大坝破坏的概率及影响分析

水库工程的风险来源于水库大坝溃决对下游的影响,因此大坝溃决是风险评价和风险管理研究的一个非常重要的方面。导致大坝溃决的原因很多,不同的原因和边界条件产生不同的溃决模式以及不同的下游影响,但在大坝发生溃决前,溃决模式是难以预见的,必须面对所有可能产生的溃决模式。所有理论上可能发生的和实际上已经发生过的溃决模式以及发生的概率,都是研究某一水库大坝溃决应该仔细考虑的,特别是已经发生过的溃决模式以及概率。不同的国家和地区,在溃决模式和溃决可能性方面的特点和规律是不同的,因此已经发生过的溃决资料对该地区的风险分析具有特别重要的意义。

我国在过去的50年内发生过很多次溃坝事件,对这些资料进行深入分析,将会有助于对水库大坝的溃决模式和可能性的进一步认识,是宝贵的经验数据,在我国大坝风险评价和管理工作中将会起到重要的作用。本章根据过去50年的资料对各类已溃水库大坝的年平均溃坝率和已溃坝的溃决模式进行深入的分析,对我国大量病险水库的重要险情进行分类。在此基础上,分析我国可能出现的溃决模式,提出溃决事件中各环节的发生概率的估计办法,为大坝风险评价提供重要依据。

2.1.1 我国水库大坝的年平均溃决概率

2.1.1.1 已发生的溃坝概率的总体情况统计〔1～3〕

根据1954～2000年的统计资料,我国已经发生的溃坝,大型水库2座,中型水库124座,小(1)型水库668座,小(2)型水库2668座,总计3462座。2座大型水库是1975年河南“75.8”大洪水中溃决的板桥水库和石漫滩水库,由于遭遇超标准洪水而溃决。各省和全国的年平均溃坝概率如表2.1所示。

2.1.1.2 中型水库

中型水库溃坝最多的是黑龙江、广东和新疆三地,几乎占了全国的一半。从时间上看,溃决主要分布在1960年前后,属于水库修建后的初蓄水期。参见图2.1。

由图2.1可见,1959年溃决30座,1960年29座,1980年以后,基本上少有中型水库溃决。1998年溃决的2座中型水库是1998年嫩江大洪水引起的,黑龙江和内蒙古各1座。因此可以认为,中型水库在正常运用期的溃决事件不多,特别是20世纪80年代后,由于水库安全管理的加强和上游来水的变化,溃坝事件明显减少。从溃坝概率来看,中型水库46年的年平均溃坝几率是9.9471×10-4。不同阶段的溃坝概率是不同的,水库初蓄水期的溃坝概率较高。1982年后,大坝安全管理得到了改善溃坝概率明显降低。若以1980年为分界,则1980年前的溃坝总数为118座,年平均溃坝率为7.257×10-3,1980年后为1.107×10-4,溃坝率降低了65.6倍。

表2.1　各省和全国年平均溃坝几率统计表(×10-4)

图2.1　中型水库已溃坝数量的年间分布

图2.2　中型水库已溃坝年溃坝率的年间分布

2.1.1.3 小(1)型水库

1956～2000年,小(1)型水库溃坝40座以上的省(区)分别有新疆、四川、陕西、山西、云南、黑龙江。小(1)型水库总数为15126座,全国年平均溃坝概率为9.601×10-4。从图2.3可以明显看出,46年中有两个溃坝高峰,一个是1960年前后,另一个是1973年前后。宏观来看,出现溃坝高峰的主要原因是,1960年前后属于蓄水初期,而且在特定的历史条件下,疏于管理;1973年前后的高峰主要是管理问题。1980年后,溃坝数大幅度下降,并一直保持较低的数量。1959年、1960年、1961年,年溃坝几率分别为49.06×10-4、44.97×10-4、41.56×10-4,1973年和1972年的年溃坝几率分别为51.79×10-4和27.94×10-4。这两个高峰期的溃坝概率高得惊人。1980年后随着管理的加强,年溃坝概率明显持续下降,20年内年平均溃坝概率为2.777×10-4。和1954～2000年间的年平均溃坝概率相比,不到1/3。

图2.3　小(1)型水库大坝年溃坝概率的年间分布

2.1.1.4 小(2)型水库

小(2)型水库全国已发生溃坝事件2668起。1956～2000年,溃坝100座以上有11个省(市、自治区),150座以上有5个省,依次为四川(334座)、山西(237座)、湖南(237座)、云南(186座)、江西(154座)。年平均溃坝率为8.848×10-4。图2.4是小(2)型水库的年平均溃坝率。由图2.4可见,1973年的年溃坝率已高达72.5×10-4,极为惊人。1982年加强管理后,溃坝概率迅速下降。1982～2000年,年平均溃坝概率仅为2.73×10-4。1988年的溃坝概率最低,为0.763×10-4,也就是说每10000座小(2)型水库中,只有0.76座水库溃决。

图2.4　小(2)型水库的年平均溃坝概率年间分布

2.1.1.5 不同时期溃坝概率的比较

不同时期的溃坝概率不同。表2.2是各类水库在不同时期的年平均溃坝概率。

2.1.1.6 根据坝高和坝型的溃坝情况统计

表2.3是已经溃决的大坝按坝高来统计所占的比例。

表2.2　我国各类水库在不同时期的年平均溃坝概率

注 计算时以中型水库2735座、小(1)型水库15126座、小(2)型水库65573座计。

表2.3　按坝高统计已溃坝的比例

(www.xing528.com)

由表2.3可以看出,坝高为10～20m的坝溃决比例最高,占51.3%;20m以下的大坝占79.7%,约为4/5。按一般分类,坝高在30m以下的为低坝,30～70m之间的为中坝,大于70m的为高坝。从表2.3可见,已溃决的低坝占溃坝总数的96.3%。高坝仅溃决1座,即1993年溃决的72m坝高的青海沟后面板砂砾石坝。

按坝型分,已溃坝中均质土坝所占比例最高,为90.2%,详见表2.4。

表2.4　按坝型统计已溃坝的比例

均质土坝、心墙坝和土石混合坝均称为土石坝,已溃坝中土石坝占97.8%。由此可知,要防止或减少溃坝,必须要研究土石坝溃决的原因和机理。

2.1.1.7 主要溃决原因及其所占比例和年平均溃坝几率

我国主要溃坝原因及其所占比例和年平均溃坝概率见表2.5。

表2.5　主要溃坝原因及其所占比例和年平均溃坝概率

续表

2.1.1.8 我国已发生过的水库大坝非溃决事故

除了溃坝外,我国还有大量水库大坝发生过非溃坝事故。根据水利部工程管理局对241座大型水库先后发生过的1000宗工程事故的统计,按照事故出现的型式分为9大类16小类,见表2.6。

表2.6　我国水库大坝非溃坝事故统计表

上述历史资料可以用于某一事件出现概率的估计。

2.1.2 国外溃坝资料的比较

根据国外的资料,不同国家的年平均溃坝率大致在10-4量级,见表2.7。

表2.7　国外大坝年平均溃坝概率情况表

1998年,Joe Tatalovich和David W.Harris[4]对不同坝型已发生过的事故和溃决年平均概率进行了统计,如表2.8所示。

表2.8　美国西部大坝事故和溃决小结

由表2.7和表2.8可见,我国1982年后的年平均溃坝率和美国西部的水平基本持平。

2.1.3 小结

综合上述资料可以看出:

(1)我国水库的溃决数量巨大,多年平均溃坝率为8.954×10-4。已溃水库中,小型水库占已溃坝总数的96.4%,其中仅小(2)型水库就占77.1%。

(2)我国水库溃决的高发段为1960年和1973年前后两个时段,和当时的时代背景有极为紧密的关联。中型水库大坝溃决事件主要发生在1960年前后;小(1)型水库溃决高峰发生在1960年和1973年前后;小(2)型水库溃决高峰发生在1973年前后。

(3)上述各类水库在1980年后溃决数迅速减少。1982～2001年,总溃坝数为385座,仅占1954～2000年溃决数的11.1%,年平均溃坝概率也降至2.544×10-4,和美国西部的水平基本持平。

(4)按坝高统计,30m以下的低坝占已溃坝的96.5%;按坝型统计,土石坝占已溃坝的97.8%。综合而言,小型水库中30m以下的土坝为已溃坝的主体。

(5)上述资料提供了不同省份、不同时段内的大坝平均溃坝概率,为历史资料统计法的应用提供了宝贵的经验。