水库大坝除险加固：群坝风险分析

病险水库除险加固排序是在群坝风险分析的基础上,依据水库大坝风险指数R的大小进行排序。通常将水库风险表示为溃坝概率P f与溃坝后果L的乘积,即

5.4.1 溃坝概率的确定

溃坝概率由专家组确定。首先专家依据大坝安全鉴定结论和现场检查结果,讨论确定大坝主要的可能溃坝模式及相应的溃坝路径;然后对溃坝路径中的每个环节,依据大坝安全鉴定和现场检查结果及专家经验,并参考破坏事件发生的定性描述和概率对应表(见表5.1)及第2章中的附表1～附表10,由专家对事件发生概率进行赋值,每一溃坝路径下各环节事件发生概率的乘积即为该溃坝模式的溃坝概率P m,各可能溃坝路径下的溃坝概率之和即为该水库大坝的溃坝概率P f。

式中:Pij为第j位专家对第i个环节所赋的事件发生概率。

设第i个破坏模式下的溃坝路径有m个环节,则该模式下的溃坝概率Pm为:

式中:m为某破坏模式下的环节总数。

大坝总溃坝概率P f为:

式中:n为破坏模式总数。

表5.1　事件发生的定性描述和概率对应表

5.4.2 溃坝后果的确定

溃坝后果包括生命损失、经济损失和社会及环境影响,分述如下。

(1)生命损失。病险水库除险加固排序相当于风险分析的初筛阶段,可用Dekay&McClelland法[3]确定,即

式中:LOL为生命损失;PAR为风险人口,根据各种可能溃决条件下溃坝洪水所导致的淹没区中的人口确定;WT为预警时间,指接到撤离通知至洪水到达前的时间段,h;F c为洪水强度,一般高坝、山区等高洪水风险区域取F c=1,低坝、平原地区等低洪水风险区域取F c=0。

生命损失严重程度按式3.94计算,如表5.2所示。

表5.2　生命损失严重程度系数参考表

(2)经济损失。经济损失包括直接经济损失和间接经济损失,可由调查统计确定。

经济损失严重程度按式3.96计算,如表5.3所示。

表5.3　经济损失严重程度赋值参考表

(3)社会及环境影响。社会影响主要包括政治影响,即对国家、社会安定的不利影响;给人们造成的精神痛苦及心灵创伤,以及日常生活水平和生活质量的下降等;人文景观的破坏,无法补救的文物古迹、艺术珍品等的损失。

环境影响主要包括对河道形态、生物(尤其是稀有动、植物)及其生长栖息地、人文景观(含公园与保护区),以及易受影响或造成重大环境影响或污染工业(包括化学储存设施、农药厂、核电站等)等的影响。

表5.4中列出了社会及环境主要影响因素的例子,供专家赋值参考。

表5.4　社会及环境影响赋值参考表

续表

5.4.3 溃坝后果综合系数

溃坝后果影响因素的权重理应由决策者同社会科学家商定,这里暂从技术角度提出权重的确定方法及相应的建议值,供决策参考。

暂采用Saaty建议的1～9标度法(AHP法)来确定各子层因素对母层因素的权重系数,经计算生命损失的权重系数S 1=0.737,经济损失的权重系数S 2=0.105,社会及环境影响权重系数S 3=0.158,则溃坝后果综合系数L为:

式中:F 1、F 2、F 3分别为生命损失、经济损失和社会及环境影响的严重程度系数。

5.4.4 病险水库风险指数的确定

病险水库风险指数按式(5.1)计算,由于溃坝概率P f往往是较小的数,而L是0.01～1.00之间的数,两者的乘积更小。为直观起见,将计算结果放大1000倍,作为最终的病险水库风险指数。具体表达为:

式中:P f为溃坝概率,依式(5.4)计算;L为溃坝后果综合系数,依式(5.6)计算。

首先按式(5.7)计算各病险水库的风险指数,然后依风险指数大小排序,使风险大的水库优先得到加固除险。该排序方法可供病险水库除险加固排序参考。

5.4.5 示范水库工程概况

5.4.5.1 长龙水库

长龙水库位于江西省兴国县高兴镇长迳村,坐落于赣江水系平江支流茶园水上,集雨面积116km2,总库容1685万m3,是一座以灌溉为主,兼有发电、养殖等综合效益的中型水库,1958年动工兴建,1960年基本建成,经1986～1989年加固处理,达到现状规模。枢纽工程主要建筑物包括大坝、溢洪道、灌溉及发电引水隧洞等。

大坝为土石混合坝,坝顶高程215.78～216.30m,防浪墙顶高程216.94m,坝顶宽5m、长170m,最大坝高42.96m。

溢洪道位于大坝左岸垭口,无闸控制克奥堰,堰顶高程216.94m,堰顶宽65m。

灌溉及发电引水隧洞位于大坝右岸山体,进口底板高程185.06m,洞长237m,内径1.7m,钢筋混凝土衬砌。

该水库地理位置重要,下游防洪保护20万人口、5.5万亩耕地以及兴国县城(下游17km)、京九铁路(下游300m)、319国道(下游500m)、爱国主义教育基地“将军园”、曾三讲习所等重要城镇和基础设施的安全,一旦失事,直接经济损失超过35亿元。

根据现场安全检查和大坝安全鉴定分析论证成果,长龙水库存在如下工程安全隐患,属于三类坝。

(1)现状坝顶高程仅能满足近期非常运用洪水标准,水库抗洪能力不足。

(2)大坝填筑质量差,在校核洪水工况下,下游坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求;上游护坡块石风化破碎,局部沉陷;坝顶防浪墙(1956年建成)多处开裂,右坝端存在严重的横向裂缝;下游近岸坝坡变形明显;运行中已封堵的老涵洞上部上游坝坡出现过塌陷,反映老涵洞存在接触渗透变形;坝后渗漏量呈逐年加大趋势,2002年汛期遭遇30年一遇洪水时,下游坝脚出现冒“浑水”现象;两坝肩岩体风化破碎,存在绕坝渗漏问题;坝体存在白蚁危害。

(3)溢洪道堰体砌筑质量差,堰体、堰基渗漏严重;泄槽宽度和边墙高度不足,两岸岩体存在局部坍滑的可能;下游泄洪区过流能力不足,交通桥阻水。

(4)灌溉及发电引水隧洞衬砌混凝土质量差,多处裂缝;闸门和启闭设备老化锈蚀严重,不能正常运行。

(5)大坝安全监测设施不满足规范要求,无水情测报系统,防汛交通在遭遇大洪水时有可能中断。

5.4.5.2 下栏水库

下栏水库位于于都县仙下乡吉村村,坐落于赣江水系梅江支流仙下河上,水库集雨面积32km2,总库容1168×104 m3,是一座以灌溉为主,兼有防洪、发电、养殖等综合效益的中型水库,水库于1966年动工兴建,1969年基本建成,经1973～1975年、1990～1994年加固处理达到现状规模。枢纽工程主要建筑物包括大坝、溢洪道、灌溉及发电引水隧洞等。

大坝为粘土斜墙堆石坝。坝顶高程208.9～209.20m,最大坝高33.40m,坝顶宽5m,坝顶长141m。坝顶和上、下游坝坡均为干砌石护面;斜墙外坡坡比为1∶1.5,内坡为1∶0.5。

溢洪道布置在大坝右岸,离右坝头约5m。进口控制段底板高程203.24m,长12.9m,为有闸控制宽顶堰,设3孔闸门,溢流净宽18m,收缩段长10m,底坡为1∶2.0,末端宽度14.8m;陡槽段长91m,末端设挑流鼻坎。进口闸门为平板混凝土闸门,启闭设备为双吊点卷扬机。

灌溉发电管位于大坝左侧,为原施工导流洞。进水口为塔式,启闭台高程208.14m,进口底板高程183.24m。闸门后输水管由钢筋混凝土衬砌隧洞和钢筋混凝土涵管组成,总长140m。前段坝内涵管长57.0m,洞径1.6m;中间段隧洞长40.42m,洞径1.6m;后段涵管长42.58m,洞径由1.6m变至1.2m。末端分三支叉管,分别接放空管和发电引水管。

下栏水库地理位置重要,下游4km有省道于宁公路,还有重要的军事设施、长征第一渡等。下游仙下、车溪2个圩镇,人口24万,一旦失事,直接经济损失超过25亿元。

根据现场安全检查和大坝安全鉴定分析论证成果,下栏水库存在如下工程安全隐患,属于三类坝。

(1)现状坝顶高程仅能满足100年一遇洪水标准,水库抗洪能力不足。

(2)大坝填筑质量差,坝基斜墙部位清基不彻底,未开挖截水槽,现状坝基渗漏严重;大坝下游坝坡陡,在正常水位工况下,下游坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求;库水位降落工况下上游坝坡的稳定性也不满足要求。1974年,大坝右端水库水面产生一漏水漩涡,1975年对其追踪开挖时,发现一直径约10cm的漏斗状空腔,位于溢洪道左侧翼墙后,高程为204.54m,之后用粘壤土回填夯实。1996年,大坝右端坝体靠溢洪道导墙外侧又出现水面漏斗状漩涡,同年冬,对右坝头进行了粘土包裹处理。目前右坝头山体仍有明显湿润。至1989年,坝体累计沉陷率达3.59%,坝体斜墙可能存在裂缝。两坝肩岩体分布有多条断层,岩体风化破碎,存在绕坝渗漏问题。

(3)溢洪道进口岩体未衬砌,完整性差;混凝土闸门老化、破损、强度等级低;陡槽段边墙高度不够,陡槽右侧边坡多次发生滑坡;消力池长度不满足要求;出流不畅,岩体冲刷严重;溢洪道工作桥梁结构强度不足,启闭机为露天式,锈蚀严重,无备用电源。

(4)灌溉及发电管混凝土质量差,老化剥蚀,多处裂缝,渗漏严重;存在围岩稳定与坝体接触冲刷问题,启闭框架多处裂缝,闸门和启闭设备老化锈蚀严重,不能正常运行。

(5)大坝安全监测设施不满足规范要求,无水情测报系统,大坝左坝肩山体岩石破碎,存在崩塌现象,堵塞上坝公路,防汛交通在遭遇大洪水时有可能中断。

5.4.5.3 石壁坑水库

石壁坑水库位于江西省会昌县文武镇小坝村,坐落于赣江水系贡江支流板坑河上,集雨面积164km2,总库容5860万m3,是一座以灌溉为主,兼有防洪、发电、养殖、城镇供水等综合效益的中型水库,1958年动工兴建,1971年基本建成,经1982～1986年加固处理达到现状规模。枢纽工程主要建筑物包括大坝、6座副坝、溢洪道、灌溉及发电引水隧洞等。

主坝为心墙土坝,坝顶高程203.64m,最大坝高36m,坝顶长140m、宽5.5m。副坝有6座,为均质土坝,其中4号副坝最大坝高15.55m,5座副坝挡水库容超过1000万m3。

溢洪道位于主坝右岸,有闸控制,堰顶高程194.64m,挑流消能,溢洪道全长330m。

灌溉及发电引水隧洞位于主坝左岸,全长136m,内径2.0m,进口底高程183.64m。(www.xing528.com)

石壁坑水库地理位置重要,水库下游5km有会昌县城、文武坝镇、庄口镇、庄堡乡、白鹅乡等重要城镇及206国道、省道等基础设施,下游防洪保护25万人口、7.4万亩耕地,工程一旦失事,直接经济损失超过41亿元。

根据现场安全检查和大坝安全鉴定分析论证成果,石壁坑水库存在如下工程安全隐患,属于三类坝。

(1)主坝及6座副坝坝顶高程均不能满足规范中洪水标准的要求,水库抗洪能力不足,主坝只能满足100年一遇洪水要求。

(2)大坝填筑质量差,主坝防渗心墙填筑土与坝体土相近;防浪墙多处开裂,且未与防渗体结合;当库水位超过199.64m时,主坝C4、C6、C8号测压管可听见明显滴(流)水声,上游坝坡在坝下涵管轴线附近出现明显块石错动裂缝,本次地质勘探下游钻孔时有涌砂现象;1号、3号副坝库水位降落的情况下,上游坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求;3号副坝上游坝脚为陡坎,坝脚运行中曾出现涌砂现象(接近正常水位)。

(3)溢洪道结构质量差,水流流态复杂,进口段右岸及底板未衬砌,右岸为开挖裸岩,局部稳定性差;左侧与坝体结合处导墙体裂缝、渗水;存在绕坝渗透问题;消力池边墙未按设计要求完工;溢洪道设备无备用电源。溢洪道结构在地震工况下结构不满足要求;闸室及泄槽混凝土老化。

(4)主坝及5号副坝已封堵的坝下涵管存在渗漏现象,且有渗(流)水声,存在接触冲刷问题;灌溉及发电引水隧洞衬砌混凝土质量差,多处裂缝、漏水。

(5)溢洪道及隧洞闸门和启闭设备老化锈蚀严重,不能正常运行。

(6)大坝安全监测设施不满足规范要求,无水情测报系统,副坝防汛交通不便。

5.4.5.4 龙山水库

龙山水库位于江西省瑞金市壬田镇车头村,坐落于赣江、贡江水系绵江支流三官河上,集雨面积80km2,总库容2810×104 m3,是一座以灌溉为主,兼有防洪、发电、养殖等综合效益的中型水库,1955年动工兴建,1960年基本建成,经1979年、1989年续建及加固处理达到现状规模。枢纽工程主要建筑物包括大坝、副坝、溢洪道、灌溉及发电引水隧洞等。

主坝为粘土心墙坝,坝顶高程245.80m,最大坝高33.50m,坝顶宽5.00m、长287.36m,浆砌石防浪墙墙顶高程246.50m。上游坝坡设干砌块石护坡,在高程238.00m设置2m宽马道,坡比自上而下分别为1∶2.75和1∶4.0,高程233.50m为17m宽石渣压脚平台;下游坝坡为草皮护坡,在高程234.50m设置2m宽马道,坡比自上而下分别为1∶2.4和1∶2.75,高程223.5m以下设干砌石贴坡排水。

副坝位于主坝右边山凹处,为均质土坝,坝顶高程245.50m,最大坝高17.00m,坝顶宽4.00m、长72.50m,浆砌石防浪墙墙顶高程246.20m。上游坝坡设干砌石护坡,坡比为1∶2.75;下游坝坡设草皮护坡,坡比为1∶2.5。坝后设排水棱体,排水棱体顶高程235.50m。

溢洪道位于主坝右坝头,为岸坡开敞式,溢流堰为Ⅲ型折线堰,堰顶高程241.50m,溢流堰总宽71.60m,溢流净宽为15m×4.4m,堰上设工作桥;堰后依次为一级缩窄陡槽和一级消力池、二级陡槽和二级消力池。

灌溉及发电引水系统由4条隧洞组成:1号隧洞位于溢洪道右岸山脚,钢筋混凝土衬砌,厚0.3m,进口底高程217.5m,洞径1.8m,全长156.0m;2号隧洞位于副坝左侧山体内,钢筋混凝土衬砌,厚0.25m,进口底高程231.5m,主洞洞径1.5m,支洞洞径1.0m,全长70m;3号隧洞位于库区左侧山体内,进口底高程231.5m,断面尺寸为1.7m×1.0m(高×宽),全长102m;4号隧洞位于主坝左岸上游2km处山体内,进口底高程236.5m,洞径1.0m,全长142m。

水库地理位置十分重要,下游有瑞金市市区、中华苏维埃临时中央政府叶坪旧址群,壬田镇、叶坪乡、黄柏乡、象湖镇、沙洲坝镇、泽覃乡、武阳镇、谢坊镇等,赣龙铁路,206、319、323国道等重要设施。下游防洪保护24万人口、2.34万亩耕地,工程一旦失事,直接经济损失超过25亿元。

根据现场安全检查和大坝安全鉴定分析论证成果,龙山水库存在如下工程安全隐患,属于三类坝。

(1)主坝坝基表层全、强风化岩体具中等透水性,运行中,左坝端坝脚存在大面积沼泽带,坝基存在浅层渗漏及接触渗漏问题;左坝端与坝体结合处山体边坡陡,局部呈倒坡,存在接触渗漏现象;坝顶浆砌石防浪墙多处裂缝,大坝上游护坡块石风化严重,变形较严重。1987年,主坝上游坝坡发生大体积滑坡;1988年,扒开副坝临时度汛,同时抛石稳定主坝坝脚;大坝存在白蚁危害。

(2)副坝防浪墙裂缝,存在坝基坝肩渗漏,坝脚有一集中渗水点。经复核,主坝在正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位工况时,下游坝坡抗滑稳定不满足要求;副坝在设计、校核洪水位工况时,下游坝坡抗滑稳定不满足要求。

(3)溢洪道布置不合理,泄水冲刷坝脚;混凝土结构老化、裂缝、渗水,边墙抗滑稳定不满足规范要求,存在严重的结构安全隐患。

(4)2号隧洞混凝土结构不满足规范要求;3号、4号隧洞大部分洞身未衬砌;4座隧洞进水口设备陈旧老化,闸门不能正常启闭。

5.4.5.5 灵潭水库

灵潭水库位于江西省上犹县紫阳乡长岭村,坐落于赣江水系章江三级支流紫阳水上,集雨面积26.5km2,总库容1500万m3,是一座以灌溉为主,兼有防洪、发电、养殖等综合效益的中型水库。1973年动工兴建,经续建及加固处理达到现状规模。枢纽工程主要建筑物包括大坝、副坝、溢洪道、灌溉及发电引水涵管等。

主坝为浆砌块石重力坝,坝顶高程397.72m,防浪墙顶高程398.22m,坝顶宽4.3m、长132.5m,最大坝高38.4m。上游坡在高程373.72m以上坡比为1∶0.3153,以下为1∶0.367;下游坡在高程373.72m以上为1∶1.2,以下陡直。

副坝位于主坝左岸260m的垭口处,为均质土坝,坝顶高程395.72m,坝顶宽5m、长36m,最大坝高14m,上下游坝坡坡比分别为1∶2.1和1∶2.8。

溢洪道位于大坝左侧60m的垭口处,无闸控制曲线堰,挑流消能,全长57.7m,堰顶高程393.70m,堰顶宽25.1m,溢流净宽24m。

灌溉发电涵管为坝内埋管,钢筋混凝土结构,进口底高程370.70m,全长39.29m,内径1.0m,铰链钢闸门控制。

灵潭水库地理位置重要,下游有上犹县和南康市5个乡镇、重要军事设施、湘赣省际公路。下游防洪保护18万人口,工程一旦失事,直接经济损失超过20亿元。

根据现场安全检查和大坝安全鉴定分析论证成果,灵潭水库存在如下工程安全隐患,属于三类坝。

(1)主坝坝体多处裂缝、错位,右岸下游上部挡土墙存在多条裂缝,下部堆石坝面明显不均匀,凹凸隆起,下部侧墙存在裂缝,有较明显的稳定安全问题;中间坝段原为溢流坝,后加固为挡水坝段,目前坝顶存在数条纵、横向裂缝,且墩体开裂;左岸坝顶存在开裂错动,约向下游错动8～15mm;拱顶存在变位开裂;防渗面板存在15条明显裂缝,并有错位、渗漏现象;坝基及两坝肩存在渗漏问题。大坝抗滑稳定不满足规范要求。

(2)副坝坝体存在渗漏问题,下游坝坡抗滑稳定不满足规范要求。

(3)溢洪道两岸边坡未衬护,时常出现塌方,泄槽混凝土老化。

表5.5　溃坝模式、溃坝路径及溃坝概率分析计算表

(4)灌溉发电涵管进水口布置不合理,结构强度不满足规范要求,管壁混凝土出现裂缝,渗漏严重。闸门启闭设施陈旧老化。

(5)上坝公路从库尾沿库岸修建,路况差,路面狭窄。

5.4.6 示范水库风险指数的确定与排序

5.4.6.1 溃坝概率

依病险水库大坝安全鉴定结论和现场检查结果所确定的溃坝模式及溃坝路径见表5.5,表5.5还示出各溃坝路径中各环节所赋的失事概率、各溃坝模式下的溃坝概率及总的溃坝概率,其中各环节的失事概率系各位专家赋值的平均值。由表5.5中各水库的总溃坝概率可见,5座水库工程本身的溃坝概率相对较高,其中灵潭水库工程本身溃坝概率最大,其余4座水库工程本身溃坝概率接近,长龙水库最小。

5.4.6.2 溃后后果

(1)生命损失。首先确定风险人口PAR。不同资料来源的风险人口见表5.6。由表5.6可见,不同资料来源的风险人口差异较大。最后同赣州市水利局有关领导商定了各水库的风险人口,作为排序示范分析的依据,可能与实际溃坝洪水淹没范围内的风险人口有一定的出入。

表5.6　不同资料来源的风险人口单位:万人

其次确定报警时间。报警时间与溃坝发生时间(白天还是晚上)、水库大坝所处地理位置和大坝安全管理水平[有否切实可行的应急预案、有否安全监测(控)系统、通讯及交通等]有关。本示范工作首先采用各专家考虑上述因素后对各水库赋报警时间的平均值(见表5.7)。分析中,还考虑了报警时间均为25min的情况,以了解在排除报警时间影响的情况下各水库的风险情况。

表5.7　专家确定的各水库报警时间

示范水库大坝位于山区丘陵地区,为中坝,取F c=1.0。

由上计算的各水库的生命损失见表5.8,表中还列出了不同报警时间各水库的生命损失严重程度赋值F 1。

表5.8　各水库的生命损失计算结果

(2)经济损失。本次各示范水库提供的下游经济损失资料多半为具体的损失房屋面积、耕地面积和重要交通道路等,参考部分水库初设文件提供的经济损失数字,并经与赣州市水利局有关领导商定的各水库经济损失估计数字见表5.9,表中还列出了各水库经济损失严重程度的赋值F 2。

表5.9　各水库经济损失

(3)社会与环境影响。经调查,各水库下游主要的社会与环境影响见表5.10,对照表5.4,各专家对各水库的社会与环境影响严重程度赋值取其平均值,结果见表5.11。

表5.10　各水库下游主要的社会与环境影响

表5.11　各水库社会与环境影响赋值F 3

(4)溃坝后果综合系数。依式(5.6)计算各水库的溃坝后果综合系数L,结果见表5.12。

表5.12　各水库的溃坝后果综合系数L

(5)风险指数的确定及讨论。按式(5.7)计算各水库的风险指数,结果见表5.13。

表5.13　各水库的风险指数R

由表5.13可见,灵潭水库的风险指数最大,主要是由于该水库大坝工程本身风险最大(参见表5.5),虽然其溃坝后果影响系数居倒数第2位,但其风险指数仍居第1位。相对地,长龙水库工程本身风险较小,但与下栏、石壁坑和龙山比较接近。因其水库管理水平较高,专家赋报警时间最长(参见表5.7),相应的溃坝后果综合系数就小(参见表5.12),故风险指数就小。若报警时间统一取25min,则其风险指数超过下栏水库,并与石壁坑水库接近。可见,报警时间对水库风险指数影响很大,加强水库安全管理,可有效地降低水库风险指数。

图5.7　示范水库的生命风险分布图

(a)警报时间由专家确定;(b)警报时间为25min

曾用类似的方法分析了安徽省沙河集水库的风险[12],其风险指数为0.723,可见示范水库的风险指数明显高于安徽省沙河集水库。

根据参考文献[1]中提出的我国生命风险标准和经济风险标准建议图,将示范水库的生命风险和经济风险点绘在风险图上(图5.7和图5.8),可以看出示范水库的生命风险和经济风险均位于高风险区,各水库之间的差距很小,应尽快进行除险加固,同时应加强安全管理,降低水库风险指数。

图5.8　示范水库的经济风险分布图