土石壩潰決風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)研究與應(yīng)用

蔡 蕁 ，王昭升 ，彭雪輝

（1.水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院，210029，南京；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，210029，南京）

一、土石壩潰決風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)現(xiàn)有的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)水庫(kù)失事后果進(jìn)行考量， 將風(fēng)險(xiǎn)用容許線、 目標(biāo)線分割為不可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、可容忍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。 對(duì)于不可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)采用強(qiáng)制措施降低風(fēng)險(xiǎn)， 對(duì)可容忍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)應(yīng)用ALARP原則降低風(fēng)險(xiǎn)。

風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)采用失效概率與損失關(guān)系曲線即F-L 線法劃分，我國(guó)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)采用中立型風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)由失效概率及合理的容許風(fēng)險(xiǎn)控制指數(shù)決定。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)象一般包括生命損失、經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)環(huán)境影響，其中生命損失一般通過風(fēng)險(xiǎn)人口與經(jīng)驗(yàn)公式估算， 結(jié)果存在較大不確定性。本文提出將生命損失風(fēng)險(xiǎn)細(xì)化，增加風(fēng)險(xiǎn)人口（PAR）評(píng)價(jià)指標(biāo)，即土石壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括生命損失風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（LOL）、影響人口風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（PAR）、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（DT）及社會(huì)與環(huán)境影響指標(biāo)（ISE）。

1.潰決概率標(biāo)準(zhǔn)

《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50199—2013） 列出了土石壩建筑物級(jí)別與潰壩概率關(guān)系。該標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)是為了體現(xiàn)對(duì)不同級(jí)別建筑物的不同重視程度而擬定的。 由于土石壩的實(shí)際潰壩概率與建筑物級(jí)別并無必然聯(lián)系， 若潰壩概率相同，不論是幾級(jí)建筑物，其風(fēng)險(xiǎn)都同樣大，從偏安全考慮，風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)研究統(tǒng)一采用1 級(jí)建筑物的可靠度指標(biāo)，即近似取潰壩概率Pf<1×10-4的土石壩工程是安全的，潰壩概率Pf≥1×10-4的工程不安全。 為獲得可接受、可容忍與不可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間，確定了工程可靠度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示。

表1 工程可靠度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.生命損失（LOL）指標(biāo)

根據(jù)我國(guó)《生產(chǎn)安全事故報(bào)告和調(diào)查處理?xiàng)l例》， 安全生產(chǎn)事故的生命損失分為四級(jí)。 由分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，生命損失在3 人以內(nèi)認(rèn)為是一般事故，3 人以上為較大事故，因此將臨界生命損失人數(shù)定為3 人。

將臨界生命損失人數(shù)3 人分別與工程可靠度界限值相乘獲得土石壩風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)線、容許線及高風(fēng)險(xiǎn)線相應(yīng)生命損失風(fēng)險(xiǎn)值。 因此，生命損失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定為：生命損失風(fēng)險(xiǎn)CL<0.000 03 人是可以接受的，且當(dāng)水庫(kù)大壩潰壩概率低于1×10-5時(shí)，大壩是相當(dāng)安全的， 以一條水平線劃分，以其以下部分為Ⅳ級(jí)可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；0.000 03≤CL<0.003 人為Ⅲ級(jí)可容忍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；0.003≤CL<0.03 人為Ⅱ級(jí)不可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；CL≥0.03 人為Ⅰ級(jí)極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

3.影響人口（PAR）指標(biāo)

影響人口是衡量水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)的重要因素， 目前暫無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)參考。 統(tǒng)計(jì)我國(guó)水庫(kù)突發(fā)事件轉(zhuǎn)移人數(shù)，采用皮爾遜-Ⅲ型曲線配線， 配線計(jì)算見表2，頻率曲線擬合見圖1，觀察曲線可知，頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)配合較好。

圖1 經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)配線圖

由表2 可知，轉(zhuǎn)移人數(shù)為295 人以下的突發(fā)事件發(fā)生頻率在90%以上， 為公眾所能接受的經(jīng)常性事件，并且普通城市的供水、灌溉、發(fā)電等保證率大部分在90%以上，將風(fēng)險(xiǎn)人口的“保證率”定為90%是合適的。 因此， 將臨界風(fēng)險(xiǎn)人口定為300 人，低于300 人為一般事件，高于300 人為較重大事件。 將影響人口臨界值與工程可靠度界限值相乘獲得影響人口風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)界限。 影響人口風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定為：影響人口風(fēng)險(xiǎn)CP<0.003 人是可以接受的，且當(dāng)水庫(kù)大壩潰壩概率低于1×10-5時(shí)， 大壩是相當(dāng)安全的，以一條水平線劃分，并以其下部分為Ⅳ級(jí)可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；0.003≤Cp<0.3 人為Ⅲ級(jí)可容忍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；0.3≤Cp<3 人為Ⅱ級(jí)不可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；Cp≥3 人為Ⅰ級(jí)極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

表2 皮爾遜-Ⅲ型頻率曲線選配計(jì)算表

4.經(jīng)濟(jì)損失（DT）指標(biāo)

根據(jù)我國(guó)《生產(chǎn)安全事故報(bào)告和調(diào)查處理?xiàng)l例》， 安全生產(chǎn)事故的經(jīng)濟(jì)損失分為四級(jí)。 經(jīng)濟(jì)損失在1 000萬元以內(nèi)認(rèn)為是一般事故，1 000 萬元以上為較大事故，因此將臨界經(jīng)濟(jì)損失定為1 000 萬元。 將經(jīng)濟(jì)損失臨界值與工程可靠度界限值相乘獲得經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)界限。 經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定為：經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)CD<0.01萬元是可以接受的， 且當(dāng)水庫(kù)大壩潰壩概率低于1×10-5時(shí)，大壩是相當(dāng)安全的，以一條水平線劃分，并以其下部分為Ⅳ級(jí)可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；0.01 萬≤CD≤1 萬元為Ⅲ級(jí)可容忍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；1萬≤CD<10 萬元為Ⅱ級(jí)不可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；CD≥10 萬元為Ⅰ級(jí)極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

5.社會(huì)與環(huán)境影響（ISE）指標(biāo)

土石壩潰壩對(duì)社會(huì)與環(huán)境影響涉及的因素十分復(fù)雜，《水庫(kù)大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》（SLZ 720—2015） 中推薦采用社會(huì)與環(huán)境影響指數(shù)ISE衡量，該指數(shù)綜合考慮了潰壩洪水對(duì)下游河道、生物及生物棲息地、 人文景觀與工業(yè)影響等。 一般將社會(huì)與環(huán)境影響指數(shù)分為四級(jí)。

當(dāng)社會(huì)與環(huán)境影響指數(shù)小于10認(rèn)為是一般事故， 高于10 為較大事故，因此將臨界社會(huì)與環(huán)境影響指數(shù)定為10。將社會(huì)與環(huán)境影響指數(shù)臨界值與工程可靠度界限值相乘獲得社會(huì)與環(huán)境影響分級(jí)界限。 因此，社會(huì)與環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定為：社會(huì)與環(huán)境影風(fēng)險(xiǎn)CI<0.000 1 是可以接受的，且當(dāng)水庫(kù)大壩潰壩概率低于1×10-5時(shí)，大壩是相當(dāng)安全的，以一條水平線劃分，并以其下部分為Ⅳ級(jí)可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；0.000 1≤CI<0.01 為Ⅲ級(jí)可容忍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；0.01≤CI<0.1 為Ⅱ級(jí)不可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；CI≥0.1 為Ⅰ級(jí)極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

將上述指標(biāo)同時(shí)繪制成一張土石壩風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)圖，見圖2。

圖2 我國(guó)土石壩風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)位于不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，取最高風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)作為土石壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。 當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)任意指標(biāo)位于Ⅰ級(jí)極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)或Ⅱ級(jí)不可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)時(shí)，必須采取強(qiáng)制措施降低相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)任意指標(biāo)位于Ⅲ級(jí)可容忍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)時(shí)， 可根據(jù)ALARP原則盡量降低水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)所有指標(biāo)均位于Ⅳ級(jí)可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)時(shí)，可不采取降低風(fēng)險(xiǎn)措施，進(jìn)行日常巡視檢查監(jiān)測(cè)，控制土石壩風(fēng)險(xiǎn)，保障水庫(kù)大壩安全。

二、水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估案例

1.工程概況與下游社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況

某水庫(kù)是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、 發(fā)電等綜合利用的水利工程。樞紐工程主要由大壩、泄洪閘、泄洪放空洞、泄洪渠、副壩、電站等建筑物組成。 工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級(jí)別為2 級(jí)，次要建筑物電站級(jí)別為4 級(jí)。 水庫(kù)正常蓄水位23.16 m；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，設(shè)計(jì)洪水位32.56 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 000 年一遇，校核洪水位35.03 m。

大壩壩型為土石壩（擴(kuò)大黏土心墻砂殼壩），壩頂高程36.26 m，防浪墻高程37.46 m，最大壩高 24.1 m，壩頂寬度10 m，壩頂長(zhǎng)度575 m，壩軸線位于防浪墻上游側(cè)。 大壩防滲墻截滲處理采用低彈?；炷练罎B墻型式。

調(diào)查與水庫(kù)防洪密切相關(guān)的地區(qū)，確定水庫(kù)防洪保護(hù)區(qū)范圍統(tǒng)計(jì)下游社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，下游社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況見表3。

表3 下游社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況匯總

2.風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法與計(jì)算工況

水庫(kù)主要潰壩模式為漫頂潰壩、上下游壩坡失穩(wěn)潰壩以及滲透破壞潰壩，潰壩概率與潰壩損失參考《水庫(kù)大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算工況如下：

①正常蓄水位23.16 m （汛限水位）；

②設(shè)計(jì)洪水位32.56 m；

③校核洪水位35.03 m。

3.計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果見圖 3 及表 4。 分析如下：

圖3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估圖

表4 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果

①當(dāng)水庫(kù)處于正常蓄水位（汛限水位以下）時(shí)，各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)均位于Ⅳ級(jí)低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域， 屬于可接受的風(fēng)險(xiǎn)，與相應(yīng)規(guī)范及水庫(kù)管理經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知相符，可不做處理。

②當(dāng)洪水達(dá)到設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即工況②， 由于庫(kù)水的壓坡作用，潰壩概率反而相較正常蓄水位有所降低，但潰壩造成的下游損失由于潰壩洪水量的增加而顯著增高，風(fēng)險(xiǎn)有所上升， 因所有指標(biāo)都未超過容許線，屬于可容忍的Ⅲ級(jí)中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)根據(jù)ALARP 原則確定是否采取降低風(fēng)險(xiǎn)措施。

③當(dāng)洪水達(dá)到校核洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，此時(shí)潰壩概率由于漫頂可能性加大而有所升高， 同時(shí)下游可能的潰壩損失也在增大，水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)大大提高，經(jīng)濟(jì)損失與影響人口指標(biāo)已位于極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，必須采取措施降低風(fēng)險(xiǎn)。 考慮水庫(kù)及時(shí)發(fā)布相應(yīng)預(yù)警，生命損失風(fēng)險(xiǎn)仍可相對(duì)保持在較低水平。

三、結(jié) 語

本文著眼于土石壩，依據(jù)我國(guó)國(guó)情、相關(guān)法規(guī)、工程管理經(jīng)驗(yàn)、前人研究成果及實(shí)地調(diào)研潰壩數(shù)據(jù)，提出了土石壩潰決風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，包括生命損失風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)、影響人口風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)及社會(huì)與環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)， 提出了水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)管控原則。由工程實(shí)例風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明，本文提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)符合土石壩風(fēng)險(xiǎn)實(shí)際情況，可用于作為評(píng)判土石壩風(fēng)險(xiǎn)高低的依據(jù)，為進(jìn)一步完善我國(guó)土石壩潰決風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)研究作出貢獻(xiàn)。但本文提出標(biāo)準(zhǔn)為靜態(tài)土石壩風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進(jìn)一步研究其是否適用于水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并做相應(yīng)的改進(jìn)完善。