高壩蓄水提前下閘條件下的施工后期導流風險分析

羅麗紅

(貴州水投水庫管理有限責任公司,貴陽 550000)

0 引 言

高壩施工后期的導流風險設計標準關系到大壩河流下游的安全,許多學者為此進行了相關研究。如唐浩杰［1］針對大渡河金川水電站導流風險問題,采用Rocfall軟件,對導流洞進口開裂區(qū)各項安全指標進行數(shù)值模擬,并提出了危巖裂縫灌漿或采用整體主動支護對開裂區(qū)加固的防護方案。王兆強等［2］依靠Matlab對Monte-Carlo法施工導流風險度計算模型進行優(yōu)化,加快了風險模擬程序的計算速度,同時增加了模型的可操作性及準確性。常運超等［3］通過聯(lián)合Monte-Carlo方法和Copula函數(shù),計算大壩施工導流風險,采用洪峰流量等因素的計算分析,優(yōu)化大壩圍堰的建筑方案。

本文對提前蓄水下閘的發(fā)電情況下高壩施工后期導流風險進行評估,研究目的是構建科學的風險收益分析模型,為水利工程管理決策提供理論支持。

1 高壩蓄水提前下閘的施工后期導流風險規(guī)劃

1.1 高壩施工后期的導流風險概率研究

風險是涉及工程建設和運行管理的重要問題,水電工程施工導流風險是施工導流標準的重要參考。為了保護水工建筑物能夠在正常環(huán)境下進行施工,建筑管理規(guī)劃中常常通過全段圍堰或者分段圍堰的方式來分離建筑基坑和水流,阻擋水流之后再通過導流建筑物將水流泄向下游。高壩等水利水電工程工期一般長達5～20年,在施工過程中會面臨多次汛期的威脅,同時高壩施工的圍堰和導流建筑物的建設通常受到地形地貌、地質(zhì)水文環(huán)境以及氣象降雨條件等因素的影響。而工程的建設具有不可重復性,高壩建設中的導流規(guī)劃兼具施工成本控制和度汛風險的綜合決策管理。因此,本次研究將通過計算高壩施工后期導流風險概率,對工程的度汛安全性進行評價。

高壩施工分為前期、中期和后期。在工程后期,高壩導流建筑物的泄洪能力比中期和前期大大降低,因此在面臨汛期時,水位快速上升加大了安全風險。導流風險主要是導流建筑物的承壓能力不足以及壩前水位超過大壩的臨時圍堰工程引發(fā)的汛期漫壩。導流風險的主要影響因素來源于天然降雨,洪水的不可控制性導致導流建筑物承壓力的不確定性。后期導流泄洪主要依靠壩體底孔導流、壩體缺口導流以及隧洞導流等方式完成,蓄水量和水面高度的變化同時也是導流風險的重要影響因素。除了上述不確定性因素造成的導流風險之外,在高壩施工后期階段,仍然需要考慮許多其他條件。

本次研究模擬導流風險時,必須考慮到所有這些風險。當高壩在給定水位建造但尚未完工時,考慮到高壩前的最大水位可能高于大壩的臨時水位,并且第一期能夠下閘并蓄水,直到施工完成,并具有一組蓄水邊界條件。施工中洪水峰、量之間存在較強的正相關性,通常采用Copula函數(shù)來構造二者的聯(lián)合分布,并用于模擬重現(xiàn)期對應的施工洪水過程。基于以上影響因素,本次研究將首先對導流風險進行建模,公式如下:

Pa=max(Sa≥La-1)|a,b,Fa,Rb,Wx,Wy

(1)

式中:P為洪水超過擋水高程的概率;a為汛期的月份;S、L分別為壩前最高水位和擋水高程;b為蓄水階段;F、R分別為下泄流量和水位上升最大速率;Wx、Wy分別為導流洞閘門設計擋水水頭和導流洞閘門的操作水頭。

在高壩工程的早期蓄水階段,經(jīng)常采用分期蓄水,并在不同的蓄水時間內(nèi)以不同的水位排泄。當工程在蓄水過程中完成時,可通過一定高度的引水和排水系統(tǒng)關閉水閘。在蓄水后期,將使用上層引水結(jié)構排水。因此,在修建或分流高壩時,項目的排水能力由聯(lián)合排水系統(tǒng)決定,并受到上游面和出口水力參數(shù)等不確定因素的影響。本文將蒙特卡羅方法應用于隨機洪水和泄流能力,并通過洪水路徑計算最大流量。通過比較最大壩高和臨時壩高,并計算洪水超出高程的可能性,以模擬導流風險。

1.2 高壩提前蓄水下閘的風險收益綜合評價分析

提前蓄水下閘表示在高壩建設過程中,當水庫未完工時將引水排水系統(tǒng)關閉,將剩余的水儲存在水庫中。除了下游排水外,其余的水可以節(jié)約到原始工作水位(死水位或最低發(fā)電水位),使項目提前盈利。

在建設過程中,受到水文、施工進度、自然流量、低流量、引水工程關閉和水庫淹沒等許多因素的影響。因此,為了保證工程的安全和主體結(jié)構的正常運行,建立適當?shù)倪吔鐥l件是至關重要的。儲水時間和蓄水方案的選擇將直接影響水電工程的效用和效率。就正在建設的水電站而言,有必要提高未來的防洪和投資效率,同時也有必要提高項目的經(jīng)濟效益。在這些優(yōu)勢中,對滿足建筑過程中的蓄水需求既有積極影響,也有消極影響。積極影響是在水庫中及時儲存水幫助高壩的建設期和使用期快速轉(zhuǎn)換,而消極影響是蓄水提高了施工過程的安全風險和導流風險。正效應和負效應都決定著項目的整體利潤,而整體利潤是決定項目和項目可行性的關鍵決策標準。

因此,本文針對新建高壩水電站項目,對該項目的危害、初期發(fā)電產(chǎn)生的成本以及早期蓄存和發(fā)電的優(yōu)勢進行系統(tǒng)分析和測量,并對項目的總體利潤和成本進行評估。

高壩提前蓄水發(fā)電的收益由蓄水量、發(fā)電量兩個因素決定。而蓄水量受到蓄水時間、入庫頻率等因素影響,發(fā)電量受到入庫水量、水頭和流量等因素的影響。本次研究中,蓄水量通過擬定蓄水收益時間和起始時間來計算,而發(fā)電量則通過以1天為單位模擬每天的發(fā)電過程。本次研究對于高壩提前蓄水的收益和導流風險管理方法模型流程見圖1。

2 高壩提前蓄水的收益和導流風險計算模型的實例應用研究

為了分析本文所構建的高壩提前蓄水的收益和導流風險管理方法模型,本次研究將對西南某水電工程進行案例分析。該水庫最大壩高255m,高壩流域內(nèi)年平均流量621m3/s,不同高程中設置了底孔、中孔、表孔。水庫正常蓄水位2 434m,死水位2 350m。本次選擇2021年汛期中的7月份為例,分析高壩施工過程中的風險和發(fā)電收益。圖2為7月份整月以75%為來水頻率進行蓄水的流量過程。

圖1 高壩提前蓄水的收益和導流風險管理方法模型流程

圖2 7月份的提前蓄水過程及流量

由圖2可知,水庫7月上半旬入庫流量不斷增加,在15日當天達到最高入庫流量2 430m3/s,而在7月下半旬中入庫流量整體呈現(xiàn)下降趨勢。水庫的提前蓄水量在第14日達到最高,蓄水1 361m3/s。

在7月份的高壩建設中,本次研究通過方法中的風險概率計算模型,分析當月的高壩壩體高程修建和導流風險變化,見圖3。從圖3可以看出,隨著高壩壩體高度的增加和當月入庫流量的變化,7月份的高壩導流風險隨著時間增加而下降。在高壩高程最低為2 395.28m時,施工中的導流風險最高,漫壩的概率為0.579%;在高壩高程最高2 399.64m時,施工中的導流風險最低,漫壩的概率為0.206%。

圖3 7月份的高壩高程和導流風險

本次研究將9月份的提前蓄水發(fā)電數(shù)據(jù)進行模擬分析,見圖4。從圖4中可以看出,在原本的設計方案中,蓄水從6月初開始,在8月底達到死水位。通過機組調(diào)試之后,9月份進行第一條機組的提前發(fā)電,通過蓄水量計算得出提前時間段的每日發(fā)電量及每日所獲取的發(fā)電效益。

根據(jù)以上導流風險和壩前水面高度數(shù)據(jù),本次研究將模擬兩個提前蓄水發(fā)電方案,分析兩種方法的風險成本和發(fā)電收益。方案1的提前蓄水下閘時間提前至6月1日,而方案2的提前蓄水下閘時間提前至6月15日。

圖4 9月份水庫的提前蓄水水頭和日發(fā)電量

根據(jù)以上提前蓄水的方案設計和方法中的發(fā)電量分析,本次將模擬兩種方案的發(fā)電收益和成本。風險損失估計包括人口損失估計和直接經(jīng)濟損失估計。風險成本即是漫頂?shù)某杀?也是后期維護的成本。該成本的影響因素包括水深、流速、洪峰到達時間、洪水災害特征、危險區(qū)分類、人口分布和警報時間。而趕工成本則由項目合同中的相應費用表示。

在計算收益前,首先通過德爾菲法和熵權法結(jié)合主客觀權重進行收益成本的權重計算。根據(jù)模型可以得出,方案1在提前蓄水中的導流風險增加至0.64%,相應的風險成本上升3 614.64萬元、趕工成本467.41萬元,而發(fā)電收益25 700萬元。同時,方案2的導流風險上升0.42%,相應的風險成本為2 495.75萬元、趕工成本為316.94萬元,而發(fā)電收益僅為11 731萬元。

將收益成果和成本進行計算標準化處理,得出收益成本規(guī)范化結(jié)果,見圖5。從圖5中可以看出,兩種提前蓄水發(fā)電方案中,方案1的收益為1時,方案2的收益僅為0.433;而成本計算中,方案2的風險和趕工兩種成本標準化處理為1時,方案1的成本分別為0.715和0.694。因此,方案1的提前蓄水發(fā)電生產(chǎn)決策更加合適。

圖5 兩種方案下高壩提前蓄水發(fā)電的風險成本和發(fā)電收益

3 結(jié) 論

本次研究通過高壩提前蓄水的收益和導流風險計算模型,優(yōu)化水利工程建筑施工中的決策。以西南某水庫2021年7月樣本的蓄水過程流量數(shù)據(jù)和9月分發(fā)電數(shù)據(jù)為例,分析發(fā)現(xiàn)水庫7月上半旬入庫流量不斷增加,水庫的提前蓄水量在第14日達到最高,蓄水1 361m3/s。在模型分析中,水庫的導流風險隨著壩體高程的增加而減少,在高壩高程最低為2 395.28m時,施工中的導流風險最高,漫壩的概率為0.579%;在高壩高程最高2 399.64m時,施工中的導流風險最低,漫壩的概率為0.206%。同時,本次研究根據(jù)模型進行提前蓄水發(fā)電的方案模擬。結(jié)果表明,本次研究構建的高壩提前蓄水收益和導流風險計算模型,可以有效模擬提前蓄水的成本和收益結(jié)果,并能準確計算導流風險概率。