中国大坝风险分析：发展与现状

1.3.1 水库大坝总体安全度评价方法

中国对水库大坝的安全评价,过去一般按照设计规范分别对防洪、抗滑、抗震、抗渗、抗裂等功能分项进行安全计算,按规范要求用大于1的安全系数[K 0]作为安全与否的衡量标准。然而上述方法没有考虑各种不确定性和计算参数的变异性,也没有考虑对下游的影响,需要进一步完善。1990年,李君纯、李雷[12～14]提出了水库大坝总体安全度法,总体安全度的定义为:

式中:SD为总体安全度;Ps为某一水库大坝的工程安全度;η为水库的社会经济影响因子。

大坝工程安全度Ps按坝的防洪、抗滑、抗裂、抗渗、抗震及抗生物破坏6个方面进行计算,认为其中任何一项功能失效,都将造成坝工结构的整体破坏。

式中:P fi为第i项功能的失效概率;Psi为第i项功能的可靠度。

水库大坝对社会经济的影响因子η用简单的经济尺度和工程重要性来衡量。按水库工程除险加固的总投入I与产出效益E之比,以及工程等级C,可表述如下:

根据水库大坝总体安全度SD,参考水库大坝安全度评判标准,得出水库大坝的风险程度。这种方法理论上可将水库大坝的安全度予以量化界定,既以结构安全的可靠度为基础,又计及工程的社会及经济等影响,代表了中国坝工界从工程安全管理向风险管理的转化和探索。但是由于大坝溃决概率可靠性分析的复杂性、所需计算参数获得的困难性,这种方法并没有得到实际应用。

1.3.2 大坝安全可靠度分析

导致大坝溃决的主要起始事件包括漫顶、裂缝、渗流破坏和大坝滑坡等,20世纪80年代,中国开始研究这些事件的可靠度分析方法。

吴世伟在1984年[15]提出了重力坝结构稳定和强度的可靠度计算方法,利用一次二阶矩法对5座砌石重力坝进行了稳定和强度的可靠度校核,较为详细地讨论了各随机变量对计算可靠度的影响。吴世伟和李同春[16]于1990年提出了重力坝最大可能破坏模式的探讨。

陈肇和等[17]提出了考虑洪水、风浪和调度三因素作用下洪水漫坝概率P f的可靠度分析方法,即

式中:Z 0为汛限库水位;H max为由于洪水产生的库水位增加值;e为水面壅高,为极值Ⅰ型分布;R p为沿坝坡的波浪爬高,为瑞利(Rayleigh)分布;Zc为漫坝临界高程,如坝顶高程或防浪墙顶高程。

李雷、盛金保[18]提出了计算碾压式土石坝坝顶裂缝概率的可靠度分析方法,并提出了判断裂缝的功能函数为:

式中:εtf为填土的极限拉应变;εx为填土所承受的水平拉应变。同时,李雷、盛金保[18]应用一次二阶矩法分析了坝体发生裂缝的概率。为了探讨填土裂缝极限拉应变的概率分布模型,李雷和荣卫东[19]对典型填土做了200多组土梁挠曲试验,确定了极限拉应变的概型,认为不同土体满足不同的分布,正态分布、对数正态分布和极值Ⅰ型分布都有可能。

盛金保、李雷[20]提出了计算大坝抗滑稳定概率的可靠度分析方法,探讨了筑坝土料土性指标的统计特性以及随机变量之间相关性对可靠度指标的影响。

2004年,张士辰[21]对无粘性土渗流系数和抗渗强度进行了试验研究,提出了两种基于原型观测资料和基于计算公式的渗流破坏的可靠度分析方法。

由于可靠度分析方法需要较多资料,对各种随机变量的概型分布的研究难度较大,特别是有些随机变量的概型分布只能通过试验研究来确定。目前,可靠度分析方法未能成为确定破坏概率的重要方法。但是,从理论上说,可靠度分析方法考虑了变量的随机性、不确定性、变异性,据此得到的破坏概率应该更为可信。因此,土石坝可靠度分析方法将会在风险分析进入“详细分析”水平后,成为确定破坏概率的一种重要方法。

1.3.3 大坝病险程度排序

1999年,李雷等[22]对江西省29座大中型水库按照USBR现场评分法和葡萄牙综合风险指数法进行了风险排序。排序的目的是评价水库大坝的安全现状,以便在对各工程进行除险加固规划时权衡其轻重缓急,因此排序的原则主要考虑各坝的相对安全程度,作出定量判断,水库效益则置于从属位置,仅作适当考虑。评分工作由四五位高级专业技术人员操作,通过现场访问、检查、踏勘、记录并摄像或(及)录音,当即共同评议打分,作出相应的现场评价意见。

(1)现场评分(site rating)法。该法是美国垦务局SEED法中推荐使用的,在美陆军工程师团Hagen(1982)的启发下形成,按下式计算:

式中:(SR)i为第i因素的评分值。

所考虑的各风险因素包括大坝工程和潜在险情两大部分,大坝工程中包含工程龄期、建筑质量、渗流势态和结构状况4个因素,潜在险情包括库容、水头、隐患、洪水、地震5个因素。将各因素构成的险情分成低、中、高、极高4级,各级从低至高相应赋予风险值。若某工程的SR值高,则表明该工程危险。

(2)综合风险指数法。该法由葡萄牙工程师[4]提出。

式中:α为综合风险指数;αi为环境因素,包括地震、库岸塌滑、洪水、水库调节能力、环境侵害等5项;αj为工程结构因素,包括结构可靠性、坝基优劣、防洪设施安全性、工程管理维修好坏等4项;αk为溃坝损失因素,包括水库库容、洪泛区可能损失情况等。

以上各种风险,均按低、中、高三级风险划分,每一级又可细分为两级,也就是将风险共细分为6级,每级1分,每一因素最低风险值为1,最高风险值为6。α值愈高,水库大坝愈危险。

应用上述两种方法,对29座大中型水库大坝的风险进行了分析和排序。15座大型水库中,高风险水库大坝6座,中等风险水库大坝6座,低风险水库大坝3座;14座中型水库中,高风险水库大坝12座,中等和低风险水库大坝各1座。两种方法分析结果基本一致,取得了较好的效果。

但在应用中发现,该两种方法均较粗糙,所考虑的因素并不能包含所有影响大坝安全的因素,分类不合理,其他建筑物的安全、不同洪水下的安全、溢洪道闸门安全等重要影响因素未能妥善考虑,下游影响也未能考虑,因此尽管应用效果不错,但没有得到进一步推广。

1.3.4 第20届国际大坝会议对风险评价的促进

2000年,国际大坝委员会在北京举办了第20届国际大坝会议,该次会议对中国大坝风险评价技术的研究发展起了很重要的作用。大坝风险分析第一次作为国际大坝会议议题,标志着大坝工程风险分析已经发展成为体系完整的决策工具,引起了世界各国的充分重视。

2002年,中国水利部组团考察了澳大利亚大坝风险评价研究情况。2003年,水利部派出技术人员去澳大利亚学习培训,并和澳大利亚GHD公司合作,应用风险评价技术对中国安徽滁州沙河集水库加固前后的风险情况作了系统分析。中国在大坝风险评价技术方面开始和世界接轨。

1.3.5 基于风险的病险水库判别标准体系研究(www.xing528.com)

中国在大坝安全鉴定技术方面已有成熟的经验。为了和世界风险评价技术接轨,把工程安全逐步转化到工程风险的理念,需借鉴国外的先进经验,结合中国病险水库的实际情况,提出定量与定性相结合的病险水库风险指数的确定方法,判断病险水库的病险程度,为病险水库除险加固排序决策提供参考依据。

2004年,王仁钟、李雷、盛金保等[23]建立了基于风险评价技术的中国病险水库大坝判别标准体系。

彭雪辉[24]对国外大坝风险评价技术进行了较为全面系统的研究,并应用于中国沙河集水库大坝。

李雷、王昭升、彭雪辉[25]根据中国1954年至2001年已溃坝资料,详细分析了中国平均年溃坝率和导致大坝溃决的主要机理和原因,研究了中国已发生过的溃决事件的概率,并根据已溃坝溃决实例,分析了中国大坝可能发生的五大类24种溃决模式和10个破坏事件的基本环节,重点分析了应用事件树方法确定大坝溃决概率的主要过程和关键,提出了判断事件发生的定性描述和定量概率间的转换关系,推荐了在大坝风险排序或群坝风险分析时运用简化的筛选方法,根据大坝基本资料和安全鉴定的结论,抓住主要问题,由专家简化荷载、溃坝模式和破坏路径,确定各环节的发生概率和溃决概率。

盛金保、彭雪辉[26]根据中国实际情况,建议现阶段将中国水库大坝风险分为生命风险、经济风险、环境风险和社会风险4类,结合其他国家风险标准制定情况,探讨了制定中国大坝风险标准的基本思路,提出了中国大坝风险标准。

王仁钟、李雷、王昭升和彭雪辉[27]根据中国目前除险加固的需要,提出了一套基于风险评价的除险加固排序实用方法。该方法在大坝安全鉴定的基础上,由专家分析确定主要溃坝模式,并提出了将专家经验转化为破坏概率判断表,得到在简化条件下的溃坝概率;并且对大坝溃决后的淹没区及风险人口、经济损失与社会环境损失三方面作出分析评价,提出了生命损失、经济损失与社会环境损失各因素的权重和严重程度转换表,将三者综合为溃坝后果影响系数,计算风险指数,并据此进行除险加固排序决策。

王仁钟、王昭升、彭雪辉[28]较全面地介绍了大坝风险分析中涉及的溃坝影响及其后果(包括生命损失、经济损失及社会与环境影响)的确定方法,并在沙河集水库大坝风险评价中得到应用。

1.3.6 除险加固排序实用方法

排序方法研究对中国具有特殊的重要性,中国有8.5万多座水库大坝,长期运行中有相当比例的水库大坝存在不同程度的隐患和病险,因此需要除险。但是,除险资金有限,必须按照轻重缓急有计划的安排除险。因此,需研究一种根据大坝风险程度来排序的决策方法。

基于风险的排序方法,要求对工程进行安全评价和分级,根据工程安全评价结果,按前述可能的溃坝路径建立事件树,并以相应的事件赋值办法予以赋值,计算出各可能破坏路径下的溃坝概率,其和即为大坝溃坝概率;确定溃坝后果,包括生命损失、经济损失和社会与环境影响等多方面后果,再综合评价溃坝后果。在此基础上,计算病险水库风险指数。如果对多座大坝进行类似分析,则可得到各坝的风险指数R,即可排出风险的大小顺序,供排序决策参考。

1.3.7 我国风险评价技术发展中的几个关键问题

1.3.7.1 小型水库风险评价和风险管理

我国有82000多座小型水库,库容在10×104～1000×104 m3之间。其中40%以上带有各种病险,安全形势极其严峻。小型水库数量巨大,有的省一个县就有100多座小型水库;大坝及其附属建筑物建设质量差、隐患多;基本无水情、工情等安全监测设施;设计、施工和运用的基础资料极其匮乏,甚至没有。50年来,中国溃坝事件中小型水库占96.4%,这个数据充分说明了关注小型水库安全的重要性和必要性。幸运的是,随着我国政府对大坝安全采取的一系列管理措施,在我国经济快速发展的20多年来,水库大坝溃决事件已经大幅度降低,1982年以来,年平均溃坝概率已经降至2.544×10-4。尽管如此,由于水库下游经济的发展,水库大坝的风险也随之变得越来越大,不少水库下游数百米处就是集镇。因此,小型水库的实际风险很大,进行风险评价和风险管理非常重要。

但是小型水库大坝的风险分析和风险管理有很多困难,主要表现在以下几个方面:

(1)水库大坝安全现状的判断与基础资料极端缺乏的矛盾。

(2)水库大坝隐患严重程度认定、风险程度排序与基层技术力量不足的矛盾。

(3)大量水库需要除险与加固经费严重不足的矛盾。

(4)除险加固设计与基础资料缺乏及经济条件制约的矛盾。

(5)常用大坝加固技术与小型水库特点及经济承受能力不相适应的矛盾。

(6)降低风险的优化方案选择决策与基层技术力量不足的矛盾等。

因此,中国在小型水库大坝的风险评价和风险管理方面,必须充分考虑自身的特殊情况,改善、简化国外现有的风险评价技术,在正在进行的水利工程管理体制改革的基础上,着重于工程措施和非工程措施的有机结合,加强小型水库大坝风险标准的研究,重视水库降等与报废工作。

1.3.7.2 溃坝后果评价研究

(1)生命损失评估方法的研究。目前中国对溃坝生命损失的研究仍处于初级阶段,尚未有学者对此作出系统的研究。溃坝洪水对下游生命损失的影响是风险分析中极为重要的一个内容,因此溃坝生命损失的研究已经成为中国大坝风险评价和风险管理中的一个重要而且困难的研究课题。虽然国外在这方面开展了很多研究,但国外的人口数量、分布、生活习惯、应对突发事件的能力等方面和中国有较大的差距,国外的研究成果能否适用于中国的情况,需要用中国的数据来验证,通过现场调查已溃坝的历史资料,发掘出溃坝事件中生命损失的实际情况,包括时间、数量、分布、居住条件等,从中国的溃坝实例中总结出中国溃坝生命损失的经验公式。

中国大量的大坝溃决发生在20世纪六七十年代,最近一次有较大影响的青海沟后面板砂砾石坝溃决也已经超过10年,当时溃坝后生命损失的情况基本上没有详细记录。对数十年前发生的溃坝事件的生命损失进行调查,是极其困难的。

(2)社会环境评估方法的研究。水库大坝的溃决,将对下游环境发生重大的影响,包括可能发生的生态影响。大坝溃决对环境(生态)影响的评价内容和方法在ANCOLD的风险评价指南中并未提及。中国政府在2003年开始实行的《中华人民共和国环境影响评价法》中明确指出,规划和建设项目必须对其实施后可能造成的环境影响进行分析、预测和评估,提出预防和减轻不良环境影响的对策和措施。尽管文件没有提出必须要做大坝溃决的环境影响评价,但根据该法的基本精神,大坝溃决的环境影响评价工作将是中国风险评价中必不可少的内容。

1.3.7.3 风险标准的研究

美国、加拿大、澳大利亚以及西欧、南非等开展风险评估技术研究较早,在风险评估技术刚引进大坝安全领域时,使用的是纯经济风险标准,即将所有类型的风险(包括人员伤亡)均用经济价值来表示。如今这一方法已基本上被淘汰,改为对生命风险和经济风险分别制定相应的标准,但对环境风险、社会风险仍未研究制定相应的定量评估标准。由于社会经济发展水平的不一致以及传统文化背景、社会价值观、管理体制、保险制度等方面的差异,各国甚至一个国家的不同地区或不同大坝业主对风险标准的认识及相应制定的生命风险和经济风险标准也不尽相同。

总体看来,中国水库大坝风险评估技术研究还处于起步阶段,尚未形成一套完整的体系,特别是对风险标准的研究很少涉及。因此,参照国外经验并结合中国国情开展水库大坝风险标准研究,确定哪些风险是可以承受的,哪些是可以容忍的,非常必要。特别是中国的东部地区、中部地区和西部地区的经济发展水平相差较大,如何制定不同经济发展水平地区的不同风险标准,更应引起充分重视。

大坝风险评价技术在加拿大、美国、澳大利亚、荷兰等国已经成功地应用于大坝风险管理,2000年在北京举办的第20届国际大坝会议极大地促进了中国对大坝风险评价和管理技术的研究。中国和澳大利亚、加拿大、美国合作,已经在水库大坝风险评价方面取得了很大进展,对沙河集大坝作了风险分析评价,探讨了中国的风险标准,并结合中国的实际情况,提出了除险加固排序简化方法,初步提出了大坝溃决对下游生命损失、经济损失和社会环境影响严重程度的判断标准,为中国大坝除险加固排序提供了可行的方法。中国的大坝数量和种类众多,地域宽广,将会遇到很多特殊的难题,如小型水库风险评价和风险管理的问题、溃坝后果的评价,特别是生命损失评价等,有待于进一步研究。