jù)本文分析結(jié)果，可以從設(shè)計(jì)、建設(shè)階段就對該特高心墻堆石壩采取針對性措施，保障工程安全及下游公共安全，同時，該結(jié)果可為編制科學(xué)的突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案及工程建成投運(yùn)后的突發(fā)事件監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急處置提供科學(xué)依據(jù)。