潰壩應(yīng)急管理研究

駱辛磊，陳文平，郭俊軍

（湖南省水利廳，410007，長(zhǎng)沙）

人類出自防洪或蓄水目的（如發(fā)電、灌溉和供水等），在大大小小的江河上筑起了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的攔水壩，這些壩一般都經(jīng)過(guò)工程技術(shù)人員按照規(guī)程規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)建造而成，對(duì)其穩(wěn)定牢固性都有預(yù)期把握。但是隨著運(yùn)用時(shí)間的加長(zhǎng)，河流來(lái)水過(guò)程與產(chǎn)水大小的不確定性致使幾乎所有的攔水壩都存在程度不同的潰決風(fēng)險(xiǎn)。大壩管理者不停地對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)、維修和加固，以確保壩功能的正常發(fā)揮，同時(shí)也防止了潰壩不測(cè)事件的突然發(fā)生。盡管如此，在全球范圍內(nèi)（我國(guó)也不例外）每年仍然有或多或少的堤壩在某些特定的環(huán)境中發(fā)生潰決。一旦潰決，人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失都會(huì)十分慘重。

潰壩應(yīng)急管理是風(fēng)險(xiǎn)管理的一種，有別于人們所習(xí)慣的常規(guī)管理。潰壩成因往往比較復(fù)雜，可以說(shuō)沒(méi)有一個(gè)完全相同的潰壩模式，而且潰決過(guò)程發(fā)展迅猛，所以要求人們對(duì)其進(jìn)行深入研究和精心策劃，才能取得最佳效果。

一、潰壩系統(tǒng)界定

這里所要討論的“系統(tǒng)”，不單純指大壩工程實(shí)體及其輔助服務(wù)系統(tǒng)，還應(yīng)當(dāng)把應(yīng)對(duì)潰壩事件的指揮組織管理機(jī)構(gòu)及其所制定的目標(biāo)任務(wù)、原則方針、實(shí)施方案等包括在內(nèi)；前者主要是硬設(shè)施部分，后者主要是軟件部分，這種硬軟兼有的人、事、物交融組合而成的系統(tǒng)，才是潰壩系統(tǒng)的真實(shí)寫(xiě)照，才能比較全面系統(tǒng)地反映潰壩全過(guò)程。

一座攔水大壩工程實(shí)體，通常是由壩身、涵管與溢洪道三大基本部件所組成。為之服務(wù)的輔助子系統(tǒng)主要指通信、交通、巡查檢測(cè)及維修保養(yǎng)等部分，還有職責(zé)分明的日常管理人員。既然所討論的對(duì)象是潰壩，必然還存在一個(gè)為應(yīng)對(duì)潰壩危機(jī)而設(shè)立的搶險(xiǎn)救護(hù)子系統(tǒng)，一般為臨時(shí)設(shè)置，由更高一層（行政）業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人出面領(lǐng)導(dǎo)指揮。該子系統(tǒng)主要構(gòu)成包括專家小組、搶險(xiǎn)施工隊(duì)伍和后勤保障、搶險(xiǎn)物資供應(yīng)鏈條。水庫(kù)大壩日常管理班子與應(yīng)急指揮領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)之間的關(guān)系，一般在潰壩搶護(hù)救災(zāi)時(shí)期是合二為一的。若搶救任務(wù)不大，可能就用日常管理班子稍加擴(kuò)充而成；若搶險(xiǎn)救助任務(wù)很大，則應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)要另起爐灶，其日常管理班子將被納入其中。

關(guān)于軟件部分的內(nèi)容，其目標(biāo)任務(wù)主要有：①力爭(zhēng)不潰，②把傷亡損失降到最小限度。

其原則方針主要有：①以人為本，人的生命第一；②防重于搶，搶救并重等。

其方法預(yù)案主要有：①荷載應(yīng)力計(jì)算方法與公式，壩體穩(wěn)定分析方法與公式等；②各種搶護(hù)預(yù)備方案；③各種避險(xiǎn)救災(zāi)預(yù)案等。

其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程主要有：①各種識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，②各種評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，③設(shè)計(jì)規(guī)程，④施工規(guī)程等。

潰壩系統(tǒng)的組成及其各組成部分之間相互聯(lián)系如圖1。

還可以把系統(tǒng)總目標(biāo)劃分成一些分區(qū)目標(biāo)和分段目標(biāo)，預(yù)案中包括防范預(yù)案、處險(xiǎn)預(yù)案、避險(xiǎn)預(yù)案等。紀(jì)律制度主要是指在潰壩臨危時(shí)段對(duì)所有搶護(hù)人員，特別是管理人員的約束規(guī)定。

凡系統(tǒng)都有其所處周邊環(huán)境，凡動(dòng)態(tài)系統(tǒng)都有其內(nèi)在的變化動(dòng)力，因此潰壩系統(tǒng)的全部，還要包括潰壩動(dòng)力、潰壩環(huán)境和潰壩演變發(fā)展動(dòng)態(tài)全過(guò)程（包括潰前、潰中與潰后三階段）。從系統(tǒng)各組成元素之間聯(lián)系可以看出，各組成元素之間在不同的時(shí)空環(huán)境存在大量的組織權(quán)衡協(xié)調(diào)問(wèn)題，要使其有機(jī)配合聯(lián)動(dòng)取得相對(duì)最佳效果，全部要靠潰壩應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)來(lái)完成。

對(duì)潰壩系統(tǒng)的組成與聯(lián)系識(shí)別不能看作可有可無(wú)的事情。在潰壩的匆忙慌亂中，考慮不周是經(jīng)常發(fā)生的，由此所引起的不良后果是嚴(yán)重的。

二、潰壩動(dòng)力分析

眾所周知，任何一座土（石）壩即使千瘡百孔，坑坑洼洼，若無(wú)外力作用也是不會(huì)自行垮塌的。是什么樣的動(dòng)力有可能引發(fā)一座龐然大物（壩體）出現(xiàn)潰決呢？毋庸置疑，造成擋水壩垮塌潰決的最基本外力乃是水力，其次是外界施加的地震力及其相類似外力。水是流動(dòng)性的物質(zhì)，它向外所展現(xiàn)出來(lái)的作用力因其所處位置狀態(tài)不同而有好幾種形式，如有靜水壓力、動(dòng)水沖力和滲透推力之分。靜水壓力是指水在靜止?fàn)顟B(tài)下所施加于束縛或阻擋它的物體的一種作用力，其大小 P=P0+γh，式中 P0為水面的大氣壓強(qiáng)，γ為水的容重，h為受水壓處（點(diǎn)）的淹沒(méi)深度。應(yīng)當(dāng)指出對(duì)于泥沙含量較高的江河水體，其容重（γ）要大于1，尤其是對(duì)于許多尾礦壩計(jì)算壩體承受流體靜壓時(shí)，更不能忽視其容重比1大得很多這一事實(shí)。顯然，一座完整的土（石）壩在正常情況下光靠靜水壓力是壓不垮的，所以傳統(tǒng)的土（石）壩穩(wěn)定性是采用校核邊坡滑動(dòng)安全系數(shù)大小來(lái)衡量的。動(dòng)水沖力是指水體居高臨下，出現(xiàn)流動(dòng)而形成的沖刷力量，它是以動(dòng)量的形式作用于壩體外表的。其壩面沖刷破壞速度取決于流量大小、下游壩坡坡度大小和坡面材料構(gòu)造狀況。盡管有時(shí)翻壩水深不一定很大，但護(hù)面預(yù)制混凝土塊在下泄水流正面沖力和同時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)上舉力作用下，即使重量很大的預(yù)制混凝土塊也可能很快被揭開(kāi)沖走。滲透推力來(lái)自水流通過(guò)松散土顆粒間隙中的水力坡降而形成，其大小遵循達(dá)西定律，即V=KJ（式中V為滲流過(guò)水?dāng)嗝娴钠骄魉?，J為滲流坡降為在滲流途徑dL長(zhǎng)度上的水頭損失），K為土的滲透系數(shù)。

上述三種形式的作用力單獨(dú)或同時(shí)出現(xiàn)作用于土（石）壩上所產(chǎn)生的壩體破壞態(tài)式，常具有以下幾種情形。其一是高洪水位超過(guò)壩頂漫溢，水流便順坡而下沖刷剝離坡面，如漫溢深度較大（如大于20cm），時(shí)間較長(zhǎng)（如大于1h）則很有可能引發(fā)潰壩惡果。漫頂現(xiàn)象一般發(fā)生在大壩上游遭遇特大暴雨、來(lái)水過(guò)猛、超設(shè)計(jì)泄洪能力或可能因預(yù)設(shè)泄洪方式發(fā)生故障所致。也還有壩前庫(kù)水面較寬，遭遇大風(fēng)，掀起巨浪而形成翻壩水流所致。其二是攔水壩擋蓄高水位時(shí)所形成的滲透推力，可能在下游壩面產(chǎn)生局部裂縫、滑動(dòng)現(xiàn)象，或可能在壩體內(nèi)部淘空破壞，逐步擴(kuò)大，直至壩體外部造成坍陷、跌窩，且同時(shí)出現(xiàn)混濁射流、孔口不斷擴(kuò)大，這種態(tài)式一般演變時(shí)間較長(zhǎng)，也是一種潰壩前的不祥信號(hào)。其三是地震力直接作用于壩體，瞬間受力產(chǎn)生裂縫，出現(xiàn)滑坡和錯(cuò)位等破壞性現(xiàn)象，此時(shí)若水庫(kù)水位較高，水流便會(huì)沿裂縫沖刷壩體，滲透水流便會(huì)從薄弱處溢出，這都是可能潰壩的現(xiàn)象。還有地震或暴雨往往也有可能使水庫(kù)某些岸坡產(chǎn)生大塌方，瞬間形成浪荷載，突然加到壩體之上，這種瞬間沖擊力也有可能引起潰壩惡果。還有一些尾礦壩，礦渣并未固結(jié)，只要充水稍受震動(dòng)，就有可能使?jié)M滿一庫(kù)泥渣流陡然加到壩身上，整體推動(dòng)壩身而潰決。凡此種種情況都是造成潰壩的水力作用表現(xiàn)形式。至于日長(zhǎng)天久的風(fēng)吹雨打、生物破壞等，對(duì)壩體不停地作用而產(chǎn)生的緩慢破壞，每年冬枯時(shí)可以修補(bǔ)，不必列入潰壩動(dòng)力范圍。

潰壩動(dòng)力的出現(xiàn)，因地、因時(shí)、因周邊環(huán)境的不同，產(chǎn)生的潰壩過(guò)程快慢和后果不同。潰壩動(dòng)力不僅是一種破壞力量，而且也是潰壩系統(tǒng)演變的主動(dòng)力量；潰壩系統(tǒng)因可能出現(xiàn)的外力形式不同而組成結(jié)構(gòu)不同；也因出現(xiàn)外力的大小不同，系統(tǒng)演變速度和方向也會(huì)不同。如果能對(duì)每一種發(fā)生潰壩的動(dòng)力及其相伴而存在的環(huán)境從定性到定量上有明確的認(rèn)識(shí)把握，那么就有可能預(yù)測(cè)出潰壩發(fā)生的空間與時(shí)間；有了潰壩時(shí)空對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)，就有了搶護(hù)和規(guī)避潰壩風(fēng)險(xiǎn)的相應(yīng)操作時(shí)間和空間。當(dāng)然，對(duì)于攔水壩潰決時(shí)間的預(yù)測(cè)，最主要的是要關(guān)注水庫(kù)壩前水位的漲落快慢。庫(kù)水位又與降雨多少、匯流快慢緊密相連，因此及時(shí)準(zhǔn)確地作出庫(kù)區(qū)內(nèi)氣象水文預(yù)報(bào)非常必要。對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的科學(xué)技術(shù)水平而言，人類還是有能力做到上述相互關(guān)聯(lián)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)要求的。

三、潰壩環(huán)境區(qū)分

這里所指環(huán)境，應(yīng)當(dāng)包括兩個(gè)方面：其一是壩體所在地理位置的自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境，其二是臨潰時(shí)特殊氣象氣候及道路交通環(huán)境。壩體周邊自然環(huán)境主要指地貌、地基地質(zhì)及氣候季節(jié)這些內(nèi)容，地貌方面有山區(qū)、丘陵區(qū)和平原區(qū)之分，地基地質(zhì)方面有土基與巖基之別，松散土基也有好壞之分，有較弱淤泥夾層還是堅(jiān)硬原狀黃土之分，巖基也有巖性和堅(jiān)硬完整還是嚴(yán)重風(fēng)化破碎之分，壩區(qū)植被有茂密原始和稀枯荒蕪之分，氣候主要指所處緯度高低與季節(jié)之分，這些自然環(huán)境的差異都會(huì)影響到潰壩速度與過(guò)程以及潰壩應(yīng)急對(duì)策的選擇。建造在平原上的水庫(kù)大壩，一般壩線較長(zhǎng)，壩身高度不大，水頭較低，可一旦潰決，淹沒(méi)區(qū)很大，損失也不小。建造在山區(qū)的水庫(kù)大壩，往往深踞高山峽谷之中，一般壩身較高，形成的水位水頭較高，壩身所承受的靜水壓力大，滲透推力也較大，壩端兩頭岸坡較陡，接觸處產(chǎn)生裂隙滲漏常見(jiàn)。深山峽谷之中一般較少采用土壩或土石混合壩。壩區(qū)周邊經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境，主要指當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度和科技實(shí)力強(qiáng)弱，由此而決定了當(dāng)?shù)亟煌顩r、通信手段以及人們對(duì)潰壩后果的搶救能力和承受能力。

大壩臨潰時(shí)的特殊氣象氣候和交通運(yùn)輸狀況。歷史上大量潰壩事件告訴我們，潰壩稀有事件往往發(fā)生在風(fēng)雨交加、天黑夜深、道路狹窄、通信不暢、缺乏有效照明等極為不利之時(shí)，給護(hù)壩人員以措手不及的突然襲擊，可能弄得手忙腳亂，昏頭轉(zhuǎn)向，因此要給予特別關(guān)注。

總之，潰壩所處時(shí)空環(huán)境，方方面面都將會(huì)影響到人們對(duì)潰壩事件所采取的對(duì)策措施。顯然，凡是所在地域自然環(huán)境條件較好的壩體，不僅出險(xiǎn)的可能性要小些，即使出了險(xiǎn)，處置起來(lái)也較容易一些；凡社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)，對(duì)潰壩搶護(hù)措施可供選擇的范圍也會(huì)大得多。例如1975年8月，因臺(tái)風(fēng)暴雨特別集中而造成的板橋、石漫灘等水庫(kù)潰決，當(dāng)時(shí)若通信設(shè)施稍微完善一些，就會(huì)為下游居民躲避滅頂之災(zāi)提供一定的時(shí)間，就會(huì)少淹死數(shù)以萬(wàn)計(jì)的人員。又如2008年為解除汶川大地震所形成的堰塞湖可能潰決的風(fēng)險(xiǎn)，竟然能夠采用現(xiàn)代大型運(yùn)輸直升機(jī)將單臺(tái)重達(dá)十幾噸的大型挖掘機(jī)40余臺(tái)從空中吊運(yùn)到唐家山堰塞體頂上，同時(shí)空運(yùn)上百名武警水電戰(zhàn)士到現(xiàn)場(chǎng)操作，從而快速開(kāi)鑿導(dǎo)洪渠，使降低堰塞湖水位成為可能，這充分表明現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)技術(shù)實(shí)力雄厚對(duì)潰壩搶險(xiǎn)的巨大作用。

區(qū)分不同的環(huán)境，采取相應(yīng)的對(duì)策是每一座大壩的管理者應(yīng)當(dāng)認(rèn)真細(xì)致考慮研究的問(wèn)題。對(duì)環(huán)境認(rèn)識(shí)得越深透，區(qū)分得越明確，潰壩應(yīng)急對(duì)策就可能制訂和實(shí)施得越有效。

四、潰壩運(yùn)作管理

通過(guò)上述對(duì)潰壩系統(tǒng)、潰壩動(dòng)力與潰壩環(huán)境的分析討論，使我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了潰壩系統(tǒng)的特點(diǎn)與復(fù)雜性。該系統(tǒng)不僅軟硬兼有，人事物交融混合，而且系統(tǒng)及其組成子系統(tǒng)的邊界模糊，難以絕然劃開(kāi)獨(dú)立運(yùn)作。系統(tǒng)的運(yùn)作范疇屬時(shí)空同在的多維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)人們多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，每遇潰壩事件發(fā)生，所要采取的運(yùn)作管理內(nèi)容主要有：①組織出險(xiǎn)壩工搶護(hù)，②可能淹沒(méi)地區(qū)人員避險(xiǎn)，③災(zāi)害救援。顯然，為要做好這三方面工作，需要對(duì)潰前、潰中與潰后全過(guò)程進(jìn)行全面的組織協(xié)調(diào)，而不是僅僅停留在臨潰現(xiàn)場(chǎng)這一個(gè)很小的時(shí)空范圍內(nèi)。有鑒于此，單憑個(gè)人或少數(shù)幾個(gè)人的大腦記憶與思考是很難同時(shí)做好這三方面工作的。為此，筆者提出要借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)（主要指系統(tǒng)工程與計(jì)算機(jī)）為每一座已建大壩創(chuàng)建專家系統(tǒng)，以此來(lái)應(yīng)對(duì)潰壩事件。

專家系統(tǒng)（expert system）的基本概念和內(nèi)容是對(duì)一些比較復(fù)雜的事件專門(mén)開(kāi)發(fā)出一套應(yīng)對(duì)的計(jì)算機(jī)程序，以彌補(bǔ)人類單個(gè)人的記憶、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)能力的不足，且能實(shí)現(xiàn)快捷反應(yīng)的目的。像潰壩這類突然發(fā)生、隨機(jī)性強(qiáng)、影響因素眾多的系統(tǒng)運(yùn)作，就可以根據(jù)“以慢對(duì)快，以靜待變”的策略思想，在平時(shí)組織有關(guān)專家設(shè)計(jì)編制出一套周全的應(yīng)對(duì)程序，儲(chǔ)存在光盤(pán)中，交由每一座大壩的運(yùn)行管理者隨時(shí)隨地調(diào)出使用。專家系統(tǒng)中知識(shí)庫(kù)的知識(shí)來(lái)自本專業(yè)領(lǐng)域（包括本大壩工程）的專家群體深思熟慮、反復(fù)切磋而提供的信息、技術(shù)和方法等多個(gè)方面，能夠通過(guò)自身預(yù)設(shè)的推理路線，運(yùn)用科學(xué)判斷和優(yōu)選辦法把應(yīng)對(duì)的方法措施以簡(jiǎn)明易懂的表達(dá)方式，如圖文并茂、聲形俱備等形式告知詢問(wèn)者，這樣給出的各種意見(jiàn)比少數(shù)幾個(gè)專家臨場(chǎng)匆忙思考給出的指揮調(diào)度意見(jiàn)要有效和可靠得多，比企圖從遠(yuǎn)程進(jìn)行遙控指揮少了許多環(huán)節(jié)，更加直接靈活，可以反復(fù)從不同角度詢問(wèn)，及時(shí)獲得更加切合實(shí)際的答案。

創(chuàng)建思路是首先對(duì)潰壩系統(tǒng)的邊界進(jìn)行界定，明確系統(tǒng)的組成元素與環(huán)境聯(lián)系，然后成立一個(gè)由熟悉本專業(yè)的系統(tǒng)工程專家（3～5人）和熟悉計(jì)算機(jī)程序編制專家（2～3人）組成的創(chuàng)建工作小組開(kāi)展工作。至于外圍咨詢專家可依據(jù)創(chuàng)建進(jìn)程，采取短期聘用方式，以某一個(gè)單項(xiàng)內(nèi)容開(kāi)展研究、設(shè)計(jì)或試驗(yàn)等工作內(nèi)容，還可采用書(shū)面或會(huì)議方式進(jìn)行更廣泛的咨詢，聽(tīng)取更多專家意見(jiàn)。

專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容大體有：①信息系統(tǒng)（如壩情、地情、水情、人情、物情及大壩周邊經(jīng)濟(jì)自然環(huán)境等），②推理系統(tǒng)（如各種判斷推理，各種構(gòu)件承載能力計(jì)算推理，各種工程措施設(shè)計(jì)推理及可能應(yīng)變推理等），③評(píng)估系統(tǒng)（如各種影響評(píng)估、效果評(píng)估、安全評(píng)估等），④圖紙影像系統(tǒng)（如工程設(shè)計(jì)圖紙、施工安裝圖紙、交通通信網(wǎng)絡(luò)圖紙、施工操作影像等），⑤計(jì)算機(jī)自身維護(hù)、操作、執(zhí)行系統(tǒng)。

專家系統(tǒng)運(yùn)行程序相互聯(lián)系概念如圖2所示：

初創(chuàng)時(shí)可先以一個(gè)具體水庫(kù)大壩為對(duì)象，設(shè)計(jì)編制出一套能滿足本大壩未來(lái)可能潰壩時(shí)的各種對(duì)策措施程序，然后以此為基礎(chǔ)推向其他各式各樣的水庫(kù)大壩，逐步走向通用化。最后還可以針對(duì)日后實(shí)際發(fā)生的新情況、新問(wèn)題，逐年加以補(bǔ)充修改完善。

專家系統(tǒng)內(nèi)容豐富，把各種時(shí)空環(huán)境下的所有潰壩的各式各樣問(wèn)題的解決方案（即預(yù)案）事先設(shè)計(jì)編制于其中，各種方案之間聯(lián)系緊密，環(huán)環(huán)相扣，為完成這樣一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與程序的編制，將會(huì)運(yùn)用到幾乎所有傳統(tǒng)常規(guī)的科技知識(shí)（如水文學(xué)、水力學(xué)、土力學(xué)、數(shù)學(xué)等）、現(xiàn)代較新的科學(xué)技術(shù)（如系統(tǒng)工程、計(jì)算機(jī)、模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)等）以及已有設(shè)計(jì)研究成果（如大壩樞紐規(guī)劃設(shè)計(jì)文獻(xiàn)、圖紙與資料、地理信息系統(tǒng)、風(fēng)險(xiǎn)圖等）。為了獲得一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還可以開(kāi)展有代表性的已潰壩實(shí)地回訪調(diào)查。為降低初期創(chuàng)建開(kāi)發(fā)的難度，事先可以把專家系統(tǒng)限定在問(wèn)什么答什么的較低智能水平上。如有必要，還可以把潰壩專家系統(tǒng)擴(kuò)充為整個(gè)大壩日常全面運(yùn)行管理的功能軟件。

五、結(jié) 語(yǔ)

如何做好潰壩應(yīng)急管理工作，涉及面很寬，上述簡(jiǎn)要論述乃非工程措施的一部分內(nèi)容。從根本上說(shuō)，所有大壩管理者都應(yīng)當(dāng)居安思危，未雨綢繆，防患未然，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩風(fēng)險(xiǎn)先兆才能取得主動(dòng)。

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