土石壩施工期安全風(fēng)險(xiǎn)—成本風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)

李宗坤，宗克強(qiáng)，張兆省，皇甫澤華

(1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450001； 2.河南省前坪水庫建設(shè)管理局，河南鄭州450002)

0 引 言

土石壩作為攔截江河、抬高水位或形成水庫的擋水建筑物，因其造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為了工程中應(yīng)用最廣泛的壩型[1]。但是因其施工環(huán)境復(fù)雜，施工周期相對較長，且相對運(yùn)行期的大壩而言，施工期的土石壩各項(xiàng)功能尚未完善，各類參數(shù)指標(biāo)尚未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，抵抗汛期洪水的能力更低[2- 4]。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)[5]，我國由于洪水漫頂導(dǎo)致潰壩所占比例為51%，國外由于洪水漫頂導(dǎo)致潰壩所占比例為39%。因此，開展土石壩施工期度汛風(fēng)險(xiǎn)研究具有重要意義。

土石壩施工周期中，汛期是潰壩事故發(fā)生的高頻時(shí)段，出于對壩體安全及進(jìn)度要求方面的考慮，在汛期來臨之前，圍堰或者壩體根據(jù)度汛方案需要填筑到防洪度汛高程[6- 8]，需要考慮度汛安全和施工成本兩建設(shè)目標(biāo)，對此學(xué)者們均進(jìn)行了不同程度的研究。李宗坤等[9]采用Monte-Carlo計(jì)算機(jī)模擬方法，研究了土石壩在施工期的漫壩安全風(fēng)險(xiǎn)；孫開暢等[10]提出了基于Rackwitz-Fiessler方法的漫頂風(fēng)險(xiǎn)模型算法，迭代求解了土石壩漫頂風(fēng)險(xiǎn)率；王瑞雪等[11]采用層次分析法將影響土石壩建筑成本的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了重要性排序，并提出了控制成本風(fēng)險(xiǎn)的措施；王卓甫等[12]采用離散化方法，得到了施工成本風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式，研究了土石壩施工成本的風(fēng)險(xiǎn)性；胡志根等[13]通過效用函數(shù)和熵函數(shù)研究了導(dǎo)流方案的耦合風(fēng)險(xiǎn)以及壩體失事后的效用損失，提出了施工導(dǎo)流系統(tǒng)綜合風(fēng)險(xiǎn)合理分配機(jī)制。

上述研究所涉及到的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)大多僅從單方面進(jìn)行研究，未考慮安全風(fēng)險(xiǎn)與成本風(fēng)險(xiǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系；或者僅考慮了安全風(fēng)險(xiǎn)和壩體失事后損失成本的相關(guān)性，并未考慮預(yù)防大壩漫頂加高擋水建筑物產(chǎn)生的投入成本。因此，本文以實(shí)際工程為出發(fā)點(diǎn)，在度汛安全風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上全面考慮壩體度汛期間的成本風(fēng)險(xiǎn)，建立安全風(fēng)險(xiǎn)—成本風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)模型，分析計(jì)算土石壩施工期的綜合風(fēng)險(xiǎn)，可為土石壩施工期的風(fēng)險(xiǎn)管理和控制提供科學(xué)依據(jù)和新思路。

1 安全風(fēng)險(xiǎn)—成本風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)模型

施工期土石壩的施工階段根據(jù)擋水建筑物及泄水建筑物的不同可分為圍堰擋水階段、臨時(shí)壩體擋水階段和未完建壩體擋水階段3個(gè)階段[14-16]。圍堰擋水階段為以圍堰為主要擋水建筑物的施工階段；臨時(shí)壩體擋水階段為從壩體修筑到圍堰高程開始至導(dǎo)流建筑物封堵、下閘蓄水前的施工階段，此階段由壩體臨時(shí)擋水；未完建壩體擋水階段為從導(dǎo)流建筑物封堵開始至永久泄水建筑物正常運(yùn)行的施工階段。本文基于施工階段的劃分來研究土石壩施工期各階段的綜合風(fēng)險(xiǎn)。

2000年國際大壩委員會(huì)(ICOLD)北京會(huì)議為風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合定義：風(fēng)險(xiǎn)是對生命、健康、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境負(fù)面影響的可能性和嚴(yán)重性的度量，是潰壩可能性和產(chǎn)生后果的乘積[17-18]。因此，本文采用度汛安全風(fēng)險(xiǎn)和成本風(fēng)險(xiǎn)分別來描述潰壩的可能性及潰壩后果的嚴(yán)重性，綜合考慮兩者的內(nèi)在聯(lián)系和矛盾特性，建立綜合評價(jià)模型。

1.1 安全風(fēng)險(xiǎn)分析

土石壩施工期度汛的安全風(fēng)險(xiǎn)主要取決于汛期上游洪水位和擋水建筑物的高度，采用調(diào)洪演算可得到各設(shè)計(jì)洪水頻率下的上游洪水位，以此為依據(jù)加高的擋水建筑物，其度汛安全風(fēng)險(xiǎn)即為各設(shè)計(jì)洪水頻率。

(1)建立上游洪水位集。調(diào)洪演算的基本公式有兩個(gè)，即水量平衡方程和泄量庫容關(guān)系，具體如下

(1)

q=f(Z)

(2)

式中，q1、q2為時(shí)段初、時(shí)段末的出庫流量；Q1、Q2為時(shí)段初、時(shí)段末的入庫流量；V1、V2為時(shí)段初、時(shí)段末的水庫庫容；Δt為計(jì)算時(shí)段；q為出庫流量；Z為上游洪水位。通過調(diào)洪演算，可得各設(shè)計(jì)洪水對應(yīng)的上游洪水位集Z={Z1，Z2，…，Zn}。

(2)建立擋水建筑物頂部高程集。按SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，擋水建筑物頂部高程為水庫靜水位與擋水建筑物頂部超高之和，即

H=Z+y

(3)

式中，H為擋水建筑物頂部高程；Z為水庫靜水位；y為擋水建筑物頂部超高。在水庫靜水位以上擋水建筑物頂部超高由式(4)確定，即

y=R+e+A

(4)

式中，y為擋水建筑物頂部超高；R為最大波浪在壩坡上的爬高；e為最大風(fēng)壅水面高度；A為安全加高。再由上游洪水位集可得擋水建筑物頂部高程集H={H1，H2，…，Hn}。

(3)安全風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果。度汛安全風(fēng)險(xiǎn)為調(diào)洪演算時(shí)各設(shè)計(jì)洪水的洪水頻率，可由式(5)確定，得安全風(fēng)險(xiǎn)集P={P1，P2，…，Pn}。

(5)

式中，T為設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期；P為安全風(fēng)險(xiǎn)。

不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)洪水相應(yīng)上游洪水位、擋水建筑物頂部高程及安全風(fēng)險(xiǎn)等結(jié)果見表1。

表1 安全風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果

1.2 成本風(fēng)險(xiǎn)分析

在度汛期間，圍堰或壩體根據(jù)度汛方案需要填筑到防洪度汛高程。土石壩施工期度汛的成本風(fēng)險(xiǎn)包括為預(yù)防大壩漫頂加高擋水建筑物產(chǎn)生的投入和大壩漫頂潰壩后所產(chǎn)生的損失兩部分，前者是一定會(huì)發(fā)生的，因此可定義為確定性成本；后者發(fā)生與否與是否發(fā)生潰壩事故(具有不確定性)有關(guān)，因此可定義為不確定性成本。

(1)確定性成本。確定性成本為度汛期間加高擋水建筑物所需的成本。根據(jù)擋水建筑物加高部分的工程量占壩體總工程量的比例以及壩體總投資可估算出擋水建筑物加高部分的確定性成本， 即

(6)

式中，Cd為確定性成本；Vh為加高擋水建筑物工程量；Vt為壩體總工程量；Ct為壩體工程總投資。

(2)不確定性成本。不確定性成本是指在發(fā)生潰壩事故的情況下對已建壩體造成的損失。其中，潰壩發(fā)生率為安全風(fēng)險(xiǎn)，已建壩體造成的損失為擋水建筑物加高前已完成投資的成本，即

Cu=P×Cn

(7)

式中，Cu為不確定性成本；Cn為壩體已投資成本；P為安全風(fēng)險(xiǎn)。

(3)成本風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果。成本風(fēng)險(xiǎn)

C=Cd+Cu

(8)

式中，C為成本風(fēng)險(xiǎn),C={C1，C2，…，Cn}；Cd為確定性成本；Cu為不確定性成本。

不同安全風(fēng)險(xiǎn)水平下的成本風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果見表2。

表2 成本風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果

1.3 安全風(fēng)險(xiǎn)—成本風(fēng)險(xiǎn)綜合分析

根據(jù)上述安全風(fēng)險(xiǎn)分析和成本風(fēng)險(xiǎn)分析的理論成果以及國際大壩委員會(huì)對風(fēng)險(xiǎn)的綜合定義，可建立安全風(fēng)險(xiǎn)—成本風(fēng)險(xiǎn)綜合分析集R={R1，R2，…，Rn}。具體為

R=P×C

(9)

式中，R為綜合風(fēng)險(xiǎn)；P為安全風(fēng)險(xiǎn)；C為成本風(fēng)險(xiǎn)。

2 實(shí)例分析

采用本文風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型對前坪水庫圍堰擋水階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)綜合分析，選取該階段防汛加高圍堰所依據(jù)的設(shè)計(jì)洪水，篩選最佳度汛方案。該階段度汛任務(wù)、施工進(jìn)度、投資情況及擋、泄水建筑物的工作情況如表3所示。壩體最終總填筑工程量為1 254萬m3，總投資64 578萬元。

表3 各施工階段具體情況

2.1 安全風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)洪水以及水庫泄流能力等資料進(jìn)行調(diào)洪演算，并根據(jù)規(guī)范和實(shí)際情況考慮擋水建筑物頂部超高，可得不同設(shè)計(jì)洪水對應(yīng)的上游洪水位、擋水建筑物頂部高程及安全風(fēng)險(xiǎn)，如表4所示。

表4 圍堰擋水階段安全風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果

2.2 成本風(fēng)險(xiǎn)分析

在安全風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合大壩施工及投資情況，由式(6)、(7)、(8)可計(jì)算出不同安全風(fēng)險(xiǎn)水平下的成本風(fēng)險(xiǎn)，如表5所示。

表5 成本風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果

2.3 安全風(fēng)險(xiǎn)—成本風(fēng)險(xiǎn)綜合分析

(1)綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果。根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)分析和成本風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算結(jié)果，由式(9)可得安全風(fēng)險(xiǎn)—成本風(fēng)險(xiǎn)綜合分析結(jié)果，如表6所示。

(2)計(jì)算結(jié)果對比分析。將各度汛方案對應(yīng)的綜合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行對比分析，見圖1?？芍瑖邠跛A

表6 圍堰擋水階段綜合分析結(jié)果

段的安全風(fēng)險(xiǎn)隨度汛標(biāo)準(zhǔn)的提升而降低；成本風(fēng)險(xiǎn)隨度汛標(biāo)準(zhǔn)的提升而升高；綜合風(fēng)險(xiǎn)在洪水標(biāo)準(zhǔn)低于100年一遇時(shí)，隨度汛標(biāo)準(zhǔn)的提升而降低，在洪水標(biāo)準(zhǔn)高于100年一遇且低于150年一遇時(shí)，隨度汛標(biāo)準(zhǔn)的提升而升高，在100年一遇度汛標(biāo)準(zhǔn)時(shí)綜合風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到最低。經(jīng)調(diào)洪演算，本工程施工期100年一遇水位為387.69 m，相應(yīng)庫容為1.76億m3，根據(jù)SL303—2004《施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》，壩前庫容超過1.0億m3的土石壩壩體施工期臨時(shí)度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)不低于100年一遇，滿足規(guī)范要求。故按照100年一遇設(shè)計(jì)洪水加高圍堰至391 m為最佳度汛方案。

圖1 圍堰擋水階段綜合風(fēng)險(xiǎn)

3 結(jié) 論

本文根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)洪水、庫容、泄流建筑物泄量等資料，綜合考慮土石壩施工期安全、成本兩建設(shè)目標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系，分析了度汛期間的安全風(fēng)險(xiǎn)，繼而得出了不同安全風(fēng)險(xiǎn)水平下的成本風(fēng)險(xiǎn)，最后建立了安全風(fēng)險(xiǎn)與成本風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)模型。將此模型應(yīng)用于前坪水庫圍堰擋水階段度汛方案優(yōu)劣比選，選取了度汛標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計(jì)洪水的度汛方案，在保證安全度汛的同時(shí)，合理的規(guī)劃了工程投資，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，并為施工期土石壩度汛風(fēng)險(xiǎn)的管理和控制提供了一種新的思路。