水壩設(shè)計和風(fēng)險分析

曹楚生 ，張叢林

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.中水北方公司，天津 300222）

0 前言

近二三十年以來，風(fēng)險分析理念己逐漸深入到各種工程設(shè)計中，有些工程設(shè)計已與風(fēng)險分析融為一體，兩者相輔相成，互為補充，改善優(yōu)化了工程設(shè)計并提高了工程的抗風(fēng)險能力。

我國水利水電工程建設(shè)發(fā)展較快，迄今已建壩約8萬余座，建壩后一般都促進了下游工農(nóng)業(yè)發(fā)展，人口增加，供水發(fā)電效益顯著。但由于種種原因，特別是中小壩的潰決時有發(fā)生。潰壩后果特別嚴(yán)重，主要反映在兩個方面：①巨大的防洪、供水或發(fā)電效益毀于一旦；②對下游人民的生命財產(chǎn)、國民經(jīng)濟造成極大損失。目前，有關(guān)風(fēng)險分析的情況可以概略如下：

（1）國內(nèi)外潰壩率大幅度降低。據(jù)1982年第14屆世界大壩會議報道，在1900年潰壩率曾一度大于10%，以后逐漸減少，至1980年已降至約0.2%。根據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計結(jié)果，目前潰壩率應(yīng)在0.1%左右，已大幅降低。

（2）可靠度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)已實施。我國頒布了基于可靠度設(shè)計的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以及鋼筋混凝土、重力壩等壩工設(shè)計規(guī)范和準(zhǔn)則等，工民建和電力系統(tǒng)等方面已按此執(zhí)行，亦即可靠概率為99.99%～99.997%，失效概率相應(yīng)為0.01%～0.003%。應(yīng)該指出：這里僅考慮了結(jié)構(gòu)荷載（作用）和材料強度（抗力）的變異性及某些不確定因素，未能包含各種工程風(fēng)險的影響，故上述失效概率小于潰壩率甚多，這說明潰壩率還有較大的降低空間。

（3）風(fēng)險分析研究。以下闡述如何通過風(fēng)險分析研究、抑制風(fēng)險對策和風(fēng)險設(shè)計等手段，以提高工程的抗風(fēng)險能力，并降低工程的失事概率。一般風(fēng)險分析的內(nèi)容主要包括明確主要風(fēng)險因子、風(fēng)險概率，并提出對風(fēng)險抑制、轉(zhuǎn)移的對策。 后者與工程息息相關(guān)，宜有深入了解原設(shè)計的人員參與，針對具體工程和各項風(fēng)險提出防范措施，以達到抑制轉(zhuǎn)移風(fēng)險的目的。上述措施應(yīng)經(jīng)過周密的思考和論證，應(yīng)在工程上相應(yīng)采取確實有效的措施，盡量減小以上風(fēng)險出現(xiàn)的可能性，并對其影響范圍予以限制。需要時，對嚴(yán)重風(fēng)險還應(yīng)考慮預(yù)警措施。

總之，在上述風(fēng)險分析研究中提出的抑制風(fēng)險的對策應(yīng)在水壩設(shè)計中一一予以落實。

1 風(fēng)險防范

一般通過風(fēng)險分析最終應(yīng)提出對風(fēng)險進行抑制、轉(zhuǎn)移的對策。更重要的是在風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上，針對具體工程，與熟悉原設(shè)計的人員一道，研究如何落實所提出的對策，并對原設(shè)計方案作適當(dāng)修改和優(yōu)化，對優(yōu)化后的方案還可再進行風(fēng)險分析研究。以上工作——風(fēng)險設(shè)計的作用極大，可進一步或不斷優(yōu)化原工程方案，有效地改善工程設(shè)計質(zhì)量，并提高工程抗風(fēng)險能力。

筆者在河北潘家口、深圳公明供水和重慶玉灘等水庫工程風(fēng)險分析研究中，主要歸納出以下幾點認(rèn)識和防范措施：

（1）幾點認(rèn)識。①關(guān)于漫壩垮壩風(fēng)險，由于水文氣象、洪水演進、水庫調(diào)度的不確定性和隨機性，應(yīng)關(guān)注可能最大或超標(biāo)準(zhǔn)洪水和應(yīng)對風(fēng)險的措施。②應(yīng)對地震危險性、地震加速度和地震風(fēng)險進行分析論證。③關(guān)于壩體和地基風(fēng)險，應(yīng)通過大壩安全監(jiān)測資料進行分時段對比分析，提出應(yīng)對措施。④風(fēng)險還可能來自閘門或泄洪泄水設(shè)施失靈或未能及時啟閉等事故。

（2）防范措施。為抑制上述各種風(fēng)險，必須采取有效的防范措施，可視風(fēng)險性質(zhì)采取非常溢洪道、溢洪缺口和泄水設(shè)施以及閘門等設(shè)施，除電動外還應(yīng)考慮手動、自動等有效手段。應(yīng)注意這些防范措施不能影響水壩安全，并符合水壩設(shè)計要求。此外還應(yīng)注意以下事項：①關(guān)于對次生災(zāi)害的防治，常有多股不同量級的洪水和高速水流對地基產(chǎn)生碰撞和沖刷時，應(yīng)考慮有效的防范措施，例如使水流在空中撞擊，采用消力墩或消力池等綜合措施。②當(dāng)水壩工程的樞紐布置基本確定后，即可同時進行風(fēng)險分析研究。③因風(fēng)險分析和風(fēng)險設(shè)計涉及的范圍較廣，特別是下游出現(xiàn)洪水泛濫后影響面往往會擴大很多，所需要的地形圖的范圍和計算分析遠(yuǎn)比一般工程設(shè)計要大且復(fù)雜。 視我國目前的情況，可至該地段的有關(guān)地方部門索取所需的最新航測地形圖，通過可視化仿真計算，在虛擬的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上與設(shè)計提供的圖紙整合并模擬洪水演進，最終從仿真計算成果中截取關(guān)鍵瞬間（施工期以及未來運行期中若干重要瞬間），繪制風(fēng)險圖中所需的相關(guān)平面圖和剖面圖等，以供規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用。通過針對某一工程含風(fēng)險設(shè)計在內(nèi)的風(fēng)險分析研究，將會對該工程各種風(fēng)險有更清晰和更深入的認(rèn)識。

綜上所述，對水壩連同地基和泄洪泄水風(fēng)險情況以及防范措施分述于下。

2 水壩—地基風(fēng)險

我國壩工令世界矚目，水壩無論在壩高、規(guī)模、庫容及防洪、發(fā)電、供水、灌溉和航運方面均位居世界前列。

（1）可視化數(shù)模仿真分析等方面取得了可喜進展，使水壩設(shè)計得到進一步發(fā)展：①混凝土和巖土性能，溫度應(yīng)力，水力學(xué)、巖土力學(xué)方面的一些參數(shù)，可在規(guī)劃設(shè)計或施工中任何重要瞬間擬定，并可在需要時隨時進行動態(tài)修訂。②壩體輪廓更趨經(jīng)濟合理，向輕薄型和簡化孔洞、接縫、構(gòu)造等方向發(fā)展。③隨著大容量振動碾壓機械化施工的實踐，大型土石壩和碾壓混凝土壩都取得了可喜的進展。

（2）風(fēng)險防治的關(guān)鍵是要做好安全監(jiān)測，及時并定期（汛前、汛后和年終）進行分析對比，如發(fā)現(xiàn)某些指標(biāo)變幅異常，應(yīng)及時維護和處理，否則風(fēng)險將會應(yīng)運而至。①在大壩安全監(jiān)測資料的整理分析和風(fēng)險分析研究的基礎(chǔ)上，針對建筑物和地基穩(wěn)定、應(yīng)力、滲漏量、滲壓、沉陷等，按壩體實際的滲壓場進行驗算復(fù)核，并在需要時補充設(shè)置足夠的量測等監(jiān)控設(shè)施和管網(wǎng)。②當(dāng)實測值超出計算值或出現(xiàn)指標(biāo)變幅異常時，應(yīng)考慮預(yù)警預(yù)案，并對出現(xiàn)險情后的補救措施事前做好準(zhǔn)備。③目前我國在壩工建筑物和地基出現(xiàn)險情后的人工干預(yù)加固方面有成熟經(jīng)驗，如：灌漿、高壓旋噴灌漿、地下防滲墻、劈裂灌漿等等，處理時間不長（約數(shù)月）且一般均可奏效，能滿足滲水壓和滲流作用下的抗滑、抗?jié)B和變形穩(wěn)定。④當(dāng)壩體和地基出現(xiàn)異常時，如：裂縫或滲水；浸潤線異常，推算壩基滲漏量增加；實測滲漏量超標(biāo)；壩址下游出現(xiàn)冒水冒沙、管涌等現(xiàn)象，只要事先早作妥善考慮，按預(yù)警預(yù)案處理，即可化險為夷。

3 泄洪泄水風(fēng)險

水壩泄洪泄水時會出現(xiàn)多股水流，或直沖河床，或在空中撞擊，或回流呈旋渦狀沖刷淘刷，對壩區(qū)和下游構(gòu)成威脅，可能在下游形成不同深度的沖坑或淘刷坑，對此，有關(guān)各方應(yīng)高度重視。在工程實踐中，必須采用堅實的河床墊層或其他有效的消能設(shè)施。

（1）壩區(qū)沖刷。水壩一般都有泄洪泄水設(shè)施，本節(jié)所言風(fēng)險主要指壩區(qū)，按具體工程情況論述于下。公明工程水庫由6座大壩和中間相連的山丘組成，總長逾3 km，水庫總庫容1.48億m3，因靠近河流末端集雨面積很小，點暴雨形成的入庫洪峰洪量有待進一步落實，并應(yīng)考慮超標(biāo)準(zhǔn)洪水。再如玉灘水庫由主壩和7座副壩等組成，總庫容1.5億m3，主壩下游河道特別是在約3 km范圍內(nèi)，除原有居民住房外，目前還在興建工程管理建筑設(shè)施和水庫移民住房，該區(qū)人口稠密，應(yīng)關(guān)注交通道路、防洪防火等事宜。在風(fēng)險分析研究中，需要時刻考慮變動它們的位置，提出一個或幾個方案以比較洪水和泄水對下游的影響。通過不同的洪水演進分析計算，獲得包括不同量級的下泄流量時急流沖刷會造成的水患及淹沒范圍內(nèi)關(guān)鍵部位和關(guān)鍵剖面的洪水淹沒圖、水面高程、流速流向和水深等風(fēng)險圖。這樣可以據(jù)以修改并優(yōu)化原設(shè)計的樞紐布置方案。

（2）下游水患風(fēng)險。很多水庫因泄洪泄水對下游造成水患，如以上提到的公明水庫下游約10 km處被一南北向公路阻擋，路基較高，其間只有一個橋孔和一個涵洞可供泄水；而玉灘壩址下游3 km范圍內(nèi)原有鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道已很緊湊，現(xiàn)正按既定方案增建眾多建筑、道路等，這些都會阻礙洪水出路，形成兩個水患風(fēng)險區(qū)。這些水患風(fēng)險區(qū)地形復(fù)雜，山谷溝渠縱橫，有的經(jīng)常無水一片荒漠，有的塘堰相連草木叢生；有無人少人區(qū)，也有建房林立人口稠密區(qū)。當(dāng)洪水來臨時，區(qū)內(nèi)水流流向、流態(tài)很難辨認(rèn)，給進一步的勘測帶來困難。可以通過對洪水演進的仿真計算，獲得有關(guān)剖面、平面圖及區(qū)內(nèi)大壩泄洪時的水位、流態(tài)等風(fēng)險圖，供今后市政規(guī)劃參考。

4 結(jié)語和建議

總結(jié)多次實踐經(jīng)驗，認(rèn)為不同量級泄洪泄水流量會使下游地區(qū)有不同程度的受阻受淹風(fēng)險，應(yīng)合理規(guī)劃今后的發(fā)展，劃分不同級別的風(fēng)險區(qū)，降低可能的損失，避免在下游風(fēng)險區(qū)內(nèi)大量開發(fā)，減少潛在的風(fēng)險。最后建議，除采用一般的溢洪和輸泄水設(shè)施外，還應(yīng)注意以下幾點：①因地制宜設(shè)置非常形式的及備用的多種設(shè)施，以供應(yīng)對風(fēng)險時選用；②保留并拓展必要的蓄、滯洪區(qū)及河道，提高行洪抗洪能力，按照擬開挖疏浚后的地形再重新核算水位和淹沒范圍；③在技術(shù)上和時間上要綜合考慮人工干預(yù)險情處理并留有余地；④下游水患風(fēng)險影響較大時，應(yīng)視情況做好預(yù)警、預(yù)案。

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