基于脆弱度的水庫大壩風(fēng)險評價

谷春雨

(遼寧西北發(fā)電有限責(zé)任公司東源電廠，遼寧 本溪 117200)

1 工程概況

碧流河水庫是遼寧南部地區(qū)最大的水庫，位于遼東半島中部大連市和營口市的交界處，距離大連市約175km[1]。水庫始建于20世紀(jì)70年代，集水面積1785km2，最大庫容9.34億m3。碧流河水庫是一座以城市供水為主，兼具防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚、灌溉、旅游等多種功能的多年調(diào)節(jié)大(Ⅱ)型水利樞紐工程[2]。水庫主體工程由1座主壩、3座副壩、3處泄水建筑物(溢洪道、輸水洞、放水底孔)以及壩后式水電站組成。碧流河水庫是大連市的重要供水水源，自建成投入運(yùn)行以來，已經(jīng)累計向大連市供水25億m3。由于大壩建成時間較長，大壩的日常維護(hù)和管理任務(wù)艱巨[3]。因此，對碧流河水庫大壩的風(fēng)險進(jìn)行量化評估具有重要意義和價值。

2 基于脆弱度的大壩風(fēng)險指數(shù)計算模型

2.1 大壩脆弱度

脆弱度即水庫大壩的脆弱程度，指大壩的安全缺陷程度或發(fā)生事故的程度[4]。與大壩潰決可能性不同，脆弱度關(guān)注的是大壩安全檢查過程中發(fā)現(xiàn)的隱患，并整理為大壩的脆弱程度。由于大壩的安全隱患或可以誘發(fā)安全隱患的因素是復(fù)雜的和多維度的，所以首先需要對大壩單個缺陷的脆弱度進(jìn)行計算，根據(jù)彭雪輝等人的研究成果[5]，其計算公式如下：

(1)

式中，Vi—單個缺陷脆弱度；C—不安全等級系數(shù)，實(shí)際缺陷取10，潛在缺陷取5；S1—大壩現(xiàn)狀與標(biāo)準(zhǔn)之間差別，取值為0～1之間；S2—特征關(guān)聯(lián)度，通常默認(rèn)為1；S3—臨時措施無效程度，通常默認(rèn)為1；AEF—年超越率。

基于計算獲得的單一缺陷脆弱度，通過加權(quán)計算，即可獲得大壩系統(tǒng)破壞的脆弱度綜合指數(shù)，其計算公式如下：

(2)

2.2 后果系數(shù)和等級劃分

潰壩后果是大壩風(fēng)險研究的重要內(nèi)容。一般而言，潰壩后造成的損失主要有生命損失、經(jīng)濟(jì)損失以及社會和環(huán)境損失三方面。在本次研究中，生命損失的計算利用我國學(xué)者李雷、周克等人提出的李-周法[6]；經(jīng)濟(jì)損失中的直接損失用分類損失法計算，間接損失利用系數(shù)折算法進(jìn)行計算，折算系數(shù)取0.65[7]；社會和環(huán)境影響計算根據(jù)王仁鐘等人的研究成果進(jìn)行[8]。

根據(jù)彭雪輝、李雷等人的研究成果，將潰壩后的損失進(jìn)行分級，根據(jù)王仁鐘的研究成果，將生命損失、經(jīng)濟(jì)損失以及社會和環(huán)境損失的權(quán)重設(shè)定為0.737、0.105和0.158，并由此獲得潰壩后果系數(shù)以及綜合級別，結(jié)果見表1。

表1 后果綜合分級與后果系數(shù)

2.3 風(fēng)險指數(shù)表示方法

基于水庫的脆弱度綜合系數(shù)和潰壩后果綜合指數(shù)，計算獲取大壩風(fēng)險指數(shù)，其計算公式如下：

F=V總×10SJ

(3)

式中，F(xiàn)—大壩風(fēng)險指數(shù)；V總—脆弱度綜合指數(shù)；SJ—潰壩后果綜合指數(shù)。

3 風(fēng)險計算與評價

3.1 大壩缺陷脆弱度綜合指數(shù)計算

鑒于碧流河水庫設(shè)施工、運(yùn)行方面的具體資料十分有限，研究中主要依據(jù)大壩的安全鑒定報告以及現(xiàn)場巡查記錄，通過和相關(guān)專家進(jìn)行討論，獲得大壩的實(shí)際缺陷和潛在缺陷，然后依照模型中的脆弱度計算方法進(jìn)行碧流河水庫大壩的脆弱度計算，結(jié)果見表2。

3.2 后果系數(shù)確定

參照該領(lǐng)域的研究成果和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，以碧流河水庫管理局提供的安全鑒定報告、除險加固報告等資料，對水庫的后果系數(shù)進(jìn)行粗略計算。

對于生命損失，利用我國學(xué)者李雷、周克等人提出的李-周法，對碧流河水庫的風(fēng)險人口、洪水強(qiáng)度以及預(yù)警時間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，計算出水庫的生命損失，具體計算步驟如下：首先，根據(jù)碧流河水庫的安全鑒定報告，以及碧流河水庫管理局所提供的資料確定水庫的風(fēng)險人口，并將其作為水庫生命損失的主要依據(jù)之一；其次碧流河水庫屬于山區(qū)水庫，壩高在30～70m之間，屬于中壩，本次研究中以水庫庫容作為洪水強(qiáng)度計算的主要依據(jù)，并利用內(nèi)插法計算獲取洪水強(qiáng)度[9]；再次，關(guān)于洪水警報，相關(guān)學(xué)者的研究成果認(rèn)為[10]，在預(yù)警時間小于15min時為無預(yù)警；預(yù)警時間在15～60min之間時為部分預(yù)警；在預(yù)警時間大于60min時，可以得到充分預(yù)警。本次研究選擇預(yù)警時間為15min和60min兩個時間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行生命損失計算，并將其均值作為生命損失的依據(jù)。按照上述步驟，碧流河水庫生命損失的計算結(jié)果見表3。由于生命損失為165人，屬于特別重大級別。

表2 碧流河水庫大壩的脆弱度計算結(jié)果

表3 水庫生命損失計算結(jié)果

關(guān)于經(jīng)濟(jì)損失的計算，碧流河水庫管理局提供了所涉及的下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)損失計算的農(nóng)作物面積，重要交通基礎(chǔ)設(shè)施以及居民點(diǎn)房屋損失面積等數(shù)據(jù)。根據(jù)當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)居民家庭的經(jīng)濟(jì)特征以及當(dāng)?shù)仡愃茷?zāi)害造成的損失調(diào)查資料，綜合后取每人9000元作為人均損失的指標(biāo)，按照上述思路，計算獲得碧流河水庫的財產(chǎn)損失在3.21億元，為特別重大級別。

在社會與環(huán)境影響方面，碧流河水庫保護(hù)下游人口近11萬人，農(nóng)作物面積將近13萬畝，周邊還有眾多交通干線和設(shè)施。利用王仁鐘等人的研究成果，計算出碧流河水庫的社會和環(huán)境影響指數(shù)為28.56，屬于特別重大級別。

按照生命損失、經(jīng)濟(jì)損失以及社會和環(huán)境損失的權(quán)重設(shè)定為0.737、0.105和0.158，獲得潰壩后果系數(shù)以及綜合級別為3級。

3.3 風(fēng)險指數(shù)計算

在確定了脆弱指數(shù)和后果系數(shù)之后，利用式(3)即可計算出碧流河水庫的風(fēng)險指數(shù)，其詳細(xì)結(jié)果見表4。由表格中的結(jié)果可知，碧流河水庫脆弱指數(shù)為5.16，說明其工程現(xiàn)狀與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)比較接近，因此其發(fā)生潰壩的可能性不大，但是其潰壩后果系數(shù)為3，屬于特別重大級別，說明一旦發(fā)生潰壩，將會對下游的生命、經(jīng)濟(jì)、社會以及環(huán)境造成巨大的影響。從風(fēng)險指數(shù)計算結(jié)果來看，其風(fēng)險水平為中等，加以加強(qiáng)對水庫的日常維護(hù)和管理。

表4 碧流河水庫風(fēng)險指數(shù)計算成果

4 結(jié)語

本文以遼寧省碧流河水庫大壩為例，提出了基于脆弱度的大壩風(fēng)險評價模型。該模型減少了大壩風(fēng)險分析過程中的不確定性，與以往的風(fēng)險評價方法相比更具有操作性和實(shí)用性，可以將每次現(xiàn)場檢查轉(zhuǎn)化為一次大壩脆弱性分析，使大壩的管理維護(hù)效果和運(yùn)行狀態(tài)得到及時反饋，因此研究成果本身有助于水庫管理者有針對性的進(jìn)行水庫大壩管理。當(dāng)然，影響大壩系統(tǒng)的破壞因子錯綜復(fù)雜，特別是潰壩后果中的生命損失、財產(chǎn)損失以及社會環(huán)境影響三方面的統(tǒng)計計算十分復(fù)雜。本文研究僅依靠專家學(xué)者推薦的方法對其進(jìn)行粗略計算，在后續(xù)研究中需要對潰壩后果分析方法進(jìn)行深入研究和完善，以進(jìn)一步提高工程應(yīng)用價值。