黃河上游某水電站初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)分析

林萬(wàn)旭,韓鵬輝,王琳琳,孫 斌

(1.西北水利水電工程有限責(zé)任公司，西安 710065；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；3.西安文理學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,西安 710065)

1 工程概述

黃河上游某水電站位于青海省海南州興?？h與同德縣交界處的黃河峽谷內(nèi)，是以發(fā)電為主的特大型水電工程，樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道、右岸放水洞、壩后消力塘、左岸泄洪洞及左岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成。最大壩高257.5 m，水庫(kù)總庫(kù)容44.74×108m3，電站裝機(jī)容量2 600 萬(wàn)kW。

工程可研階段采用全年土石圍堰擋水、左岸一條低導(dǎo)流洞與尾水洞結(jié)合+左岸高導(dǎo)流洞與豎井旋流泄洪洞結(jié)合的施工導(dǎo)流方案，其初期導(dǎo)流由全年土石圍堰擋水，左岸低導(dǎo)流隧洞導(dǎo)流；中期大壩度汛由壩體臨時(shí)斷面擋水，左岸低導(dǎo)流隧洞泄流；后期低(導(dǎo)流洞下閘后)導(dǎo)流洞堵頭施工期由二期面板以下壩體擋水、左岸旋流導(dǎo)流洞與放水洞聯(lián)合泄流，左岸旋流導(dǎo)流洞下閘后由二期面板以下壩體擋水、右岸放水洞泄流。

工程圍堰使用年限為3 a，按初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)指標(biāo)確定導(dǎo)流建筑物級(jí)別為3級(jí)，土石類圍堰相應(yīng)的初期導(dǎo)流洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50～20 a，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇從水文氣象條件、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較、工程類比等方面進(jìn)行了綜合分析與比較，同步進(jìn)行了初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)度分析，本文簡(jiǎn)要介紹工程初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)度分析。

2 施工導(dǎo)流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)

施工導(dǎo)流貫穿于整個(gè)工程施工的全過(guò)程，它對(duì)工程的總投資、施工進(jìn)度及整個(gè)工程如何安全、可靠、合理地實(shí)施有著十分重要的影響[1]。作為控制施工期河道水流的臨時(shí)性建筑物，可能遭遇的洪水是隨機(jī)事件，不論選擇何種導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)，都存在發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水的可能性，因此，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇其本質(zhì)是風(fēng)險(xiǎn)決策問(wèn)題，可用風(fēng)險(xiǎn)分析的方法予以解決[2]。

2.1 導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)率

對(duì)于土石類圍堰，在導(dǎo)流時(shí)段內(nèi)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，由于超過(guò)導(dǎo)流泄水建筑物泄流能力而使堰前水位超過(guò)堰頂，導(dǎo)致圍堰失事，導(dǎo)流系統(tǒng)不能發(fā)揮作用[3]。因此，導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)也就是圍堰施工及使用期內(nèi)堰前水位超過(guò)堰頂高程的可能性，即為導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)率[4]。圍堰的堰前水位超過(guò)圍堰設(shè)計(jì)擋水位的風(fēng)險(xiǎn)率R為：

R=P(Zup≥Hupcoffer)

(1)

式中：Zup為上游圍堰堰前水位；Hupcoffer為上游圍堰設(shè)計(jì)擋水位。

當(dāng)量洪水重現(xiàn)期為：

Te=1/R

(2)

2.2 導(dǎo)流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)率

根據(jù)工程導(dǎo)流設(shè)計(jì)資料，考慮水文、水力等不確定性因素影響，采用Monte-Carlo方法模擬施工洪水過(guò)程和導(dǎo)流建筑物泄流，統(tǒng)計(jì)分析確定圍堰上游水位分布和圍堰的擋水高度對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)[3]。在圍堰的使用運(yùn)行年限內(nèi)，n年內(nèi)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水的動(dòng)態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)率R(n)為：

R(n)=1-(1-R)n

(3)

式中：R(n)為n年內(nèi)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水的動(dòng)態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)率；R為堰前水位超過(guò)圍堰設(shè)計(jì)擋水位的風(fēng)險(xiǎn)率[5]。

3 初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)決策目標(biāo)及目標(biāo)值的計(jì)算方法

動(dòng)態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)率隨導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)提高而降低，但動(dòng)態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)率不能給決策者提供選擇多大的風(fēng)險(xiǎn)度最值得及有無(wú)所選風(fēng)險(xiǎn)度的承受能力，即沒(méi)決策目標(biāo)值。為此本文以經(jīng)濟(jì)因素(備選方案的導(dǎo)流工程預(yù)期總費(fèi)用E)為決策目標(biāo)進(jìn)行單目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)分析，其原則是選取在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后對(duì)工程造成的期望損失費(fèi)用D與導(dǎo)流工程投資費(fèi)用C之和最小的方案為最優(yōu)方案。

3.1 風(fēng)險(xiǎn)假定

施工導(dǎo)流過(guò)程中涉及到的風(fēng)險(xiǎn)主要有洪水風(fēng)險(xiǎn)、泄流風(fēng)險(xiǎn)、結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)和工期風(fēng)險(xiǎn)[6]。根據(jù)中國(guó)水電工程經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)流工程遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致潰堰造成損失的風(fēng)險(xiǎn)比較大，據(jù)此本文僅考慮遭遇超標(biāo)洪水時(shí)導(dǎo)流建筑物的風(fēng)險(xiǎn)。

工程圍堰擋水度汛3個(gè)汛期，圍堰的風(fēng)險(xiǎn)期為3 a，各年遭遇超標(biāo)洪水潰堰工況組合及相應(yīng)發(fā)生概率計(jì)算式見(jiàn)表1。

表1圍堰工程遭遇超標(biāo)洪水的工況組合及相應(yīng)概率計(jì)算式表

注：√代表潰堰；○代表運(yùn)行正常；R1、R2、R3代表圍堰每年遭遇超標(biāo)洪水的概率。

3.2 概率計(jì)算

利用概率的并集計(jì)算公式、動(dòng)態(tài)綜合率風(fēng)險(xiǎn)公式組成聯(lián)合方程組求解表1各工況圍堰每年遭遇超標(biāo)洪水的概率[7]，假設(shè)P(R1)=R1，P(R2)=R2，P(R3)=R3，具體方程組如下：

R(1)=1-(1-R)1=R=R1

(4)

R(2)=1-(1-R)2=2R-R2

(5)

R(3)=1-(1-R)3=R3-3R2+3R

(6)

(7)

(8)

求解上述方程組可得R1=R2=R3=R，由此可求得表1中的概率P。

3.3 決策目標(biāo)值的計(jì)算方法

初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)分析以備選方案導(dǎo)流工程預(yù)期總費(fèi)用為決策目標(biāo)值[8]，以決策目標(biāo)值最小者為優(yōu)選方案，預(yù)期總費(fèi)用包括導(dǎo)流工程投資費(fèi)用和期望損失費(fèi)用(遭遇超標(biāo)洪水時(shí)潰堰造成的各項(xiàng)損失費(fèi)用之和)[9]。

導(dǎo)流工程的預(yù)期總費(fèi)用E計(jì)算式：

E=C+Cp

(9)

式中：E為導(dǎo)流工程的預(yù)期總費(fèi)用；C為確定型投資費(fèi)用，包括擋水、泄水建筑物及基坑的抽排水費(fèi)用等；Cp為期望損失費(fèi)用。

期望損失費(fèi)用Cp為潰堰造成的各項(xiàng)損失，其計(jì)算式為：

Cp=Cp1+Cp2+Cp3+Cp4+Cp5

(10)

式中：Cp1為修復(fù)上、下游圍堰的費(fèi)用；Cp2為基坑再次抽排水的費(fèi)用；Cp3為基坑清淤的費(fèi)用；Cp4為工期延遲導(dǎo)致的發(fā)電損失費(fèi)用；Cp5為其它損失費(fèi)用。

4 風(fēng)險(xiǎn)分析過(guò)程

4.1 備選導(dǎo)流方案及潰堰風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用

初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選擇方案以洪水重現(xiàn)期分別為50年、30年、20年一遇3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)方案作為備選方案，根據(jù)導(dǎo)流建筑物布置、施工條件及圍堰度汛要求，并經(jīng)圍堰施工強(qiáng)度分析論證，以圍堰最大高度不超過(guò)70 m確定3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)導(dǎo)流工程規(guī)模。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)導(dǎo)流工程特性見(jiàn)表2。

表2 3個(gè)導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)方案特性表

根據(jù)圍堰的動(dòng)態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)率，利用概率數(shù)對(duì)不同導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的期望損失費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表3～5。

4.2 初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)以上計(jì)算成果，列出50年、30年、20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)導(dǎo)流工程預(yù)期總費(fèi)用工程對(duì)比表，詳見(jiàn)表6。由表6可知，就初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)以經(jīng)濟(jì)因素為目標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策，采用30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)損失期望值最小，故為推薦導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然風(fēng)險(xiǎn)分析僅是初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選擇的一項(xiàng)決策目標(biāo)，鑒于本項(xiàng)目導(dǎo)流工程技術(shù)復(fù)雜，初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇同時(shí)從水文氣象條件、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較、工程類比等方面進(jìn)行了研究分析，經(jīng)綜合研究推薦初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇。

表3 50年洪水重現(xiàn)期的期望損失費(fèi)用計(jì)算成果表

表4 30年洪水重現(xiàn)期的期望損失費(fèi)用計(jì)算成果表

表5 20年洪水重現(xiàn)期的期望損失費(fèi)用計(jì)算表

表6 不同導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)流工程預(yù)期總費(fèi)用E表

5 結(jié) 語(yǔ)

水電工程施工導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)選擇的本質(zhì)是風(fēng)險(xiǎn)決策問(wèn)題，可用風(fēng)險(xiǎn)分析的方法予以解決。據(jù)DL/T5397-2007《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定選定的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)只能定性地說(shuō)明“標(biāo)準(zhǔn)、費(fèi)用、風(fēng)險(xiǎn)”三者的關(guān)系，但不能給決策者提供明確的決策目標(biāo)值。而通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析理論，能科學(xué)地找出“標(biāo)準(zhǔn)、費(fèi)用、風(fēng)險(xiǎn)”三者的定量關(guān)系，有效地判斷所選設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的合理性，可為初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇提供決策依據(jù)。采用風(fēng)險(xiǎn)分析方法使初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇更科學(xué)化與合理化。本文公式推導(dǎo)成果及風(fēng)險(xiǎn)分析方法在大、中型水電工程中值得推廣應(yīng)用。