防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和大壩的防洪安全初探

王玉閣

摘 要：大壩防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系著大壩防洪質(zhì)量。大壩防洪安全問(wèn)題關(guān)系到我國(guó)公民生命財(cái)產(chǎn)安全，所以必須對(duì)大壩防洪問(wèn)題引起高度重視。對(duì)大壩防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，能夠提高大壩防洪安全性，從而提高資源利用效率，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)具有重要意義。水庫(kù)大壩也在水資源管理中起到重要作用，尤其是緩解旱情、進(jìn)水水力發(fā)電以及防御汛期洪水等方面。對(duì)本文將對(duì)于防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及大壩防洪安全進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 防洪安全 方案設(shè)計(jì) 實(shí)施運(yùn)行

目前為止我國(guó)已經(jīng)建成防洪大壩將近90000座（不含港、澳、臺(tái)地區(qū)），這些大壩對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展發(fā)揮著極大推動(dòng)作用。但是由于一些大壩建設(shè)年份較久，并且受到當(dāng)時(shí)材料、技術(shù)以及施工質(zhì)量等影響，不同程度上存在安全隱患，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有防洪需求。隨著我國(guó)科技技術(shù)進(jìn)步以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，大壩安全問(wèn)題受到黨和人民群眾高度重視，并且陸續(xù)投入大量人力財(cái)力對(duì)大壩進(jìn)行整修或者重建。大壩安全作為關(guān)系過(guò)國(guó)計(jì)民生重要部分，我國(guó)必須給予高度重視。

1.大壩防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.1大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)

大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)是指在發(fā)生洪水時(shí)，洪水是否能漫越大壩頂部，從而破壞大壩。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上很多大壩發(fā)生事故都是由洪水漫壩導(dǎo)致的。這就說(shuō)明，洪水漫壩是影響大壩安全首要因素。

為了有效控制防洪風(fēng)險(xiǎn)需要在大壩規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)過(guò)程中考慮幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，首先是設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，這決定著洪水能夠通過(guò)大壩最大高度以及對(duì)洪水起到控制作用。除了大壩，水庫(kù)也能對(duì)洪水起到一定控制作用，水庫(kù)通過(guò)蓄水來(lái)緩解災(zāi)情。但是水庫(kù)防洪能力有限，與水庫(kù)相比，大壩更具有抗災(zāi)能力。大壩對(duì)于洪水防御通常是抵御比較合理設(shè)計(jì)洪水，但是無(wú)法抵御超標(biāo)洪水。

1.2大壩防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

在大壩設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)大壩進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，保證其能防御所設(shè)計(jì)洪水，從而保證大壩防洪安全程度；二是工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值得是在設(shè)計(jì)洪水時(shí)，為大壩所保留的防洪安全富余。但是大壩防洪安全不僅僅受到洪水困擾，還有許多不安全因素，包括水力、水文等等，這就導(dǎo)致設(shè)計(jì)隨著在進(jìn)行調(diào)洪演算以及泄洪建筑設(shè)計(jì)規(guī)模等決策中，都會(huì)采取保守估計(jì)方式。這樣在工程、管理等不確定作用下，都會(huì)提高大壩承受能力。所以，在大壩建設(shè)過(guò)程中，大壩本身所能承受洪水程度是受工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)決定的。

1.3大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)與大壩防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相同點(diǎn)

大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)與大壩防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在不同點(diǎn)，但是他們的共同點(diǎn)是都能夠通過(guò)一定方式來(lái)提高大壩防洪安全性，因此，其可統(tǒng)稱(chēng)為“防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”。從傳統(tǒng)大壩防洪安全設(shè)計(jì)角度來(lái)看，漫壩風(fēng)險(xiǎn)絕大部分是來(lái)自于超標(biāo)準(zhǔn)洪水。因此在大壩設(shè)計(jì)時(shí)僅從洪水設(shè)計(jì)出發(fā)是不對(duì)，這樣不能全面考慮到防洪安全。所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要在現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)為支撐前提下，對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行全面考慮，這樣才可能比較準(zhǔn)確評(píng)估到大壩風(fēng)險(xiǎn)率。

2.大壩的防洪安全估計(jì)

為了評(píng)估大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)率，需要采用一定方法進(jìn)行壩塌情況預(yù)防。通過(guò)出現(xiàn)事故順序以及相關(guān)后果，將整個(gè)事故演繹出來(lái)。根據(jù)每一個(gè)事件之前事件出現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)將所有概率進(jìn)行乘積方式得出最后結(jié)果。

2.1洪水事故

發(fā)生洪水以大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)為前提，將發(fā)生洪水時(shí)，洪水可能入庫(kù)流量Q劃分為若干區(qū)間，并將每個(gè)區(qū)間中洪水流量范圍與概率進(jìn)行對(duì)應(yīng)，將發(fā)生洪水所有機(jī)率相加之和為1。假如把Q作為一個(gè)連續(xù)函數(shù)，那么：

在此公式中，f（Q）作為洪水概率密度函數(shù)。

2.2洪水漫壩事故

大壩在發(fā)生洪水時(shí)較可能發(fā)生漫壩事故。但是這個(gè)可能性也是受各種隨機(jī)因素影響。洪水漫壩水力風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際上就是壩頂高程和調(diào)洪過(guò)程中最高壩前水位之間的關(guān)系，并且極限標(biāo)志為：

Z=H-D>0

通過(guò)上述公式，可以得出洪水重現(xiàn)期和泄洪建筑設(shè)計(jì)規(guī)模在現(xiàn)有條件下，發(fā)生漫壩機(jī)率為Pf：

在這個(gè)公式中，f（z）表示洪水超高z的概率密度，通過(guò)確定H和D的相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，就能確定f（z），從而得出在一定洪水重現(xiàn)期下，發(fā)生漫壩風(fēng)險(xiǎn)率Pf。

因此，想要正確評(píng)估Pf，需要對(duì)H和D進(jìn)行評(píng)估。

壩頂高程D的不確定性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)他一般處于服從正態(tài)分布。壩前水位H的不確定與水庫(kù)調(diào)洪過(guò)程的隨機(jī)性相關(guān)聯(lián)，并且存在很多不確定因素。比如：泄洪建筑物泄流能力、入庫(kù)洪水流量過(guò)程、防洪庫(kù)容以及防洪調(diào)度運(yùn)行規(guī)則等，這都對(duì)H造成影響。

2.3漫壩失事事故

當(dāng)發(fā)生洪災(zāi)時(shí)，有時(shí)因?qū)嶋H洪水超過(guò)設(shè)計(jì)洪水從而漫過(guò)壩頂時(shí)，但是卻沒(méi)有發(fā)生失事事故。這是因?yàn)閴误w在建設(shè)過(guò)程中，自身設(shè)計(jì)與管理情況較好導(dǎo)致的。這就決定大壩本身能夠?qū)樗斡幸欢ǔ休d力?；炷翂?、背水坡面都作為土石壩保護(hù)較好的，由于自身特殊性，就會(huì)允許發(fā)生小流量壩面溢流情況。但是在遇到稀遇洪水時(shí)，就必須采取搶險(xiǎn)加高措施，從而避免大壩失事情況。

洪水漫壩事件不同于漫壩失事事件，或多或少存在相似點(diǎn)，但是其中界限相對(duì)模糊。通常，對(duì)這其中關(guān)系用升半正太模糊隸屬函數(shù)來(lái)表示：

3.大壩防洪安全分析

設(shè)計(jì)單位和運(yùn)行單位都對(duì)大壩安全十分重視，并且大壩安全綜合評(píng)價(jià)也是社會(huì)各界廣泛關(guān)注焦點(diǎn)。大壩防洪安全作為大壩安全重要組成部分，為了保證大壩防洪安全程度，必須制定相關(guān)防洪安全性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)統(tǒng)一檢測(cè)，來(lái)衡量大壩安全程度。歐美大國(guó)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展比中國(guó)要領(lǐng)先很多，所以最早關(guān)于大壩防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是在我國(guó)建國(guó)不久后，到了70年代后期則為第二代標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)向第三代標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展。

第一代大壩防洪安全標(biāo)準(zhǔn)主要是在現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行考慮，到了第二代，則根據(jù)大壩規(guī)模、壩型、水庫(kù)容量等進(jìn)行設(shè)定。第二代大壩防洪安全標(biāo)準(zhǔn)將大壩分為幾個(gè)程度，分別是高危害大、中危害以及低危害。根據(jù)危害程度，對(duì)設(shè)計(jì)洪水和校核洪水設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)也發(fā)生改變。盡管如此，為了減少發(fā)生洪災(zāi)時(shí)大小壩受到損害，則需要對(duì)大壩進(jìn)行安全設(shè)計(jì)評(píng)估。

我國(guó)根據(jù)大壩設(shè)計(jì)規(guī)定主要采用第二代標(biāo)準(zhǔn)。但是目前對(duì)第二代標(biāo)準(zhǔn)存在很大爭(zhēng)議，包括：一是設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)較為保守，所以對(duì)高危害大壩進(jìn)行加固，這需要投入大量資金；二是設(shè)計(jì)洪水受到多種因素印象，包括地理、道德、歷史、社會(huì)等，但是主要還是受技術(shù)因素主導(dǎo)；三是在進(jìn)行洪水設(shè)計(jì)時(shí)，決定著壩危害程度，可以將壩危害程度分為不連續(xù)以及跳躍式等。

近幾年國(guó)外提出了第三代風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)分析方法取代了傳統(tǒng)的粗獷分級(jí)方式，通過(guò)對(duì)各個(gè)方面進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，從而提出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)能夠更好反映各個(gè)水庫(kù)對(duì)防洪安全實(shí)際需求。第三代風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)最大有優(yōu)點(diǎn)就是，主要以風(fēng)險(xiǎn)分析為基礎(chǔ)，并且根據(jù)壩體不同要求分析設(shè)計(jì)水庫(kù)特征，能夠全面提高壩體綜合安全。能夠減少工程開(kāi)支，避免發(fā)生垮壩情況，并且根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平與承受風(fēng)險(xiǎn)能力，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行防洪安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，通過(guò)概率方式來(lái)對(duì)大壩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判斷。人們可以根據(jù)能夠承受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)以及大壩失事后所能承受的后果，評(píng)估大壩防洪安全。

4.結(jié)束語(yǔ)

水資源作為人類(lèi)發(fā)展必不可少資源，決定著人類(lèi)未來(lái)發(fā)展方向。洪水作為嚴(yán)重影響水資源的自然災(zāi)害之一，為避免水資源遭到破壞，我們必須做好防洪工作。防洪安全標(biāo)準(zhǔn)是為了防洪保護(hù)對(duì)象達(dá)到安全指標(biāo)，從而滿足避免災(zāi)害的期望。洪水安全標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也密切相關(guān)，它代表著我國(guó)目前所達(dá)到的防洪安全程度。所以，提高我國(guó)防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及提高大壩防洪安全，是我國(guó)目前防洪水利工程建設(shè)過(guò)程中最重要工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]史天波，陳文斌.土壩除險(xiǎn)加固安全復(fù)核及套井回填粘土防滲技術(shù)應(yīng)用[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，29（04）： 36-40.

[2]肖義.水庫(kù)大壩防洪安全標(biāo)準(zhǔn)及風(fēng)險(xiǎn)研究[D].武漢大學(xué)，2004.

[3]梅亞?wèn)|，談廣鳴.大壩防洪安全評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)[J].水電能源科學(xué)，2002（04）： 8-10.

[4]袁華清.認(rèn)清形勢(shì) 采取措施 切實(shí)做好全市水庫(kù)安全管理工作[J].中共樂(lè)山市委黨校學(xué)報(bào)，2002（06）： 35-36.

[5]吳時(shí)強(qiáng).非常泄洪設(shè)施對(duì)大壩防洪安全影響的研究[A].中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).西部大開(kāi)發(fā) 科教先行與可持續(xù)發(fā)展——中國(guó)科協(xié)2000年學(xué)術(shù)年會(huì)文集[C].中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，2000： 1.

[6]姜樹(shù)海.防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和大壩的防洪安全[J].水利學(xué)報(bào)，1999（05）：20-26.