公明水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)排序研究

黃 凌 宋 洋

（1.深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東深圳 518048；2.中國民航大學(xué)，天津 300300）

作為一種以風(fēng)險(xiǎn)度量為理念的事前積極管理機(jī)制，風(fēng)險(xiǎn)管理是通過用于管理、控制風(fēng)險(xiǎn)的一整套政策和程序，識別、評估、監(jiān)控和處理面臨的各種風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)水庫風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)者承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)模與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、風(fēng)險(xiǎn)與回報(bào)的平衡.到目前為止，已經(jīng)有很多機(jī)構(gòu)和學(xué)者對大壩風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行了研究.美國墾務(wù)局（USBR）推薦使用現(xiàn)場評分法來衡量水庫大壩的風(fēng)險(xiǎn)［1－2］；美國國家氣象局（NWS）開發(fā)了一系列潰壩模型.從DAMBRK 模型到BREACH 模型（李雷，李君純，等.江西省部分大、中型水庫安全現(xiàn)狀調(diào)研報(bào)告［R］.2000），再到FLDWAV 模型［3］，為潰壩洪水計(jì)算提供了強(qiáng)大的軟件支持，大壩風(fēng)險(xiǎn)分析可以直接應(yīng)用這些計(jì)算成果進(jìn)行潰壩后果評價(jià)；有人［4］根據(jù)中國1954～2001年已潰壩資料，詳細(xì)分析了中國平均年潰壩率和導(dǎo)致大壩潰決的主要機(jī)理和原因，抓住主要問題，由專家簡化荷載、潰壩模式和破壞路徑，確定各環(huán)節(jié)的發(fā)生概率和潰壩事件的概率；有學(xué)者（李雷，王昭升、彭雪輝.水庫大壩潰決模式和潰壩概率分析研究［R］.2004）較全面地介紹了大壩風(fēng)險(xiǎn)分析中涉及的潰壩影響及其后果（包括生命、經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)和環(huán)境影響）的確定方法.

澳大利亞［5］最早將風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)應(yīng)用于群壩的安全管理，該方法是在對每一座大壩進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，即對某一范圍內(nèi)的所有大壩的風(fēng)險(xiǎn)分析情況進(jìn)行評價(jià)，從而提出經(jīng)濟(jì)而高效的風(fēng)險(xiǎn)降低策略，指導(dǎo)大壩安全管理工作.傅瓊?cè)A［6］等利用大壩工程安全風(fēng)險(xiǎn)程度因子、潰壩損失影響因子、水庫的綜合影響因子來計(jì)算水庫的風(fēng)險(xiǎn)評估指數(shù)，并以此對壩群進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排序.周正?。?］采用TOPSIS法對群壩進(jìn)行了綜合風(fēng)險(xiǎn)排序，通過引入模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)中廣泛應(yīng)用的TOPSIS法，從最優(yōu)理想解和最劣理想解兩方面進(jìn)行群壩風(fēng)險(xiǎn)排序.

本文以公明供水調(diào)蓄工程為背景，在以上研究的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了潰壩后果，包括生命損失嚴(yán)重程度、經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度及社會(huì)與環(huán)境影響指數(shù)的計(jì)算方法，明確了大壩群中的薄弱環(huán)節(jié)，為水庫大壩設(shè)計(jì)和施工提供了重要的借鑒.

1 公明水庫概況

公明水庫工程位于茅洲上游，地處深圳市西北部，屬珠江口水系.大壩以上控制集雨面積11.77 km2.水庫從南到北，依次分布6座大壩.4號壩為心墻土石壩，壩長1 102m，壩頂高程63.5m，最大壩高54m，是主壩.1號、3 號、6 號壩壩高較小，壩型設(shè)計(jì)為均質(zhì)土石壩.3號壩最大壩高31.9m，壩長319m；1號壩最大壩高29.3m，壩長364m；6號壩最大壩高33m，壩長506m.2號壩最大壩高41.5m，壩長1 203 m；5號壩最大壩高39m，壩長895.0m，壩型為土質(zhì)防滲體分區(qū)壩.2號壩和5號壩壩頂結(jié)構(gòu)與1號壩相同，壩頂寬度8m，壩頂高程63.5m.溢洪道的布置結(jié)合公明水庫的實(shí)際地形條件和下游退水條件，布置在5號、6號大壩之間的山凹處，軸線長度269m.放水隧洞布置在4號壩右壩肩.隧洞地質(zhì)條件較差，洞身基本在全風(fēng)化圍巖中，少量為強(qiáng)風(fēng)化圍巖，隧洞圍巖均為V 類.隧洞采用有壓輸水，圓形斷面，洞徑3m，全長為407m.大壩布置如圖1所示.

2 公明水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)排序

圖1 公明水庫群總體布置

大壩風(fēng)險(xiǎn)排序是在風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R 的大小進(jìn)行排序，通常將大壩風(fēng)險(xiǎn)表示為潰壩概率Pf與潰壩后果L 的乘積，如式（1）所示：

2.1 確定潰壩概率

潰壩概率主要依靠經(jīng)驗(yàn)來估算，目前常用的方法是歷史資料統(tǒng)計(jì)法和專家經(jīng)驗(yàn)法.由于歷史上某事件（如滲流破壞）發(fā)生時(shí)，大壩內(nèi)部和外部條件和公明水庫大壩的內(nèi)部和外部條件是不同的，很可能沒有可比性和可借用性，因此，歷史資料統(tǒng)計(jì)法和專家經(jīng)驗(yàn)法相比，應(yīng)謹(jǐn)慎使用.

本研究采用專家經(jīng)驗(yàn)法來定量確定潰壩模式中各環(huán)節(jié)發(fā)生概率，把專家對某一事件可能出現(xiàn)的定性判斷轉(zhuǎn)化為可能出現(xiàn)的定量概率.結(jié)合我國具體情況和國外使用經(jīng)驗(yàn)，采用如表1所示的事件發(fā)生的定性描述到概率間的轉(zhuǎn)換關(guān)系.

表1 公明供水調(diào)蓄工程水庫大壩破壞事件定性描述和概率對應(yīng)表

從總結(jié)出的可能破壞途徑和模式看，要判斷潰決事件發(fā)生的概率，主要牽涉到表2中的10個(gè)主要環(huán)節(jié)發(fā)生的可能性.

表2 與潰壩事件發(fā)生有關(guān)的10個(gè)主要環(huán)節(jié)

上述各主要環(huán)節(jié)發(fā)生的概率可根據(jù)客觀實(shí)際情況和設(shè)計(jì)方案確定，在評價(jià)表中，可以定性地分為5級（見表1），每級概率在一定范圍內(nèi)變化，專家可根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)賦分.現(xiàn)以4號壩為例，其結(jié)果見表3.

表3 4號壩各風(fēng)險(xiǎn)因素導(dǎo)致潰壩事件發(fā)生的概率

運(yùn)用同樣的方法，可以得到1、2、3、5、6號壩在上述情況下的潰壩概率.其結(jié)果見表4.

表4 公明水庫工程大壩失事概率

由表4可見，公明水庫工程6個(gè)大壩，其中，5號壩危險(xiǎn)性相對較高，后面依次是2、6、3、4、1號壩.

2.2 潰壩后果確定

1）生命損失

生命損失的影響因素包括如下幾個(gè)方面：①風(fēng)險(xiǎn)人口總數(shù)及其分布；②潰壩發(fā)生時(shí)間；③警報(bào)時(shí)間；④洪水水深和流速；⑤洪水上漲速率；⑥撤離條件.

考慮以上影響因素，采用Dekay＆McCleland法確定潰壩造成的生命損失，如式（2）所示.

式中，LOL 為生命損失；PAR 為風(fēng)險(xiǎn)人口，根據(jù)各種可能潰決洪水所導(dǎo)致的淹沒區(qū)中的人口確定；WT 為預(yù)警時(shí)間，指接到撤離通知至洪水到達(dá)前的時(shí)間段（h）；Fc為洪水強(qiáng)度，一般高壩、山區(qū)等高洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域取Fc＝1，低壩、平原地區(qū)等低洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域取Fc＝0，本研究根據(jù)工程所在地形，取Fc＝0.6.

生命損失嚴(yán)重程度可用式（3）計(jì)算［8］.

式中，x 為生命損失，單位為人.

表5 生命損失嚴(yán)重程度系數(shù)參考表

2）經(jīng)濟(jì)損失

經(jīng)濟(jì)損失包括直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失，可由調(diào)查統(tǒng)計(jì)確定.本研究采用經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度對經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度可按式（4）計(jì)算［8］.

式中，x 為經(jīng)濟(jì)損失，單位為億元.

表6 經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度賦值參考表

3）社會(huì)及環(huán)境影響

社會(huì)與環(huán)境影響指數(shù)定義為所考慮的社會(huì)與環(huán)境要素的乘積.若以風(fēng)險(xiǎn)人口系數(shù)為N，重要城市系數(shù)為C、重要設(shè)施系數(shù)為I、文物古跡等系數(shù)為H、河道形態(tài)系數(shù)為R、生物環(huán)境系數(shù)為M、人文景觀系數(shù)為L、污染工業(yè)系數(shù)為P 來表示，則社會(huì)與環(huán)境影響指數(shù)F3可按式（5）計(jì)算［10］.

式（5）中，各系數(shù)的取值參見表7和表8.表4和表5中的各因素的限值依其對社會(huì)與環(huán)境影響指數(shù)貢獻(xiàn)大小（相當(dāng)于權(quán)重）分為5.0、4.0、2.5和2.0四個(gè)等級，其相應(yīng)的權(quán)重為0.182、0.145、0.091 和0.073.對每個(gè)要素的范圍值按輕微、一般、中等、嚴(yán)重和極其嚴(yán)重分為5個(gè)級別，供專家賦值參考.

表7 社會(huì)影響因素賦值參考表

表8 環(huán)境影響因素賦值參考表

當(dāng)各影響因素影響程度均為輕微時(shí)，F(xiàn)3＝1.0；當(dāng)各影響因素影響程度均為極其嚴(yán)重時(shí)，F(xiàn)3＝10 000.由此可得出社會(huì)與環(huán)境影響指數(shù)F3的變化范圍為1～10 000.

2.3 潰壩后果綜合系數(shù)

潰壩后果主要包括3個(gè)方面：潰壩導(dǎo)致的生命損失、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)與環(huán)境影響.在對水庫大壩群風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排序時(shí)，如何綜合生命損失、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)與環(huán)境影響，確定排序先后，是要解決的關(guān)鍵問題.

本研究采用層次分析法（AHP）來確定各子因素層因素對母因素的權(quán)重系數(shù)，經(jīng)計(jì)算生命損失的權(quán)重系數(shù)S1＝0.737，經(jīng)濟(jì)損失的權(quán)重系數(shù)S2＝0.105，社會(huì)及環(huán)境影響權(quán)重系數(shù)S3＝0.158，則潰壩后果綜合系數(shù)L可用式（6）計(jì)算.

式中，F(xiàn)1、F2、F3分別為生命損失、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)及環(huán)境影響的嚴(yán)重程度系數(shù).

2.4 公明水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的確定

水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)按式（1）計(jì)算，由于潰壩概率Pf往往是較小的數(shù)，而L 是0.01～1.0之間的數(shù)，兩者乘積更小.為直觀起見，將計(jì)算結(jié)果放大1 000倍，作為最終的水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，具體表達(dá)如式（7）所示：

式中，Pf為潰壩概率；L 為潰壩后果綜合系數(shù)，由式（6）計(jì)算.

先按式（7）計(jì)算各水庫大壩的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，然后依風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小排序，使風(fēng)險(xiǎn)大的大壩優(yōu)先得到設(shè)計(jì)和施工加強(qiáng).

1、2號壩如果發(fā)生潰決，洪水將從南方的泄水路線匯入茅州河，下游淹沒損失相對較小，3、4、5、6 號壩如果發(fā)生潰決，洪水將從北方的泄水路線匯入茅州河，下游淹沒損失相對較大，1、3、6號壩都比較小，發(fā)生潰壩時(shí)下泄洪水量也相對較小，經(jīng)分析，1 號壩潰壩后果綜合系數(shù)L 和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R 最小，以1號為標(biāo)準(zhǔn)，將其潰壩后果綜合系數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)設(shè)為1，其它大壩的潰壩后果綜合系數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)比較1號壩給出相對值.具體數(shù)據(jù)見表9～10.

表9 水庫各壩潰壩后果綜合系數(shù)L 相對值

表10 水庫各壩風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R 相對值

由表9和表10可見，5號大壩的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大，雖然5號壩的潰壩后果綜合系數(shù)較4號壩為低，但其潰壩概率較高，故其風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大，其設(shè)計(jì)及施工應(yīng)予以注意.4號壩風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排第二，其潰壩后果綜合系數(shù)最高，說明4號壩一旦潰決，造成的下游損失最為嚴(yán)重，其設(shè)計(jì)及施工也應(yīng)予以注意.2 號壩潰壩后果綜合系數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)處于中游，同樣應(yīng)受到關(guān)注.此外，1、3、6號壩風(fēng)險(xiǎn)相對較小，主要是由于其工程規(guī)模較小，潰壩下泄量較小.故在工程設(shè)計(jì)和施工過程中要多關(guān)注2、4、5號壩，特別是4、5號壩的風(fēng)險(xiǎn)因素，加強(qiáng)預(yù)防管理，避免工程建成后出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)事故.

3 結(jié) 語

本文以公明水庫為研究背景，將公明水庫大壩的潰壩概率與潰壩造成的后果相聯(lián)系，通過風(fēng)險(xiǎn)排序，在考慮潰壩概率、生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)及環(huán)境影響等一系列因素的前提下，利用風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對公明水庫大壩的危險(xiǎn)程度進(jìn)行了排序，從而讓設(shè)計(jì)者、施工者以及管理者明確了公明水庫工程的薄弱環(huán)節(jié)，對公明水庫工程的設(shè)計(jì)、施工都有非常明確的指導(dǎo)意義.這種分析模式，也可以為其它類似工程提供很好的借鑒.

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