土石壩風(fēng)險實(shí)時評估與綜合預(yù)警模型

蔡 蕁王昭升朱思宇丁嘉林

(1.南京水利科學(xué)研究院,江蘇南京 210029;2.水利部大壩安全管理中心,江蘇南京 210029;3.臺州市國土資源局,浙江臺州 318000)

隨著近年全球氣候變化加劇,水庫大壩突發(fā)災(zāi)害不時出現(xiàn),水庫大壩安全面臨新的挑戰(zhàn)[1]。大量潰壩案例及研究顯示,水庫大壩災(zāi)害具有突發(fā)性[2],無論是暴雨、洪水、地震、泥石流等自然災(zāi)害,還是人為管理不善或工程缺陷導(dǎo)致的水庫潰壩過程,常常發(fā)生極為迅速,并且結(jié)果難以預(yù)料[3]。傳統(tǒng)的大壩安全評估及突發(fā)事件預(yù)警決策手段正經(jīng)受新的考驗,促使人們尋求更加高效的水庫大壩安全管理方法[4]。伴隨風(fēng)險理念的日益深入,水庫大壩風(fēng)險研究成為近年的熱點(diǎn)問題[5]。但現(xiàn)有的風(fēng)險評價方法、技術(shù)與突發(fā)事件預(yù)警機(jī)制并非實(shí)時控制,有時難以滿足時間效率的需求[6]。大壩風(fēng)險實(shí)時評估能夠反映實(shí)時的工情、水情、災(zāi)情,為工程以及下游公共安全提供實(shí)時的風(fēng)險預(yù)警情報,為下游抗災(zāi)準(zhǔn)備爭取寶貴的時間,是水庫大壩與下游生命財產(chǎn)安全的關(guān)鍵性技術(shù)保障[7]。

本文在前人研究基礎(chǔ)上,對土石壩風(fēng)險實(shí)時評估進(jìn)行深入研究,探索全新的風(fēng)險實(shí)時分析方法,結(jié)合已有的風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際案例,給出改進(jìn)的風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn),并基于風(fēng)險理念對傳統(tǒng)預(yù)警方法進(jìn)行補(bǔ)充,提出土石壩綜合預(yù)警模型,可為土石壩預(yù)警及風(fēng)險決策提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 土石壩風(fēng)險實(shí)時評估與預(yù)警

土石壩風(fēng)險實(shí)時評估是指土石壩風(fēng)險實(shí)時分析與風(fēng)險評價。一般認(rèn)為,土石壩風(fēng)險為土石壩潰壩概率與潰壩后果的乘積,潰壩后果包括生命損失、經(jīng)濟(jì)損失以及社會與環(huán)境影響等[8]。土石壩風(fēng)險實(shí)時分析包括土石壩潰壩概率實(shí)時分析與潰壩損失分析。土石壩風(fēng)險實(shí)時評估的重點(diǎn)是解決或平衡計算精度與計算效率之間的矛盾,并制定合理可行的風(fēng)險評價與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 基于點(diǎn)估計法的土石壩潰壩概率實(shí)時分析

1.1.1 點(diǎn)估計法

潰壩概率分析采用基于可靠度理論的定量分析方法,但并非所有方法都能滿足實(shí)時分析的要求。比如蒙特卡洛法(MC法)為保證計算精度,必須采取數(shù)目很大的隨機(jī)采樣,而FOSM法則需多次迭代求解[9],這兩種方法或其改進(jìn)方法在實(shí)時風(fēng)險評價應(yīng)用中很可能難以滿足計算效率與計算精度的需求。Rosenblueth[10]于1975年提出一種采用隨機(jī)向量估計的方法(點(diǎn)估計法)。點(diǎn)估計法是根據(jù)隨機(jī)向量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,以一定規(guī)律生成所有可能的隨機(jī)向量,并計算相應(yīng)功能函數(shù)的值,由所計算的功能函數(shù)估算可靠度指標(biāo)。點(diǎn)估計法已被較多的學(xué)者討論和研究[11],并被廣泛使用于巖土工程可靠度計算,具有方法簡便、精度較高、運(yùn)算效率高的特點(diǎn)[12]。點(diǎn)估計法計算需要給出或確定如下參數(shù)或條件:淤影響某一事件可靠度的隨機(jī)向量X=(x1,x2,…,xn);于每一個隨機(jī)變量xi對應(yīng)的均值滋xi和均方差滓xi;盂功能函數(shù)g(X)。

采用點(diǎn)估計法計算時,若隨機(jī)變量個數(shù)為n,則需計算2n次。對于土石壩結(jié)構(gòu)破壞概率計算而言,其隨機(jī)變量個數(shù)一般在12個以內(nèi),即所需最大計算次數(shù)為4096次,完全可以滿足實(shí)時風(fēng)險分析的時間需求,因此完全可將點(diǎn)估計法應(yīng)用于土石壩的潰壩概率分析。

1.1.2 土石壩潰壩概率分析

根據(jù)我國已潰壩資料統(tǒng)計分析[13],可總結(jié)出土石壩主要潰壩模式為漫頂潰壩、滑坡失穩(wěn)潰壩及滲透破壞潰壩3種潰壩方式,其破壞原因及潰壩路徑分別為:淤汛期由于超標(biāo)洪水或泄洪設(shè)施閘門無法開啟,導(dǎo)致洪水漫壩,相應(yīng)的潰壩路徑為洪水—庫水位上升—防洪(能力)標(biāo)準(zhǔn)不足或閘門無法開啟—漫頂—沖刷壩體—大壩潰決;于因壩體內(nèi)浸潤線變化較大引起壩坡失穩(wěn)滑塌,相應(yīng)潰壩路徑為水庫運(yùn)用—庫水位變動—壩體浸潤線異動—壩坡滑塌—大壩潰決;盂汛期壩體內(nèi)滲流量較大、滲透水力坡降較高引起壩體管涌沖刷破壞,相應(yīng)潰壩路徑為洪水—庫水位上升—滲流量加大—壩體顆粒料帶出—大壩潰決。由于任意一種破壞模式都會導(dǎo)致潰壩概率陡增,出于安全考慮,認(rèn)為任意一種土石壩破壞模式最終均會導(dǎo)致潰壩發(fā)生。下面依次計算這3種潰壩模式的潰壩概率。

a.導(dǎo)致漫頂潰壩的不確定性因素為壩頂高程Z和年最大風(fēng)速W,漫頂潰壩概率分析的功能函數(shù)定義為

式中:Z為壩頂高程(防浪墻頂高程);W為庫區(qū)年最大風(fēng)速;h為壩前最高靜水位;e為風(fēng)荷載引起的風(fēng)壅高度;R為風(fēng)荷載引起的波浪爬高。

則漫頂潰壩概率Pfo:

b.導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)不確定性的隨機(jī)變量為土條抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、漬。定義邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)K(c1,漬1,c2,漬2,…,cn,漬n),其中ci、漬i為土條的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(i=1,2,…,n)。邊坡穩(wěn)定分析依據(jù)SL272—2001《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》,圓弧滑動面可采用簡化畢肖普法計算安全系數(shù),計算公式如下:

式中:N為土條數(shù)量;駐Wm為土條重力;V為垂直地震慣性力;u為作用于土條底面的孔隙壓力;琢為條塊重力作用線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角;駐x為土條寬度;c憶、漬憶為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo);MC為水平地震慣性力對圓心的力矩;R為圓弧半徑。

非圓弧滑動面可采用滑楔法計算安全系數(shù),計算公式如下:

式中:Pi為土條一側(cè)抗滑力;Pi-1為土條另一側(cè)抗滑力;Wi為土條重力;ui為作用于土條底部的孔隙壓力;Qi、Vi分別為水平和垂直地震慣性力;琢i為土條底面與水平面夾角;茁i為土條一側(cè)的Pi與水平面的夾角;茁i-1為土條另一側(cè)的Pi-1與水平面的夾角。

根據(jù)滑動面形式選取抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式,定義滑坡失穩(wěn)概率的功能函數(shù):則滑坡失穩(wěn)潰壩概率Pfl為

c.土石壩滲透破壞概率主要考慮土體材料滲透系數(shù)的隨機(jī)性,當(dāng)土石壩內(nèi)部滲流產(chǎn)生的滲透坡降J超過壩體(壩基)材料的臨界坡降JC時,土石壩發(fā)生滲透破壞。建立土石壩有限元模型,根據(jù)土石壩測壓管網(wǎng)或滲壓計網(wǎng)反演各層土體材料水平、豎直滲透系數(shù)Kix、Kiy,并根據(jù)注水滲透試驗由矩法獲得其均方差滓Kix、滓Kiy。 將各土層滲透系數(shù)Kix、Kiy作為隨機(jī)變量,獲得滲透系數(shù)隨機(jī)向量:

采用有限元模型計算土石壩關(guān)鍵部位滲透坡降Ji:

式中fi(K)為有限元計算滲透坡降的函數(shù)表達(dá)形式。

關(guān)鍵部位應(yīng)包括壩體下游逸出段、壩體下游壩基上表面、心墻出逸段、心墻內(nèi)部段等。因此,第i個部位滲透破壞功能函數(shù)為

則第i個部位滲透破壞概率為

利用點(diǎn)估計法對每個部位進(jìn)行分析求解。由于任意部位發(fā)生滲透破壞都認(rèn)為總體不滿足滲流穩(wěn)定,則滲透破壞的總概率為

對于漫頂潰壩、滑坡失穩(wěn)潰壩和滲透破壞潰壩3種模式,認(rèn)為其中只要有1個事件發(fā)生,則土石壩發(fā)生潰壩,并且3種潰壩模式在發(fā)生之前均相互獨(dú)立,因此土石壩總體潰壩概率為

綜上所述,由監(jiān)測資料實(shí)時獲取各隨機(jī)變量的測值,基于點(diǎn)估計法用式(2)(5)(12)(13)依次計算Pfo、Pfl、Pfs,再根據(jù)式(14)計算得土石壩總體潰壩概率Pf。

1.2 基于土石壩潰決模型與HEC鄄RAS的潰壩損失分析

分析潰壩損失,必須首先模擬計算潰壩洪水演進(jìn),分析并確定下游洪水淹沒范圍、淹沒水深、洪水到達(dá)時間、洪水流速等要素[14],在此基礎(chǔ)上可依據(jù)SL/Z720—2015《水庫大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》計算潰壩工程損失與下游淹沒損失。

1.2.1 潰壩洪水演進(jìn)模擬

模擬潰壩洪水演進(jìn)包括兩個過程:潰壩過程模擬與洪水演進(jìn)模擬。潰壩過程模擬主要確定潰口發(fā)展過程及相應(yīng)的潰口洪水計算,對于土石壩潰口模擬,根據(jù)SL/Z720—2015《水庫大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》,均質(zhì)土壩或心墻壩可采用BREACH模型,面板堆石壩可采用李雷模型[15]或陳生水模型[16]。以潰壩過程模擬得出的潰口發(fā)展過程、洪水下泄過程以及下游地形地貌等參數(shù)為基礎(chǔ),采用一維、二維或一二維耦合的非穩(wěn)定水流模型,進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬。洪水演進(jìn)的非恒定漸變流模擬采用HEC鄄RAS有限元程序。

1.2.2 潰壩損失計算

獲得洪水演進(jìn)計算結(jié)果后,根據(jù)洪水演進(jìn)影響區(qū)域,將潰壩損失按潰壩生命損失、潰壩經(jīng)濟(jì)損失與潰壩社會與環(huán)境影響三方面分別考慮,均采用SL/Z720—2015《水庫大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》中規(guī)定的方法結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計計算,下游影響風(fēng)險人口PAR按靜態(tài)風(fēng)險人口統(tǒng)計法計算,生命損失LOL用D&M法計算,經(jīng)濟(jì)損失DT采用分類損失率法計算,社會與環(huán)境影響采用社會與環(huán)境影響指數(shù)ISE度量,此處不再贅述。

1.3 土石壩潰壩風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)與綜合預(yù)警模型

1.3.1 土石壩風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外現(xiàn)有的風(fēng)險評價或分級均是依據(jù)水庫失事后果考量的評價標(biāo)準(zhǔn)[17]。將風(fēng)險用容許線、目標(biāo)線分割為不可接受風(fēng)險區(qū)、可容忍風(fēng)險區(qū)和可接受風(fēng)險區(qū)[18]。風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)采用F鄄N線法劃分[19]。根據(jù)潰壩后果的分類,將土石壩潰壩風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)分為PAR風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)、LOL風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)、DT風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)及ISE風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)。

令各項風(fēng)險指標(biāo)的數(shù)學(xué)期望E(*)表示為潰壩概率Pf與其對應(yīng)風(fēng)險指標(biāo)的乘積,如E(PAR)=PfPAR。根據(jù)我國《生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理條例》(2007年國務(wù)院令第493號),認(rèn)為生命損失在3人以內(nèi)或經(jīng)濟(jì)損失在1000萬元以內(nèi)是一般事故;根據(jù)近年來水庫突發(fā)事件轉(zhuǎn)移人口調(diào)查,認(rèn)為風(fēng)險人口在300人以內(nèi)為一般事故;社會與環(huán)境影響方面認(rèn)為小于10人為一般事故。根據(jù)GB50199—2013《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》,認(rèn)為土石壩潰決概率在1伊10-4以下是安全的,為獲得一定的安全閾度,將其降低至1/10作為土石壩安全的目標(biāo)線,即Pf=1伊10-5;擴(kuò)大10倍為基本安全與不安全分界線,即Pf=1伊10-3。則定義可接受的E(LOL)=3伊10-5人、E(PAR)=3伊10-3人、E(DT)=1伊10-2萬元、E(ISE)=1伊10-4;可容忍的E(LOL)=3伊10-3人、E(PAR)=3伊10-1人、E(DT)=1伊100萬元、E(ISE)=1伊10-2。根據(jù)E(*)劃分風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn),將風(fēng)險等級區(qū)域劃分為玉級極高風(fēng)險區(qū)、域級不可接受風(fēng)險區(qū)、芋級可容忍風(fēng)險區(qū)及郁級可接受風(fēng)險區(qū)。其中,可接受的E(*)以下為郁級可接受風(fēng)險區(qū);可容忍的E(*)以下至可接受的E(*)以上為芋級可容忍風(fēng)險區(qū);可容忍的E(*)以上10倍區(qū)域內(nèi)為域級不可接受風(fēng)險區(qū);可容忍的E(*)10倍區(qū)域以外為玉級極高風(fēng)險區(qū)。風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.3.2 土石壩風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)與綜合預(yù)警模型

根據(jù)SL/Z720—2015《水庫大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》,我國現(xiàn)行水庫預(yù)警分級標(biāo)準(zhǔn)為突發(fā)事件預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)劃分非常明確,根據(jù)后果的分級依據(jù)也較為充分,遵照此預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的應(yīng)急響應(yīng)易于操作。但依舊存在以下應(yīng)當(dāng)引起重視的問題:

a.預(yù)警對變化的風(fēng)險適應(yīng)性不強(qiáng)[20]。在突發(fā)事件指標(biāo)未超標(biāo)時,現(xiàn)行突發(fā)事件預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為無安全問題,不采取預(yù)警,但水庫大壩風(fēng)險也許已開始抬升;當(dāng)突發(fā)事件某項指標(biāo)已經(jīng)超標(biāo)時,水庫已遭遇險情,此時風(fēng)險早已大大增加。因此,突發(fā)事件預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)因為根據(jù)已發(fā)生的險情指標(biāo)采取預(yù)警,造成未能及早發(fā)現(xiàn)風(fēng)險變化的情況。

b.可靠性分析缺乏與過度預(yù)警[21]。雖然現(xiàn)行預(yù)警分級考慮了工程安全指標(biāo),但缺少量化的分析,因此遭遇險情時,大壩安全可靠性如何,有多大把握抵抗風(fēng)險,都是現(xiàn)行預(yù)警分析中存在的問題。正因如此,有時會產(chǎn)生過度預(yù)警的情況。比如雖然某些預(yù)警指標(biāo)已經(jīng)超標(biāo),依據(jù)突發(fā)事件預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)必須進(jìn)行預(yù)警并采取應(yīng)急響應(yīng)措施,但大壩事實(shí)上仍然十分安全,未發(fā)生險情,此時發(fā)出過度預(yù)警,反而造成了不必要的損失。

基于兩點(diǎn)考慮,本文提出與風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)相銜接的風(fēng)險預(yù)警分級標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)分類與風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)相同,即按照PAR風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)、LOL風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)、DT風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)及ISE風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)分類,對應(yīng)不同風(fēng)險區(qū)域進(jìn)行不同等級預(yù)警。對于玉級極高風(fēng)險區(qū)啟動紅色玉級預(yù)警;對于域級不可接受風(fēng)險區(qū)啟動橙色域級預(yù)警;在芋級可容忍風(fēng)險區(qū)中間插入一個數(shù)量級的風(fēng)險分級,得到芋級黃色預(yù)警與郁級藍(lán)色預(yù)警;對于郁級可接受風(fēng)險區(qū)不采取預(yù)警。當(dāng)風(fēng)險指標(biāo)指向不同預(yù)警等級時,取最高風(fēng)險等級進(jìn)行預(yù)警。風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)見表1。當(dāng)潰壩概率小于1伊10-5時,認(rèn)為工程非常安全,再大的損失也沒有意義,此種情況下都屬于郁級可接受風(fēng)險區(qū),不予預(yù)警。

結(jié)合突發(fā)事件預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)與風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建綜合預(yù)警模型。當(dāng)水庫遭遇突發(fā)事件或洪水等險情時,突發(fā)事件預(yù)警體系與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險預(yù)警體系與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)被分開考慮,而水庫大壩綜合預(yù)警模型,也應(yīng)分別考慮突發(fā)事件預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)與風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)風(fēng)險預(yù)警級別與突發(fā)事件預(yù)警級別不同時,應(yīng)對水情工情進(jìn)行綜合評判,分析險情發(fā)展趨勢,并判斷險情發(fā)展的可控性,若險情在可控范圍內(nèi)不會向不利方向繼續(xù)發(fā)展,則按較低級別預(yù)警;若險情向不利方向發(fā)展或不可控,則按較高級別預(yù)警。水庫大壩綜合預(yù)警模型見圖1。

2 算例分析

2.1 工程概況

某水庫主壩為黏土心墻壩,2級水工建筑物,最大壩高20郾00 m,壩頂高程20郾00 m。上游坡度為1頤2郾5,下游坡度為1頤2郾3。主壩典型斷面見圖2。水庫死水位為3郾00 m,正常蓄水位為15郾00 m(汛期限制水位)。設(shè)計洪水200年一遇,設(shè)計洪水位為18郾15m;校核洪水500年一遇,校核洪水位為19郾30m。水庫下游為普通鄉(xiāng)鎮(zhèn),存在國家三級動物保護(hù)區(qū)及中小型化工企業(yè)。

根據(jù)實(shí)測資料及監(jiān)測數(shù)據(jù),土石壩計算壩高為20m,考慮施工與不均勻沉降,壩高均方差為0郾01 m。庫面吹程為2 000 m,庫區(qū)年最大風(fēng)速均值為13郾25 m/s,均方差為 2郾119 m/s。 土石壩邊坡穩(wěn)定與滲透穩(wěn)定計算參數(shù)見表2。

表1 風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)與風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

圖1 水庫大壩綜合預(yù)警模型

圖2 主壩典型斷面(單位:m)

表2 邊坡穩(wěn)定與滲透穩(wěn)定主要計算參數(shù)

2.2 計算結(jié)果與分析

土石壩潰壩概率計算及潰壩損失分析采用FORTRAN語言在Visual Studio與IVF開發(fā)環(huán)境下編寫程序?qū)崿F(xiàn)。

圖3 潰壩概率計算對數(shù)折線

圖4 各風(fēng)險評估指標(biāo)變化過程線

表3 綜合預(yù)警

首先進(jìn)行調(diào)洪試算,依次獲得從11郾00~20郾00 m每隔1 m和19郾00~20郾00 m每隔0郾1 m壩前最高水位對應(yīng)的洪水過程,其中15郾00 m(汛期限制水位)以下采用不超過泄流能力的少量入庫洪水調(diào)洪。然后對各入庫洪水過程采用相對應(yīng)的水位條件計算潰壩概率;采用BREACH模型計算潰壩泄洪過程;由HECRAS程序分析相應(yīng)潰壩淹沒損失。為校核點(diǎn)估計法的計算精度,同時采用MC法并行計算,MC法取樣次數(shù)為106次。計算結(jié)果見圖3、4及表3,圖中Pfo、Pflu、Pfld、Pfs及Pf分別為漫頂潰壩概率、上游滑坡失穩(wěn)潰壩概率、下游滑坡失穩(wěn)潰壩概率、滲透破壞潰壩概率及土石壩總潰壩概率。由于滑坡失穩(wěn)破壞概率在水位緩慢變化情況下全程基本保持不變,且水位在3郾00~18郾00 m時,漫頂破壞與滲透破壞概率極小,超出了FORTRAN程序的雙精度范圍,因此圖3(a)中略去了3郾00~17郾00 m水位部分;而土石壩風(fēng)險在3郾00~11郾00 m時較小,不予預(yù)警,故表3中略去3郾00~11郾00 m部分。

計算結(jié)果分析如下:

a.比較點(diǎn)估計法和MC法計算結(jié)果可知,點(diǎn)估計法潰壩概率折線走勢與MC法一致,在大多數(shù)計算點(diǎn)的潰壩概率上,計算結(jié)果基本一致,總體相對誤差均保持在15%以內(nèi),因此認(rèn)為點(diǎn)估計法計算結(jié)果科學(xué)可信,精度滿足計算要求。點(diǎn)估計法在每個水位下計算僅需12~16 s,而常規(guī)的洪水預(yù)報與大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)返回預(yù)報與監(jiān)測數(shù)據(jù)一般需要1 min,因此采用點(diǎn)估計法計算潰壩概率可以滿足風(fēng)險實(shí)時分析對計算效率與計算精度的雙重要求。

b.由各風(fēng)險指標(biāo)變化過程線可知,土石壩風(fēng)險各個指標(biāo)隨著水位的上漲,都呈現(xiàn)兩段式的上升過程。第1段處于正常運(yùn)行期,由于潰壩概率保持平穩(wěn),而潰壩損失隨著水位的上漲不斷增大,因而在風(fēng)險變化折線圖中表現(xiàn)為一近似水平段。第2段超出正常運(yùn)行范圍后,潰壩概率陡增,而潰壩損失相對變化較緩,因而表現(xiàn)為一大傾角的陡增段。

c.根據(jù)綜合預(yù)警表,大部分情況下風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)與突發(fā)事件預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)相吻合。根據(jù)綜合預(yù)警模型規(guī)定,當(dāng)風(fēng)險可控或未向不利方向發(fā)展時,取相對低標(biāo)準(zhǔn)預(yù)警,故水位在13郾00~15郾00 m 區(qū)間時,風(fēng)險預(yù)警進(jìn)入郁級預(yù)警而突發(fā)事件預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)未預(yù)警,證明風(fēng)險預(yù)警相對突發(fā)事件預(yù)警確實(shí)能夠較早地發(fā)現(xiàn)險情。此時視風(fēng)險變化情況可不預(yù)警,但需采取措施控制風(fēng)險。當(dāng)水位超過15郾00 m時,風(fēng)險正向不利方向發(fā)展,應(yīng)采取郁級預(yù)警,當(dāng)水位上漲到19郾40 m時,此時已超過校核洪水位,按突發(fā)事件預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采取玉級預(yù)警,而風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)為域級預(yù)警,根據(jù)風(fēng)險分析結(jié)果,此時潰壩概率仍然較小,工程仍安全,若險情已得到控制,水位已經(jīng)開始回落,可仍采用域級預(yù)警;若險情未得到控制,則必須升級為玉級預(yù)警。當(dāng)水位繼續(xù)上漲到19郾50 m時,雖然風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)仍然為域級預(yù)警,但此時由于風(fēng)險有上升趨勢,應(yīng)采用更高級別的突發(fā)事件預(yù)警標(biāo)準(zhǔn),發(fā)布玉級預(yù)警。因此,采用綜合預(yù)警模型可以及早對水庫大壩險情進(jìn)行干預(yù),及時控制風(fēng)險,且在一定程度上減少過度預(yù)警的情況。

3 結(jié) 論

a.為滿足風(fēng)險實(shí)時評估的要求,采用點(diǎn)估計法計算土石壩潰壩概率,采用BREACH與HEC鄄RAS進(jìn)行洪水演進(jìn)分析,獲得水位與潰壩損失關(guān)系曲線,由土石壩潰壩概率與潰壩損失綜合分析土石壩風(fēng)險。算例結(jié)果證明,以上方法可同時滿足土石壩風(fēng)險實(shí)時評估對計算效率與計算精度的雙重要求。

b.綜合考慮了已有土石壩風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn),在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行補(bǔ)充,提出了新的土石壩風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)。對風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)分,得到風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。將風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)與突發(fā)事件預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的綜合預(yù)警模型可以提升早期預(yù)警的能力,并量化分析水庫大壩安全可靠度,可規(guī)避一些過度預(yù)警的情況,降低因過度預(yù)警造成的損失。

c.應(yīng)將土石壩風(fēng)險實(shí)時評估與預(yù)警向其他各類壩型拓展,并以風(fēng)險評估與綜合預(yù)警模型為基礎(chǔ),進(jìn)一步研究風(fēng)險調(diào)控方法,討論實(shí)用、可行、動態(tài)的風(fēng)險調(diào)度決策方案。

[1]DERDOUS O,DJEMILI L,BOUCHEHED H,et al.A GIS based approach for the prediction of the dam break flood hazard:a case study of Zardezas Reservoir“Skikda,Algeria冶[J].Journal of Water&Land Development,2015,27(1):15鄄20.

[2]JAVED I,TU Xinbin,XU Ling.Landslide hazards in reservoir areas:case study of Xiangjiaba Reservoir,Southwest China[J].Natural Hazards Review,2017,18(4).DOI:04017009.

[3]PHAN T T,HOANG Q V,NGUYEN V,et al.Active fault segmentation and seismic hazard in Hoa鄄Binh Reservoir,Vietnam[J].Central European Journal of Geosciences,2013,5(2):223鄄235.

[4]LIU Pan.A two鄄stage method of quantitative flood risk analysis for reservoir real鄄time operation using ensemble鄄based hydrologic forecasts[J].Stochastic Environmental Research&Risk Assessment,2015,29(3):803鄄813.

[5]YE Yan,MA Guangwen,ZHANG Yuanbo.The advances in risk analysis of reservoir operation research[J].Advanced Materials Research,2012,594:1993鄄1997.

[6]葉建春,章杭惠.太湖流域洪水風(fēng)險管理實(shí)踐與思考[J].水利水電科技進(jìn)展,2015,35(5):136鄄141.(YE Jianchun,ZHANG Hanghui.Practices and thinking of flood risk managementin Taihu LakeBasin[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2015,35(5):136鄄141.(in Chinese))

[7]李宗坤,葛巍,王娟,等.中國水庫大壩風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用研究[J].水利學(xué)報,2015,46(5):567鄄573,583.(LI Zongkun,GE Wei,WANG Juan,et al.Risk criteria and application on reservoir dams in China[J].Journal of Hydraulic Engineering,2015,46(5):567鄄573,583.(in Chinese))

[8]董前進(jìn),曹廣晶,王先甲,等.水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險分析研究進(jìn)展[J].水利水電科技進(jìn)展,2009,29(3):85鄄89.(DONG Qianjin,CAO Guangjing,WANG Xianjia,et al.Research progress on the risk analysis of dynamic control of reservoir water limit level[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2009,29(3):85鄄89.(in Chinese))

[9]吳震宇,陳建康.土坡體系可靠度分析方法及在高土石壩工程中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2018(2):1鄄7.(WU Zhenyu,CHEN Jiankang.Methodlogy of system reliability analysis of earth slope stability and its application for high earth and rockfill dams[J].Rock and Soil Mechanics,2018(2):1鄄7.(in Chinese))

[10]ROSENBLUETH E. Pointestimate for probability moments[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,1975,72(10):3812鄄3814.

[11]MORTEZA A,RAINER P.Assessment of the application of point estimate methods in the probabilistic stability analysis of slopes[J].Computers and Geotechnics,2015,69:540鄄550.

[12]NAPA鄄GARCIA G F,BECK A T,CELESTINO T B.Reliability analyses of underground openings with the point estimate method[J].Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research,2017,64:154鄄163.

[13]盛金保,馮靖宇,彭雪輝.小型水庫風(fēng)險分析方法研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報,2008(1):28鄄35.(SHENG Jinbao,FENG Jinyu,PENG Xuehui.Research on risk analysis of small reservoir dams[J].Hydro鄄Science and Engineering,2008(1):28鄄35.(in Chinese))

[14]MA Zhenkun,FAN Ziwu,ZHANG Ming,et al.Flood risk control of dams and dykes in middle reach of Huaihe River[J].Water Science and Engineering,2014,7(1):17鄄31.

[15]李雷,王仁鐘,盛金保,等.大壩風(fēng)險評價與風(fēng)險管理[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[16]陳生水.土石壩潰決機(jī)理與潰壩過程模擬[M].北京:中國水利水電出版社,2012.

[17]王仁鐘,李雷,盛金保.病險水庫風(fēng)險判別標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J].水利水電科技進(jìn)展,2005,25(5):5鄄9.(WANG Renzhong,LILei,SHENG Jinbao.Studyonrisk judgment standard system for dangerous reservoirs[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2005,25(5):5鄄9.(in Chinese))

[18]彭雪輝,盛金保,李雷,等.我國水庫大壩風(fēng)險評價與決策研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報,2014(3):49鄄54.(PENG Xuehui,SHENG Jinbao,LI Lei,et al.Dam risk evaluation and decision鄄making research of China[J].Hydro鄄Science and Engineering,2014(3):49鄄54.(in Chinese))

[19]彭雪輝,盛金保,李雷,等.我國水庫大壩風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)制定研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報,2014(4):7鄄13.(PENG Xuehui,SHENG Jinbao,LI Lei,et al.Research on dam risk criteria of China[J]. Hydro鄄Science and Engineering,2014(4):7鄄13.(in Chinese))

[20]沈振中,陳允平,王成,等.大壩安全實(shí)時監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)的研制和開發(fā)[J].水利水電科技進(jìn)展,2010,30(3):68鄄72.(SHEN Zhenzhong,CHEN Yunping,WANG Cheng, etal. Developmentofreal鄄time monitoring and early warning system of dam safety[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2010,30(3):68鄄72.(in Chinese))

[21]谷艷昌,王士軍.水庫大壩結(jié)構(gòu)失穩(wěn)突發(fā)事件預(yù)警閾值研究[J].水利學(xué)報,2009,40(12):1467鄄1472.(GU Yanchang,WANG Shijun.Study on the early鄄warning threshold of structural instability unexpected accidents of reservoir dam[J].Journal of Hydraulic Engineering,2009,40(12):1467鄄1472.(in Chinese))