基于ALARP準則的某土石壩運行期風險評價

（新疆克孜爾水庫管理局，新疆 阿克蘇 842300）

近年來，隨著國家社會和經(jīng)濟的進一步發(fā)展，對能源的需求迅速增長，新建了一批大型水利水電工程，其中一部分為土石壩。隨著土石壩設計水平和筑壩機械設計制造水平的不斷發(fā)展，一批高土石壩和超高土石壩相繼開工建設或建成。

土石壩施工環(huán)境較為復雜，易受地形、氣象、材料和管理等影響，面臨多種風險，甚至發(fā)生潰壩等事故。目前，土石壩的運行管理目標主要保證大壩自身安全和潛在損失在可接受范圍。據(jù)有關部門統(tǒng)計，我國土石壩潰決數(shù)量占大壩潰決的近98%，因此評價土石壩運行期的風險具有十分重要的作用。

分析土石壩運行期事故概率和后果，并與風險標準相比較，可判斷出運行期的風險水平。土石壩根據(jù)洪水標準來確定水工建筑物的等級和相應的洪水標準，主要考慮滲流、變形和穩(wěn)定方面的風險，可能發(fā)生的風險主要有漫頂或結構破壞。目前，國內(nèi)無專門用于土石壩事故的評價標準，國外在20世紀80年代末開始潰壩損失方面的研究，我國引入后尚處于初步與我國潰壩事故結合階段，未形成符合我國實際的風險標準。

1 工程概況及風險標準

1.1 工程概況

某水庫控制流域面積110km2，主要為下游某城市供水，兼具灌溉和防洪等功能的中型水庫。大壩下游有人口15萬，還有重要的鐵路、電廠、水廠、高新區(qū)等，防洪十分重要。

水庫有大壩、溢洪道、泄洪洞、輸水管、副壩、節(jié)制閘等建筑物組成。大壩為均質(zhì)土壩，以輕粉質(zhì)壤土為主，夾少量砂壤土和中粉質(zhì)壤土。大壩下游壩基淤泥清基不徹底、壩頭橫向貫穿裂縫、泄洪洞下游出口漏水、壩體填筑不合格等問題。

1.2 風險標準

水庫大壩失事主要造成生命和經(jīng)濟損失，對社會和環(huán)境造成影響。生命損失是大壩失事后，庫水沖擊、淹沒等造成淹沒區(qū)域內(nèi)人員死亡；經(jīng)濟損失是大壩失事后，因淹沒對房屋、物資、耕地、樹木、廠礦、交通等方面造成的直接或間接損失；社會影響是指對人們生活和精神方面的影響和改變；環(huán)境影響是指失事導致河道形態(tài)、沿河水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、人居環(huán)境和土壤等方面的改變。

人員生命損失可根據(jù)式（1）進行計算：

式中 IR為人員生命風險；Pi為i個大壩失事形成洪水的概率；Pd/i為i個大壩失事形成的洪水中人員死亡概率。

社會風險和經(jīng)濟風險均可按式（2）進行計算：

式中 Pf（x）、P（N＞x）為年死亡人數(shù)或年經(jīng)濟損失大于x的概率；fN（x）為年死亡人數(shù)或年經(jīng)濟損失N的概率密度函數(shù)。

目前在國際上被廣泛采用的風險標準為ALARP準則，即最低合理可行準則。風險是否可以接受，是由獲得的利益能補償所帶來的風險時決定的，因此對于風險不是無條件接受的，而是需要決策的問題。

ALARP準則將風險劃分為不可容忍區(qū)域、最低合理可行區(qū)域和廣泛可接受區(qū)域，如圖1。

圖1 ALARP準則風險劃分及等級

當風險處于不可容忍區(qū)域時，必須采取降低風險的控制措施；當風險處于廣泛可接受區(qū)域時，可不采取措施；當風險處于最低合理可行區(qū)域時，可根據(jù)風險能否降低或收益與風險控制成本是否對等來決定是否采取措施。因此如何確定3個區(qū)域的界線，即如何確定可容忍風險水平和可接受風險水平是風險評價的關鍵之處。

2 風險評價

2.1 風險概率及后果

采用事故樹方法分別計算該水庫除險加固前、后在5000年～PMF、1000～5000年、100～1000年、1～100年等不同洪水標準下的風險概率，如圖2和圖3。

圖2 除險加固前各洪水標準下事故概率

圖3 除險加固后各洪水標準下事故概率

根據(jù)圖2和圖3中除險加固前后各洪水標準下的事故概率，采用美國的Dekay M L與Mcclelland G H兩人根據(jù)大量洪水資料和水庫資料，并考慮洪水的破壞力大小而建立的下列公式計算潛在生命損失數(shù)：

可進一步簡化為式（4）：

式中 LOL為潛在生命損失數(shù)；PAR為位于風險區(qū)域內(nèi)的人口總數(shù)；WT為自潰壩警報發(fā)出到洪水到達的時間；FC為洪水風險特征，在高水力風險、水深流急時取1，在低水力風險、水淺流緩時取0。

考慮不同洪水標準和不同的預警時間，其中PMF洪水時FC為0.5，5000年洪水時FC為0.3，1000年洪水時FC為0.1，100年洪水時FC為0，預警時間為0，0.2，0.5，1h，分別計算上述條件下的生命損失，結果如表1。

表1 社會生命風險結果

2.2 風險評價

根據(jù)圖2，圖3及表1中計算結果和ALARP準則，繪制水庫社會風險標準，如圖4。

圖4 水庫社會風險標準圖

由圖4可知，在該水庫除險加固前，在發(fā)生PMF、5000年、1000年、100年等不同洪水標準時，無論預警時間為0，0.2，0.5h，還是預警時間達1h，大壩運行期的事故概率和超過概率均處于不可容忍區(qū)域，表明此時大壩的運行風險遠遠高于可容忍的風險水平；在水庫除險加固后，在發(fā)生PMF、5000年、1000年、100年等不同洪水標準且預警時間分別為0，0.2，0.5，1h時，大壩運行期的事故概率和超過概率均較除險加固前有了大幅降低，可降低10倍以上，個別標準下甚至可降低數(shù)百倍，預警時間為1h的不同洪水標準下的事故概率和超過概率處于ALARP區(qū)域（最低合理可行區(qū)域），而預警時間為0，0.2，0.5h的事故概率和超過概率除有個別位于ALARP區(qū)域，其他均位于不可容忍區(qū)域，但與出險加固前相比更接近于ALARP區(qū)域，表明在預警時間為1h時，大壩的運行風險處于可容忍的風險水平，而預警時間為0，0.2，0.5h時，大壩的運行風險高于可容忍的風險水平有一定程度。

綜上，采用ALARP準則比傳統(tǒng)的大壩運行風險標準更能科學和全面的評價大壩安全狀態(tài)，該水庫在除險加固后風險水平仍然較高，表明該準則還存在一定不足：對大型、中型和小型等不同類型水庫應采用有針對性的風險標準；評價時應充分調(diào)查下游影響區(qū)域人口密度，充分考慮對計算結果的影響；本次采用的生命損失計算公式是引用國外的，可能與我國有一定差異。這些不足在今后類似的工程需進一步研究并改進。

3 結語

采用ALARP準則對某土石壩運行期風險進行評價，除險加固前，在發(fā)生PMF、5000年、1000年、100年等不同洪水標準時，大壩運行期的事故概率和超過概率均處于不可容忍區(qū)域，大壩的運行風險遠遠高于可容忍的風險水平；除險加固后，大壩運行期的事故概率和超過概率均較除險加固前有了大幅的降低，預警時間為1h的不同洪水標準下的事故概率和超過概率處于ALARP區(qū)域，大壩的運行風險處于可容忍的風險水平。

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