雅礱江錦屏一級大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)研究與應(yīng)用

李嘯嘯，馮永祥

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，610056）

0 引言

錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣和木里縣境內(nèi)雅礱江干流上，是雅礱江干流中下游水電開發(fā)的控制性水庫梯級。大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高305.0 m，是目前世界已建成運(yùn)行的第一高壩。錦屏一級水電站地處深山峽谷地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，具有特高拱壩、特高水頭、特高邊坡、高山峽谷、高地應(yīng)力和深部卸荷等“五高一深”的技術(shù)特點(diǎn)，工程規(guī)模和技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)超現(xiàn)行拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范界定范疇，大壩建設(shè)難度與復(fù)雜性均超越現(xiàn)有認(rèn)知水平。如何保障大壩在高水頭、高地應(yīng)力和強(qiáng)震等復(fù)雜環(huán)境條件下長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，是目前大壩運(yùn)行安全管理面臨的重大挑戰(zhàn)。

雅礱江公司高度重視大壩安全管理工作，統(tǒng)籌考慮大壩工程安全與社會(huì)公共安全。通過識(shí)別分析錦屏一級大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)，組織開展風(fēng)險(xiǎn)管控關(guān)鍵技術(shù)研究，建立大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管理體系，有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管控，為公司大壩安全管理科學(xué)決策提供了技術(shù)支持[1-2]。

1 大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別包括對風(fēng)險(xiǎn)事件、引發(fā)因素和范圍的確定[1]，大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別主要任務(wù)是確定主要影響因素及潛在失事模式和路徑。

1.1 主要風(fēng)險(xiǎn)因素

錦屏一級大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素可概括為工程因素、人為因素和環(huán)境因素3個(gè)部分[1,5-7]。

工程因素主要表現(xiàn)在大壩防洪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不足、壩體質(zhì)量較差等方面。大壩在勘察、設(shè)計(jì)、施工過程中，由于地質(zhì)條件勘察不明、設(shè)計(jì)不合理、局部質(zhì)量控制不嚴(yán)等，在外部不利動(dòng)荷載作用下可能發(fā)生局部壩基變形、壩體開裂和邊坡滑坡等事故。

人為因素主要表現(xiàn)在管理問題和非工程措施不完善等方面。在大壩安全管理工作中，監(jiān)測設(shè)施運(yùn)行維護(hù)不到位會(huì)影響監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集，不能及時(shí)反映大壩運(yùn)行性態(tài)；泄洪設(shè)施維護(hù)不當(dāng)可能導(dǎo)致泄洪建筑物不能正常泄洪或閘門不能開啟，以致洪水漫壩及荷載超過設(shè)計(jì)荷載，并可能疊加其他缺陷因素導(dǎo)致壩體失穩(wěn)；應(yīng)急預(yù)案編制不符合實(shí)際等。

環(huán)境因素包括自然環(huán)境因素和社會(huì)環(huán)境因素。自然環(huán)境因素包括超標(biāo)準(zhǔn)洪水、特大暴雨、超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)地震、重大地質(zhì)災(zāi)害、上游大體積漂移物堵塞或撞擊泄洪建筑物等；社會(huì)環(huán)境因素包括戰(zhàn)爭、恐怖襲擊等[1]。

1.2 失事模式和路徑

分析國內(nèi)外水庫電站大壩失事案例，混凝土壩潰壩模式多表現(xiàn)為漫頂、大壩結(jié)構(gòu)破壞等（約占總潰壩案例的85%[8]）。結(jié)合錦屏一級大壩實(shí)際運(yùn)行情況，大壩潛在失事模式包括漫壩、拱肩破壞、壩體破壞和壩基破壞。在超標(biāo)準(zhǔn)洪水、地震、結(jié)構(gòu)施工及設(shè)計(jì)不足等因素下，失事路徑可主要概括為以下4種情況（具體原因及事件導(dǎo)致失事路徑可進(jìn)一步細(xì)化）：（1）大壩泄洪設(shè)施故障或泄洪能力不足，水庫水位快速上升，造成漫頂；（2）大壩結(jié)構(gòu)應(yīng)力超限、止水破壞或大體積物體撞擊，造成壩體結(jié)構(gòu)破壞；（3）壩基受基巖疲勞破壞、揚(yáng)壓力異常和軟弱面開裂等影響，造成壩基破壞；（4）拱肩巖體（邊坡）失穩(wěn)，造成拱肩破壞。根據(jù)發(fā)展過程，上述失事模式和失事路徑可能產(chǎn)生不同等級的失事后果，嚴(yán)重的將導(dǎo)致大壩潰決。

各種風(fēng)險(xiǎn)影響下，錦屏一級大壩從出現(xiàn)險(xiǎn)情到潰壩均存在中間發(fā)展過程，其中在遭遇超抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)地震和戰(zhàn)爭打擊的情況下，可能會(huì)出現(xiàn)快速潰壩風(fēng)險(xiǎn)，可能的潰決形式是壩體與壩基產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，在壩基形成過流通道，大幅降低壩體的穩(wěn)定性，加上壩體結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生的壩體開裂等，在壩上游強(qiáng)大的水壓力作用下，壩體局部出現(xiàn)滑動(dòng)或缺口，最終導(dǎo)致壩體大范圍滑動(dòng)、坍塌后發(fā)生大壩潰決。

2 大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管控關(guān)鍵技術(shù)

基于錦屏一級大壩風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別情況，雅礱江公司依托多課題研究成果，開展了大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管控關(guān)鍵技術(shù)研究，建立了包括多源信息感知、分析、預(yù)警、應(yīng)急處置的完善的風(fēng)險(xiǎn)管控體系。

2.1 信息感知

錦屏一級大壩設(shè)有全面的安全監(jiān)測項(xiàng)目，在傳統(tǒng)儀器、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)上，探索研究GNSS、無人機(jī)和人工智能等技術(shù)以實(shí)時(shí)感知大壩運(yùn)行性態(tài)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素等多源信息。

（1）GNSS：針對錦屏一級大壩、庫區(qū)滑坡體（變形體）位移實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、全天候監(jiān)測預(yù)警需要，以北斗/GPS雙星系統(tǒng)融合的高精度平面位移變形監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ)，通過改進(jìn)北斗/GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，建立環(huán)境自適應(yīng)模型，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法，研發(fā)了GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)。其中，自主研發(fā)的高精度接收機(jī)實(shí)現(xiàn)了毫米級載波相位觀測、大容量存儲(chǔ)、多個(gè)通訊接口和多種傳輸協(xié)議功能；自主研發(fā)的高精度測量天線涵蓋了BD（B1、B2）和GPS（L1、L2）雙星四頻，滿足目前測量設(shè)備多系統(tǒng)兼容的需求；布設(shè)在監(jiān)控中心的信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理、管理、災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警等。

（2）無人機(jī)+智能圖像識(shí)別：通過無人機(jī)進(jìn)行邊坡圖像采集，利用局部特征匹配算法（SIFT、SURF等），實(shí)現(xiàn)多圖層（地形坡度、植被發(fā)育、結(jié)構(gòu)面、巖體松動(dòng)）數(shù)字信息融合的3D大場景重建；采用深度學(xué)習(xí)目標(biāo)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)框架，在多圖層融合建模實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的識(shí)別、分類和分割（見圖1）；在高清語義信息庫中，實(shí)現(xiàn)快速、智能分析邊坡安全隱患（危巖體分布、不穩(wěn)定區(qū)等），并對邊坡安全穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)與預(yù)警。

圖1 邊坡危巖體實(shí)例分割（智能圖像識(shí)別）Fig.1 Segmentation of the unstable rock mass in slope(intelligent image recognition)

（3）流域水情自動(dòng)測報(bào)：雅礱江流域水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)由遙測站和中心站組成。中心站是系統(tǒng)的功能集成地，負(fù)責(zé)信息接收處理、數(shù)據(jù)庫管理及為水情預(yù)報(bào)和信息服務(wù)提供軟硬件平臺(tái)；遙測站布設(shè)在流域現(xiàn)場，包括水文（位）站、雨量站和自動(dòng)氣象遙測站等，覆蓋范圍占雅礱江全流域的75.7%。該系統(tǒng)能準(zhǔn)確、及時(shí)地收集水雨情信息，完成長、中、短期水文預(yù)報(bào)，為現(xiàn)場水情測報(bào)、水庫調(diào)度等提供決策支持（見圖2）。

圖2 水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)工作流程Fig.2 The automatic hydrologicalforecasting syst em workflow

（4）地震監(jiān)測：雅礱江公司按照法規(guī)要求建設(shè)了流域微震監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了流域梯級電站水庫地震臺(tái)網(wǎng)與國家臺(tái)網(wǎng)的統(tǒng)籌規(guī)劃、資源共享。系統(tǒng)由數(shù)字遙測地震臺(tái)站、數(shù)據(jù)傳輸信道、中繼站和臺(tái)網(wǎng)中心組成。錦屏庫區(qū)共設(shè)置20個(gè)臺(tái)站，監(jiān)測范圍覆蓋壩址下游5～10 km、壩址上游20 km和水庫兩側(cè)10 km區(qū)域，有效地震監(jiān)測下限為ML0.5級，震中定位精度優(yōu)于2 km。另外，在錦屏一級大壩上布置了22個(gè)強(qiáng)震觀測設(shè)備，對大壩等重要水工建筑物地震加速度進(jìn)行觀測，實(shí)現(xiàn)了地震影響的快速評估，為抗震減災(zāi)提供科學(xué)支持。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

（1）風(fēng)險(xiǎn)分級：雅礱江公司遵循“統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、分級管理，全面防范、重點(diǎn)監(jiān)控，持續(xù)改進(jìn)、不斷完善”的風(fēng)險(xiǎn)管理基本原則和“全員參與、日常管理、及時(shí)準(zhǔn)確”的執(zhí)行原則，綜合大壩工程安全等級和大壩潰決后果等級，將風(fēng)險(xiǎn)從高到低劃分為特別重大風(fēng)險(xiǎn)、重大風(fēng)險(xiǎn)、較大風(fēng)險(xiǎn)和一般風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)等級，分別用Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級表示，對應(yīng)Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級突發(fā)事件。具體分級標(biāo)準(zhǔn)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1901—2018《水電站大壩運(yùn)行安全應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》進(jìn)行設(shè)置。

（2）分級預(yù)警：在對大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)開展測值可靠性研判、安全監(jiān)控模型建立、監(jiān)控指標(biāo)擬定、水工巡視檢查的基礎(chǔ)上，提出了錦屏一級大壩長期運(yùn)行安全分級預(yù)警體系，將預(yù)警等級分為4級：Ⅰ級預(yù)警、Ⅱ級預(yù)警、Ⅲ級預(yù)警、安全運(yùn)行（見圖3）。

圖3 錦屏一級大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分級預(yù)警調(diào)控示意圖Fig.3 Hierarchical warning and control of the operation safety risk of Jinping I hydropower dam

3 大壩運(yùn)行安全在線監(jiān)控

2015年，雅礱江公司聯(lián)合國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，以錦屏一級拱壩為試點(diǎn)，開展了特高拱壩安全在線監(jiān)控平臺(tái)課題研究。該課題研究了在線監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)問題，研發(fā)了集在線監(jiān)測管理、在線快速結(jié)構(gòu)分析和在線安全綜合評判等功能于一體的特高拱壩安全在線監(jiān)控平臺(tái)。其中，在線監(jiān)測管理功能以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對數(shù)據(jù)評判、反饋和檢查等各方面進(jìn)行探索，建立了缺測數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別和反饋系統(tǒng)，并能實(shí)時(shí)或定期對監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行評估；在線快速結(jié)構(gòu)分析功能設(shè)計(jì)了拱壩快速結(jié)構(gòu)分析工具的架構(gòu)，建立拱壩缺陷快速建模技術(shù)；在線安全綜合評判功能研究了快速通過監(jiān)測信息識(shí)別結(jié)構(gòu)異常的技術(shù)，得到了量值異常、趨勢異常和協(xié)調(diào)性異常的研究成果，通過產(chǎn)生式規(guī)則法進(jìn)行多源信息融合評判。

大壩運(yùn)行安全在線監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對大壩運(yùn)行安全信息的實(shí)時(shí)分析，以及對大壩運(yùn)行性態(tài)的實(shí)時(shí)評判，大幅提升了電站現(xiàn)場、公司及國家不同層面的大壩安全管理技術(shù)水平，是大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管控的有效手段。目前，相關(guān)技術(shù)成果已在國家能源局大壩安全監(jiān)察中心監(jiān)管的大壩進(jìn)行推廣應(yīng)用，取得了預(yù)期效果。

4 流域應(yīng)急管理

在開展大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管控的同時(shí)，通過建立應(yīng)急管理體系，對現(xiàn)場突發(fā)事件進(jìn)行事前、事中、事后的全流程管理[2]。雅礱江公司緊密結(jié)合流域應(yīng)急管理工作特點(diǎn)，建設(shè)了流域應(yīng)急管理平臺(tái)，有效整合數(shù)字雅礱江、流域大壩信息和水情信息等多源信息，為應(yīng)急管理提供決策支持。

為規(guī)范指導(dǎo)錦屏一級水電站防洪搶險(xiǎn)應(yīng)急工作，組織編制了《雅礱江錦屏一級水電站水庫防洪搶險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案》，提高了水庫防洪度汛工作中應(yīng)對突發(fā)事件的能力。預(yù)案編制以最大程度確保人民群眾生命安全、減少生命損失為首要目標(biāo)，體現(xiàn)行政屬地及公司分級負(fù)責(zé)、各司其職的預(yù)案責(zé)任體系，堅(jiān)持重預(yù)警、早準(zhǔn)備等預(yù)防為主的安全工作方針。每年汛前組織防汛搶險(xiǎn)演習(xí)，以專題討論會(huì)、訓(xùn)練、桌面演習(xí)和操作演習(xí)等形式開展，不斷對預(yù)案進(jìn)行改進(jìn)和完善。

5 結(jié)語

近年來，隨著風(fēng)險(xiǎn)理念的發(fā)展，大壩安全管理正從工程安全管理向工程風(fēng)險(xiǎn)管理發(fā)展。雅礱江公司高度重視錦屏一級大壩運(yùn)行安全，開展了大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分析，有效識(shí)別了大壩失事路徑與影響因素，通過建立完善的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控管理體系，有效實(shí)現(xiàn)了大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管控。

下一步，公司將圍繞大壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)險(xiǎn)評估和風(fēng)險(xiǎn)處理等難點(diǎn)問題進(jìn)行研究，特別是流域梯級水庫電站群安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評估與控制方法，進(jìn)一步綜合監(jiān)測、檢測等多源信息和數(shù)值仿真反饋信息，實(shí)時(shí)評估梯級水庫群的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。