特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

王子成，許后磊，趙志勇，張禮兵，陳 豪，陳亞軍，徐智勇

(1. 中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；2. 華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214；3. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

目前我國水電建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展階段，大壩數(shù)量已超過9.8萬座[1]，這些工程發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，但同時也給大壩下游帶來一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，通過計(jì)算機(jī)軟件分析管理大壩的動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)正成為解決大壩安全問題的新途徑。國內(nèi)許多學(xué)者對大壩安全風(fēng)險(xiǎn)分析已做了一定的研究。孫瑋瑋等[2]利用模糊數(shù)學(xué)理論對大壩風(fēng)險(xiǎn)后果進(jìn)行綜合評價；李升[3]總結(jié)了大壩潰壩概率分析、經(jīng)濟(jì)損失以及環(huán)境社會評價的方法，并開發(fā)實(shí)現(xiàn)了基于GIS的潰壩損失評估分析可視化；彭雪輝等[4]提出了針對我國水庫大壩的社會環(huán)境影響指數(shù)計(jì)算方法，以及社會環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。但綜合考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡視檢查和物探檢測三方面內(nèi)容并引入大壩安全綜合評價體系，結(jié)合潰壩損失，通過系統(tǒng)實(shí)時對大壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析的研究尚無先例。鑒于此，本文以我國西南地區(qū)某特高拱壩為依托，對特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行了研究，以期提高特高拱壩安全風(fēng)險(xiǎn)管控水平。

1 特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了快速準(zhǔn)確地分析特高拱壩的動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)，掌控整個大壩安全風(fēng)險(xiǎn)狀況，特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、巡視檢查信息管理、物探檢測信息管理、安全綜合評價、動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析等5大方面，其中，安全綜合評價包括評價模型管理、模型權(quán)重管理和綜合分析評判。

2 特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析實(shí)現(xiàn)途徑

2.1 特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析步驟

（1）根據(jù)特高拱壩荷載特征和安全監(jiān)測布置情況，建立與特高拱壩相適應(yīng)的動態(tài)安全綜合評價體系，該體系綜合考慮安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場巡視檢查和物探檢測數(shù)據(jù) 。

（2）確定監(jiān)測點(diǎn)的評價指標(biāo)，結(jié)合工程實(shí)際，綜合統(tǒng)計(jì)模型法、總量歷時特征值、速率歷時特征值、計(jì)算成果對比法、工程類比法、規(guī)范允許值等評判準(zhǔn)則綜合擬定的單測點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)，并確定測點(diǎn)級的安全等級。

（3）利用層次分析法[5-7]和模糊理論[8]確定評判模型各節(jié)點(diǎn)的權(quán)重矩陣以及隸屬度矩陣來形成綜合評判矩陣，最后再按最大隸屬度原則[9-10]，可得到大壩建筑物是否穩(wěn)定以及穩(wěn)定程度的綜合評價結(jié)果，即特高拱壩事故發(fā)生的可能性級別。

（4）確定特高拱壩潰壩對下游造成的人口和財(cái)產(chǎn)等損失值，并利用當(dāng)量法進(jìn)行量化統(tǒng)一，以此確定損失級別。

（5）根據(jù)特高拱壩事故發(fā)生的可能性級別和損失級別，利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣，最后確定特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)等級。

具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析步驟Fig. 1 Steps for dynamic safety risk analysis of superhigh arch dams

2.2 安全監(jiān)測數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

安全監(jiān)測數(shù)據(jù)庫是特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)，特別是隨著時間增長監(jiān)測數(shù)據(jù)會不斷增多，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系到系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析響應(yīng)的速度。

特高拱壩安全監(jiān)測的項(xiàng)目主要包括變形、滲流和應(yīng)力應(yīng)變等，而每一種監(jiān)測項(xiàng)目又包含多種監(jiān)測儀器類型。由于特高拱壩涉及監(jiān)測儀器類型多，而且現(xiàn)在大多實(shí)現(xiàn)了自動化監(jiān)測，監(jiān)測頻次較高，數(shù)據(jù)量會呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。為了縮短安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的檢索時間，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，將每種監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)分類存儲。針對安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將每一類監(jiān)測儀器的相關(guān)數(shù)據(jù)分為儀器考證基礎(chǔ)信息、未整編的監(jiān)測數(shù)據(jù)和整編后的監(jiān)測數(shù)據(jù)。這樣每種監(jiān)測儀器都可以建立3個數(shù)據(jù)庫實(shí)體，即考證基礎(chǔ)信息實(shí)體、未整編的監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)體以及整編后的監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)體。

針對任意一種儀器，將與測點(diǎn)相關(guān)的信息存入考證信息表，將監(jiān)測原始數(shù)據(jù)存入原始表，將監(jiān)測整編成果存入整編表。

2.3 安全綜合評價體系

在特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)中，為確定特高拱壩事故發(fā)生的可能性級別，建立了從監(jiān)測點(diǎn)、儀器類型、監(jiān)測項(xiàng)目、基本部位、建筑物的五級評價體系，采用層次分析法對特高拱壩安全穩(wěn)定性的各種影響因素和判據(jù)進(jìn)行分析，確定權(quán)值并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，將權(quán)值分析結(jié)果應(yīng)用于模糊評價中，評價模型每個節(jié)點(diǎn)都能得出1個隸屬度矩陣，最后根據(jù)最大隸屬度原則得出安全評價結(jié)果，該隸屬度評價結(jié)果代表的是一種可能性。大壩失事可能性級別即安全評價集，依據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL 258—2017），評價集分成A，B，C共3個等級，即安全可靠、基本安全、不安全；根據(jù)實(shí)際需要，可將安全可靠、基本安全、不安全分別表述為正常、關(guān)注、檢查。安全綜合評價體系見圖2。

圖 2 安全綜合評價體系Fig. 2 Comprehensive evaluation system of safety

（1）監(jiān)測點(diǎn)層分析，根據(jù)敏感性分析建立評價模型中監(jiān)測點(diǎn)的評價方法（統(tǒng)計(jì)模型法、總量歷時特征值、速率歷時特征值、計(jì)算成果對比法、工程類比法、規(guī)范允許值）的權(quán)重矩陣：

式中：wn為第n種方法的權(quán)重值。

監(jiān)測點(diǎn)測值根據(jù)以上6種評價方法和評價集建立對應(yīng)的隸屬度矩陣：

式中：μnA，μnB，μnC分別為第n種評價方法對應(yīng)評價集A，B，C的計(jì)算值。

監(jiān)測點(diǎn)第i個測點(diǎn)綜合評判矩陣U1i：

（2）其他層級分析除監(jiān)測點(diǎn)層外，包括儀器類型、監(jiān)測項(xiàng)目、基本部位、大壩在內(nèi)的其他層分析流程類似，下面以基本部位層為例進(jìn)行說明。

根據(jù)層次分析法建立評價模型中基本部位節(jié)點(diǎn)i的子節(jié)點(diǎn)間的權(quán)重矩陣。層次分析法主要涉及專家打分，通過邀請不同的專家（工程設(shè)計(jì)人員、施工人員、管理人員等）利用倒數(shù)標(biāo)度法對比層次結(jié)構(gòu)模型各節(jié)點(diǎn)的重要性進(jìn)行打分，構(gòu)造判斷矩陣，若通過一致性檢驗(yàn)，即可確定各節(jié)點(diǎn)權(quán)值。

式中：w3in為基本部位節(jié)點(diǎn)i第n個子節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值。

基本部位節(jié)點(diǎn)i的子節(jié)點(diǎn)的綜合評判矩陣構(gòu)造對應(yīng)的隸屬度矩陣：

式中：u3nA，u3nB，u3nC分別為基本部位節(jié)點(diǎn)i第n個子節(jié)點(diǎn)的綜合評判矩陣對應(yīng)評價集A，B，C的計(jì)算值。

基本部位節(jié)點(diǎn)i綜合評判矩陣U4i：

由于大壩工程特別復(fù)雜，運(yùn)行工況各不相同，尤其是特高拱壩更為突出。工程界對風(fēng)險(xiǎn)分析方法沒有一個統(tǒng)一的界定，不同專家學(xué)者對風(fēng)險(xiǎn)的理解也不盡相同，但這些分析方法中都會包含事故發(fā)生的概率以及損失的嚴(yán)重程度這兩個基本因素，即

式中：R代表風(fēng)險(xiǎn)；U代表事故發(fā)生的概率；S代表事故造成損失的嚴(yán)重程度。

特高拱壩的動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析是利用較為常用的風(fēng)險(xiǎn)矩陣[11]進(jìn)行分析，根據(jù)事故發(fā)生的概率和造成的損失來確定特高拱壩的安全風(fēng)險(xiǎn)。事故發(fā)生的可能性等級可由安全綜合評價中分析大壩的隸屬度矩陣和最大隸屬度原則確定。根據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL 258—2017），大壩安全評價結(jié)果分為3個等級來反映潰壩的相對可能性，即安全可靠、基本安全和不安全。潰壩損失按損失程度可分為輕度損失、中度損失和重大損失，風(fēng)險(xiǎn)矩陣見表1。

特高拱壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析中的損失主要包括3個方面[12]，即生命損失、經(jīng)濟(jì)損失和社會環(huán)境影響。由于三者單位不同，無法直接計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)損失的結(jié)果量化統(tǒng)一，可采用當(dāng)量法[13]確定潰壩損失級別。依據(jù)2007年6月1日起實(shí)施的《生產(chǎn)安全事故報(bào)告和調(diào)查處理?xiàng)l例》的相關(guān)規(guī)定，1人死亡相當(dāng)于300萬元左右的經(jīng)濟(jì)損失或3人左右的重傷，為簡化處理，1個當(dāng)量損失可表示1人死亡或3人重傷或300萬元經(jīng)濟(jì)損失。社會環(huán)境影響當(dāng)量值可劃分為5（輕度的）、13（中度的）、18（重大的）。

表 1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣Tab. 1 Risk matrix

式中：N1代表生命損失當(dāng)量；N2代表經(jīng)濟(jì)損失當(dāng)量；N3代表社會環(huán)境影響當(dāng)量；當(dāng)S≤13，13 ＜ S≤20，S ＞20時，分別代表輕度損失、中度損失、重大損失。

根據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)維管理特點(diǎn)，不同風(fēng)險(xiǎn)級別可采取不同的應(yīng)對措施，其中，1級風(fēng)險(xiǎn)不必采取應(yīng)對措施，因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)等級最低，若采取風(fēng)險(xiǎn)降低措施成本太高；2級風(fēng)險(xiǎn)可不必采取應(yīng)對措施，因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)等級適度，若采取風(fēng)險(xiǎn)降低措施成本較高；3級風(fēng)險(xiǎn)宜采取應(yīng)對措施，大壩管理人員宜加強(qiáng)工程安全管理，采取工程或非工程措施降低風(fēng)險(xiǎn)等級；4級風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該采取應(yīng)對措施，大壩管理人員應(yīng)加密安全監(jiān)測、現(xiàn)場巡視檢查和物探觀測，在1年內(nèi)采取工程或非工程措施降低風(fēng)險(xiǎn)等級；5級風(fēng)險(xiǎn)必須采取應(yīng)對措施，大壩管理人員必須加密安全監(jiān)測、現(xiàn)場巡視檢查和物探觀測，在半年內(nèi)采取工程或非工程措施降低風(fēng)險(xiǎn)等級。

2.4 動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析

3 系統(tǒng)研發(fā)及工程實(shí)例

根據(jù)上述評價方法及技術(shù)路線，利用SQL Server數(shù)據(jù)庫和Visual C#.NET編程技術(shù)，研發(fā)了特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)。

以我國西南地區(qū)某特高拱壩為例，進(jìn)行動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析。該特高拱壩位于云南省西部南澗縣與鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段，為混凝土雙曲拱壩，最大壩高294.5 m，工程屬大（1）型一等工程。該拱壩首次建成了超大型300 m級高拱壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，安全監(jiān)測點(diǎn)約6 400個，涉及表面變形監(jiān)測點(diǎn)、正垂線、倒垂線、應(yīng)變計(jì)等多種儀器類型，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的級別及復(fù)雜程度目前國內(nèi)罕見。根據(jù)工程運(yùn)行特點(diǎn)，同時考慮風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算分析效率，以該拱壩的重點(diǎn)關(guān)注部位建立了安全綜合評價體系進(jìn)行動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析，這些重點(diǎn)關(guān)注部位包括4，9，15，22和29號壩段等。

3.1 測點(diǎn)級安全評價

該特高拱壩29號壩段布置有測點(diǎn)C4-A29-PL-02監(jiān)測拱壩壩頂變形，以2018年10月2日的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型法、總量歷時特征值、速率歷時特征值、計(jì)算成果對比法、工程類比法、規(guī)范允許值6種評價方法，對某一時刻測值進(jìn)行安全分析，隸屬度矩陣為：

測點(diǎn)C4-A29-PL-02的評價集結(jié)果為：0.7，0.3和0，分別隸屬于正常、基本正常、異常，根據(jù)最大隸屬度原則，則測點(diǎn)C4-A29-PL-02測值正常。

3.2 安全綜合評價

根據(jù)該特高拱壩安全監(jiān)測布置的特點(diǎn)，同時考慮各部位對整個大壩安全性的影響程度，系統(tǒng)選擇了部分重點(diǎn)壩段和部位建立安全綜合評價模型，通過選擇監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡視檢查和物探檢測的日期。一般情況安全監(jiān)測的頻次要比巡視檢查和物探檢測高，當(dāng)選取的日期當(dāng)天無巡視檢查和物探檢測資料時，取所選日期最近的巡視檢查和物探檢測資料數(shù)據(jù)來參與分析。點(diǎn)擊“分析評判”，即可快速分析出大壩的安全評價等級和隸屬度矩陣。圖3顯示了該特高拱壩在2018年10月2日安全綜合分析結(jié)果，其隸屬度矩陣為[0.983，0.013，0.005]，根據(jù)最大隸屬度原則，可得該特高拱壩當(dāng)天的安全評價等級為正常。另外，為了便于用戶查看特高拱壩的安全評價模型各節(jié)點(diǎn)評價等級，系統(tǒng)以思維導(dǎo)圖的方式直觀展示評價結(jié)果，如圖4所示。

圖 3 綜合評價結(jié)果Fig. 3 Comprehensive evaluation results

圖 4 綜合評價結(jié)果展示Fig. 4 Show of comprehensive evaluation results

3.3 動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估

選取特高拱壩在2018年10月2日的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場巡視檢查和物探檢測數(shù)據(jù)，并結(jié)合當(dāng)量法計(jì)算的損失等級進(jìn)行綜合分析，動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果如圖5所示。分析表明，該壩當(dāng)天風(fēng)險(xiǎn)等級是1級，處于最低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，不必采取應(yīng)對措施，這與該拱壩實(shí)際運(yùn)行情況相一致。

圖 5 動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果Fig. 5 Dynamic risk analysis results

4 結(jié) 語

（1）針對安全監(jiān)測測點(diǎn)繁多的特點(diǎn)，將每一類監(jiān)測儀器的相關(guān)數(shù)據(jù)分為儀器考證基礎(chǔ)信息、未整編的監(jiān)測數(shù)據(jù)和整編后的監(jiān)測數(shù)據(jù)3種，構(gòu)建了適應(yīng)不同監(jiān)測類型和大量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。

（2）提出了一套基于監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡視檢查和物探檢測的特高拱壩安全綜合評價體系，對特高拱壩事故發(fā)生可能性進(jìn)行分析，結(jié)合事故造成的損失，研發(fā)了特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)。

（3）以我國西南地區(qū)某特高拱壩為例，進(jìn)行動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析。系統(tǒng)對2018年10月2日的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場巡視檢查和物探檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，分析結(jié)果顯示當(dāng)天風(fēng)險(xiǎn)等級是1級，處于最低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，符合實(shí)際情況，表明該系統(tǒng)為特高拱壩動態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控分析和科學(xué)管理提供了一個良好的輔助工具。