基于風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)矩陣法的水利水電工程運(yùn)行狀態(tài)分析

潘益斌，袁　翔，施準(zhǔn)備（.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，3；.紹興市水務(wù)集團(tuán)，浙江紹興，3000）

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基于風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)矩陣法的水利水電工程運(yùn)行狀態(tài)分析

潘益斌1，袁翔1，施準(zhǔn)備2
（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.紹興市水務(wù)集團(tuán)，浙江紹興，312000）

摘要：根據(jù)水利水電工程全壽命周期管理要求，在項(xiàng)目運(yùn)營階段需要進(jìn)行工程運(yùn)行狀態(tài)分析，以全面評估和決策工程改造事宜。結(jié)合水利水電工程特點(diǎn)，引入風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)矩陣法，建立了工程運(yùn)行可靠性分析模型。該模型在浙江某輸水工程運(yùn)行狀態(tài)評估中得到了成功應(yīng)用，積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可在類似工程全壽命周期管理中推廣使用。

關(guān)鍵詞：全壽命周期管理；水利水電工程；運(yùn)行狀態(tài)分析；風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)矩陣法

1　水利水電工程全壽命周期管理

水利水電工程一般規(guī)模大、綜合性強(qiáng)、投資高、使用壽命長，在國民經(jīng)濟(jì)中承擔(dān)如防洪、發(fā)電、供水等重要任務(wù)。新中國成立以來，特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，我國水利水電工程領(lǐng)域投資迅猛，眾多項(xiàng)目已完成建設(shè)并投入運(yùn)營——據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2011年底，全國規(guī)模以上已建水電站20 866座；全國10萬m3及以上水庫數(shù)量達(dá)到98 002座；以南水北調(diào)為代表的眾多跨流域調(diào)水工程也已進(jìn)入快速開發(fā)階段。

在這類工程的傳統(tǒng)管理模式中，雖然項(xiàng)目開發(fā)決策和實(shí)施階段的管理普遍得到重視，但是項(xiàng)目建成后的運(yùn)營管理往往與之前的建設(shè)期管理脫節(jié)，導(dǎo)致了很多難以克服的弊端，如運(yùn)營期的維護(hù)工作缺乏前瞻性、系統(tǒng)性，對工程重點(diǎn)難點(diǎn)的認(rèn)識不足，不僅給工程的運(yùn)營管理造成極大困難，甚至影響工程服役后的壽命。因此，開展工程項(xiàng)目的全壽命周期管理已逐漸成為工程建設(shè)管理者的共識。

工程投運(yùn)后，原設(shè)計(jì)功能能否全部如期實(shí)現(xiàn)將得到全面的驗(yàn)證，同時(shí)，隨著時(shí)間的推移，工程構(gòu)筑物和機(jī)電設(shè)備將發(fā)生不同程度的疲勞和老化現(xiàn)象，需要維修或更換，且工程使用要求和管理理念也可能由于外部邊界條件的變化而發(fā)生調(diào)整。這些運(yùn)營階段暴露的問題或需求，均需要結(jié)合工程原設(shè)計(jì)和建造信息，根據(jù)用戶的使用要求變化，研究采取必要的措施予以改造、更新，以保障甚至延長工程使用壽命，發(fā)揮工程最大效益。

根據(jù)以上全壽命周期管理要求，工程運(yùn)營管理者在日常管理工作中首先要解決的問題就是針對工程現(xiàn)狀進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行工程整體運(yùn)行可靠度評估，并據(jù)此做出維修和更換的決策。

2　基于風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)矩陣法的運(yùn)行狀態(tài)分析

工程運(yùn)行狀態(tài)分析基于這樣一個(gè)理念——風(fēng)險(xiǎn)存在于工程的一切部位，事故是風(fēng)險(xiǎn)失去控制的結(jié)果。因此，運(yùn)行可靠性分析需要盡可能找出所有的潛在危險(xiǎn)，確定它的危險(xiǎn)等級，并給予綜合判斷。

評估運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法很多，常用的有故障類型和影響分析法、故障樹分析法、事件樹分析法等。其中，故障類型和影響分析法只能用于考慮非危險(xiǎn)性失效，且費(fèi)時(shí)較長，不能考慮各種實(shí)效的綜合因素；故障樹分析法在遇到復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，編制的大型故障樹不易理解，與系統(tǒng)流程圖沒有相似之處，同時(shí)在數(shù)學(xué)上往往非單一解，包含復(fù)雜的邏輯關(guān)系，由于我國目前尚缺乏設(shè)備故障率和人為失誤率的充足資料，給定量分析帶來很大的困難，甚至不可能實(shí)現(xiàn)；而事件樹分析法不能分析平行產(chǎn)生的后果，不適用于詳細(xì)分析。

考慮到以上因素，這些方法普遍存在綜合性不強(qiáng)、實(shí)踐難度大、分析深度不夠等問題，不能很好地適應(yīng)于工程構(gòu)筑物多、機(jī)電設(shè)備龐雜、周邊環(huán)境復(fù)雜的水利水電工程。而風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)矩陣法（Ma?trix Method of Risk Assessment Code，MMRAC）采用綜合判斷危險(xiǎn)性事件嚴(yán)重程度和分析風(fēng)險(xiǎn)概率，按照風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣提出風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)，用矩陣中指數(shù)的大小作為風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的準(zhǔn)則。MMRAC是GJB900-90《系統(tǒng)安全性通用大綱》中提供的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，也是目前在石油、機(jī)械等行業(yè)應(yīng)用較為廣泛、具有代表性的一種方法。

MMRAC法將決定危險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)的兩種因素——危險(xiǎn)嚴(yán)重性（S）和危險(xiǎn)可能性（P），按水利水電工程的特點(diǎn)劃分為相對的等級，形成一種風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣，并賦以一定的加權(quán)值來定性地衡量風(fēng)險(xiǎn)大小，并提出化解風(fēng)險(xiǎn)的原則。

2.1危險(xiǎn)性事件嚴(yán)重度等級（S）描述

將事故后果的嚴(yán)重程度定性地分為若干級，稱為危害性事件的嚴(yán)重度等級。表1給出了危險(xiǎn)性事件發(fā)生后嚴(yán)重程度的劃分原則。該表對四種危險(xiǎn)性事件的嚴(yán)重度等級進(jìn)行了劃分，對事故后果進(jìn)行了定性的說明。

2.2危險(xiǎn)性事件可能性等級（P）描述

危險(xiǎn)性事件發(fā)生的可能性是指在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)、工程壽命內(nèi)危險(xiǎn)性事件發(fā)生的概率。它可以表述為單位時(shí)間、事件、人員、項(xiàng)目及行為中潛在事件發(fā)生的概率。表2給出了危險(xiǎn)性事件發(fā)生的可能性等級的劃分原則，共分為五級。

2.3半定量評價(jià)

危險(xiǎn)性事件的風(fēng)險(xiǎn)分類取決于危險(xiǎn)性事件的嚴(yán)重度和危險(xiǎn)性事件發(fā)生的可能性，而確定兩個(gè)指標(biāo)的綜合作用可以通過如表3的危險(xiǎn)性事件風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣來實(shí)現(xiàn)。

表1　危險(xiǎn)性事件的嚴(yán)重度等級Table 1 Severity levels of risk events

表2　危險(xiǎn)性事件的可能性等級Table 2 Probability levels of risk events

表3　風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)矩陣Table 3 Risk evaluation index matrix

矩陣中元素即為加權(quán)指數(shù)，也稱為風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)，風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)是綜合危險(xiǎn)事件的可能性和嚴(yán)重性后確定的。為適應(yīng)水利水電工程綜合性強(qiáng)、邊界條件復(fù)雜等特點(diǎn)，風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)結(jié)合《系統(tǒng)安全性通用大綱》，在相鄰行業(yè)類似工作實(shí)踐基礎(chǔ)上適當(dāng)細(xì)化，以便更好地定量分析。通常將最高風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)定為16～20區(qū)間，相對應(yīng)的危險(xiǎn)性事件分類為四級風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)水平為不能接受，應(yīng)立即采取應(yīng)急措施予以治理，風(fēng)險(xiǎn)降低后才能開始工作；最低風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)則定為1～3區(qū)間，相對應(yīng)的危險(xiǎn)性事件分類為一級風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)水平為可以接受，但應(yīng)采取控制措施，避免風(fēng)險(xiǎn)升級；另外，12～15為三級風(fēng)險(xiǎn)，是不希望有的風(fēng)險(xiǎn)；4～11為二級風(fēng)險(xiǎn)，是有條件接受的風(fēng)險(xiǎn)?？紤]風(fēng)險(xiǎn)等級和風(fēng)險(xiǎn)控制措施、時(shí)間期限等，各類危險(xiǎn)性事件風(fēng)險(xiǎn)分類見表4。

3　風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)矩陣法在某工程運(yùn)行狀態(tài)分析中的應(yīng)用

3.1工程簡介

浙江省紹興市某輸水工程承擔(dān)著向紹興市區(qū)及附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)提供優(yōu)質(zhì)水源的重任。該工程最大輸水規(guī)模為70萬t/d。該輸水工程主要由取水隧洞、泵站、出水隧洞、調(diào)蓄水庫和輸水隧洞等建筑物組成。其中取水隧洞位于輸水線路首部。取水隧洞取水口位于水庫內(nèi)，泵站前接取水隧洞，后與出水隧洞相接，泵站共安裝4臺立式水泵電動(dòng)機(jī)組。出水隧洞前接泵站出水管，后連調(diào)蓄水庫，調(diào)蓄水庫位于出水隧洞和輸水隧洞之間?？傞L近9 km的輸水隧洞前接調(diào)蓄水庫，末端則經(jīng)調(diào)流閥調(diào)節(jié)和消能后與凈水廠相接。

圖1　輸水工程供水線路簡圖Fig.1 Supply line of the water diversion project

該輸水工程于2001年初投入運(yùn)行。自工程投運(yùn)以來，運(yùn)行總體正常，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域水資源的優(yōu)化配置，大大改善了供水區(qū)域的飲用水條件，發(fā)揮了重要的作用。但近年來隨著城鎮(zhèn)用水量的快速增加，本工程也存在水泵頻繁、長時(shí)間啟動(dòng)以及由此帶來的水工建筑物（特別是泵站下游出水隧洞）的工程安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，隨著工程運(yùn)行管理水平的提高，也提出一些新的要求，主要有：

（1）泵站外部供電線路雖考慮了兩回路布置，但這兩回路供電線路均從一座變電站接出，一旦這座變電站由于暴雨等極端天氣情況或其他突發(fā)意外事故出現(xiàn)供電故障，泵站的供電安全將得不到保障。

（2）泵站內(nèi)設(shè)置4臺立式水泵，采用“閉閥啟泵，關(guān)閥停泵”運(yùn)行方式，目前使用頻率較高，設(shè)備故障率較高且相對較嚴(yán)重，設(shè)備安全需要系統(tǒng)檢測和全面評估。

（3）總長約13 km的水工隧洞按全段有壓流輸水，僅部分采用鋼筋混凝土襯砌，特別是泵站下游出水隧洞受工程布置影響，在水泵失電等事故停機(jī)誘發(fā)隧洞內(nèi)水力過渡過程時(shí)可能出現(xiàn)負(fù)壓，水工隧洞的運(yùn)行安全需要評估。

3.2運(yùn)行狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

表4　危險(xiǎn)性事件風(fēng)險(xiǎn)分類Table 4 Hazards classification of risk events

根據(jù)該輸水工程項(xiàng)目運(yùn)行的特點(diǎn)，結(jié)合工程原設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行中的信息，本次分析主要使用MMRAC法對本工程的運(yùn)行期風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，遵循以下程序：首先從認(rèn)識風(fēng)險(xiǎn)特征入手去識別風(fēng)險(xiǎn)因素；其次根據(jù)需要和可能選擇適當(dāng)?shù)姆椒ü烙?jì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性及其影響；再次按照設(shè)計(jì)使用周期內(nèi)被評價(jià)的項(xiàng)目發(fā)生破壞后導(dǎo)致的災(zāi)難性影響程度，綜合評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)程度，包括單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素風(fēng)險(xiǎn)程度估計(jì)和對項(xiàng)目整體風(fēng)險(xiǎn)程度的估計(jì)；最后，提出針對性的風(fēng)險(xiǎn)對策，將項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行歸納，提出風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)論。

運(yùn)用MMRAC法，本工程運(yùn)行期各主要建筑物和機(jī)電設(shè)備發(fā)生事故的概率以及事故危害的嚴(yán)重性綜合評價(jià)見表5。

3.3工程維護(hù)和加固建議

根據(jù)以上分析，本輸水工程的水泵及取水泵站安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)很高，應(yīng)立即進(jìn)行更換和加固處理措施。出水隧洞也處于運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較高狀態(tài)，建議增加水擊防護(hù)措施，并選擇合理時(shí)機(jī)加固隧洞。其他建筑物和供電線路相對風(fēng)險(xiǎn)較低，但也應(yīng)采取系統(tǒng)的監(jiān)測措施，實(shí)時(shí)掌控工程運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，鑒于目前自水庫至凈水廠僅本輸水工程一條長隧洞連接供水，基于本供水工程的重要性和不可替代性，建議盡快開展第二輸水通道建設(shè)。

4　結(jié)語

根據(jù)水利水電工程全壽命周期管理要求，在項(xiàng)目運(yùn)營階段需要進(jìn)行工程運(yùn)行狀態(tài)分析，這是對工程運(yùn)行可靠性的全面評估和決策工程改造事宜的必要之舉。結(jié)合水利水電工程規(guī)模大、系統(tǒng)復(fù)雜、使用壽命長等特點(diǎn)，將風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)矩陣法引入水利水電工程運(yùn)行狀態(tài)分析工作中，并建立了工程應(yīng)用模型。該模型在某輸水工程運(yùn)行狀態(tài)評估中得到了驗(yàn)證和成功應(yīng)用，可在類似工程全壽命周期管理中推廣使用。

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作者郵箱：pan_yb@ecidi.com

Title:Operation state of hydropower projects based on risk assessment index matrix method//by PAN Yibin，YUAN Xiang and SHI Zhun-bei//PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited

Abstract:In line with the life cycle management of water conservancy and hydropower projects，the op?eration state analysis needs to be carried out in the operational phase.Based on the characteristics of wa?ter conservancy and hydropower projects，this paper introduces the risk evaluation index matrix method，and establishes a reliability analysis model of engineering operation.The model has been successfully applied in the operation of a water transfer project in Zhejiang，and some practical experience has been accumulated.It can be widely used in the whole life cycle management of similar projects.

Key words:whole life cycle management；hydropower project；operation state analysis；risk evaluation index matrix method

中圖分類號：TV697.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-1092（2016）01-0046-04

收稿日期：2015-09-30

作者簡介：潘益斌（1981-），男，安徽安慶人，高級工程師，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)工程。