小型震損水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析研究

王麗學(xué)　趙寧

摘要：為研究小型震損水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)水庫(kù)的潰壩路徑、潰壩概率、潰壩后果進(jìn)行分析，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，最終確定其風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。在簡(jiǎn)單介紹此模型的基礎(chǔ)上，通過實(shí)例說明其在水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用，確定模型的實(shí)用性及便捷性。

關(guān)鍵詞：事件數(shù)法；潰壩后果綜合評(píng)價(jià)函數(shù)；潰壩概率；潰壩后果；風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

中圖分類號(hào)：TV698.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）06-0055-04

風(fēng)險(xiǎn)最早于19世紀(jì)末在西方經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域提出，現(xiàn)以廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害、社會(huì)學(xué)、建筑學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等領(lǐng)域。風(fēng)險(xiǎn)分析是辨別并分析潛在損失發(fā)生的可能性以及后果嚴(yán)重性的一種過程，其目的在于事先給出分析對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)。潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析的一般步驟為：識(shí)別潰壩風(fēng)險(xiǎn)-計(jì)算潰壩概率-分析潰壩后果-確定風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)-提出建議。

1 識(shí)別潰壩風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)震損水庫(kù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，首先要把可能引起水庫(kù)大壩破壞的所有危險(xiǎn)找出來(lái)，然后確定哪些危險(xiǎn)有可能發(fā)生，哪些危險(xiǎn)較嚴(yán)重。從對(duì)歷史潰壩資料的分析中得出大壩潰壩的主要原因，從而分析大壩的潰壩模式和潰壩路徑，為下一步進(jìn)行的潰壩概率和潰壩后果分析提供方向。

2 計(jì)算潰壩概率

根據(jù)小型震損水庫(kù)壩體的特點(diǎn)，在確定潰壩模式與潰壩路徑后，依據(jù)大壩安全鑒定、現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果及專家的經(jīng)驗(yàn)，由專家對(duì)潰壩路徑中每個(gè)環(huán)節(jié)的事件發(fā)生概率進(jìn)行賦值，潰壩路徑下每一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生概率的乘積即為此潰壩模式下的潰壩概率Pm。因此，小型震損水庫(kù)總概率Pf，可近似采用不同模式下的潰壩概率之和來(lái)表示，即：

Pf=Pm （1）

3 分析潰壩后果

小型震損水庫(kù)大壩的潰壩后果影響主要包括3個(gè)方面：生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)及環(huán)境影響。潰壩后果的綜合評(píng)價(jià)主要依靠綜合評(píng)價(jià)函數(shù)L來(lái)確定。這個(gè)函數(shù)體現(xiàn)了潰壩生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)及環(huán)境影響的綜合影響，即：

L=W1C1=W1C1+W2C2+W3C3 （2）

式中：W1，W2，W3分別為生命損失、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)與環(huán)境影響的權(quán)重系數(shù)，根據(jù)Saaty建議的1～9標(biāo)度法（AHP法），結(jié)合小型震損水庫(kù)的自身特點(diǎn)，最終確定生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)及環(huán)境影響的嚴(yán)重程度系數(shù)分別為0.737，0.105，0.158；C1，C2，C3分別為生命損失、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)環(huán)境影響的嚴(yán)重程度系數(shù)，根據(jù)函數(shù)y=（lgx）a計(jì)算。

3.1 生命損失及生命損失嚴(yán)重程度系數(shù)

3.1.1 生命損失的確定 潰壩損失最嚴(yán)重的是生命損失，除導(dǎo)致死者無(wú)辜的失去生命外，還造成幸存者心理恐慌、社會(huì)不安定等，其影響難以用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)度量。結(jié)合小型水庫(kù)壩體的特點(diǎn)，小型震損水庫(kù)的生命損失可采用如下公式計(jì)算：

LI=0.075PAR0.56exp（-0.759Wr+3.790Fc-

2.223Wr×Fc） （3）

式中：LI為潛在生命損失；WT為警報(bào)時(shí)間，指從接到撤離通知至洪水到達(dá)前的時(shí)間段；PAR為風(fēng)險(xiǎn)人口，根據(jù)各種潰決條件下潰壩洪水所導(dǎo)致的淹沒區(qū)中的人口確定；Fc為洪水強(qiáng)度，高壩、山區(qū)等高洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)Fc=1，低壩、平原地區(qū)等低洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)Fc=0。

3.1.2 生命損失嚴(yán)重程度系數(shù)的確定 生命損失的上限為100 000人，可分為5檔：1～10，10～100，100～1 000，

1 000～10 000，10 000～100 000。函數(shù)y=（lgx）a賦值如表1所示。

從表1中可以看出，a=0.1與a=0.2均滿足要求，為了強(qiáng)調(diào)生命損失的重要性，判定a=0.1因子，即小型震損水庫(kù)生命損失嚴(yán)重程度系數(shù)Z1：

Z1=y1=（lgx）0.1 （4）

3.2 經(jīng)濟(jì)損失及經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度系數(shù)

3.2.1 經(jīng)濟(jì)損失的確定 潰壩經(jīng)濟(jì)損失包括直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失。直接經(jīng)濟(jì)損失包括水庫(kù)工程損失所造成的經(jīng)濟(jì)損失和潰壩洪水直接淹沒造成的可用貨幣計(jì)量的各類損失；間接經(jīng)濟(jì)損失指直接經(jīng)濟(jì)損失以外的可用貨幣計(jì)量的損失，主要包括由于采取各種措施而增加的費(fèi)用。根據(jù)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)模式，可以確定經(jīng)濟(jì)損失=直接經(jīng)濟(jì)損失+間接經(jīng)濟(jì)損失=1.63×直接經(jīng)濟(jì)損失。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度系數(shù)的確定 經(jīng)濟(jì)損失的上限可以定為100億元人民幣，分為10萬(wàn)元、100萬(wàn)元、1 000萬(wàn)元、10 000萬(wàn)元、100 000萬(wàn)元、1000 000萬(wàn)元5檔。將函數(shù)稍做變化，得

y=

lga （5）

根據(jù)不同地區(qū)經(jīng)濟(jì)損失重要性，模型中a的取值應(yīng)有所區(qū)別。以四川安縣小型震損水庫(kù)為例，四川省位于我國(guó)西部，結(jié)合其經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)模式，判定a=0.4因子，即小型震損水庫(kù)經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度系數(shù)Z2為：

Z2=y2=

lg0.4 （6）

3.3 社會(huì)與環(huán)境影響及其嚴(yán)重程度系數(shù)

社會(huì)環(huán)境影響是一個(gè)非常廣泛的概念，往往只能依據(jù)專家判斷給出一個(gè)模糊的判斷。如表2所示，將大壩潰決所造成的社會(huì)環(huán)境影響進(jìn)行分類，從8個(gè)方面去定量分析。

社會(huì)與環(huán)境影響系數(shù)Z可采用等權(quán)乘積法表示：

Z=R×C×S×X×H×Q×I×W （7）

社會(huì)影響嚴(yán)重程度系數(shù)Z3可表示為：

Z3=y3=（lgz）a （8）

4 確定風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)

潰壩對(duì)生命、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境造成的風(fēng)險(xiǎn)R為潰壩概率Pf與相應(yīng)潰壩后果L的乘積，即：

R=PfL （9）

式中：Pf為潰壩概率，一般是很小的數(shù)；L為潰壩后果綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，其值小于1。為直觀起見，式（9）中乘以放大倍數(shù)1 000后，求得小型震損水庫(kù)的潰壩總概率和潰壩后果嚴(yán)重程度系數(shù)?？砂聪率接?jì)算水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R0：

R0=1 000PfL （10）

1） 當(dāng)R0<0.1時(shí)，潰壩概率小于10-4，風(fēng)險(xiǎn)很低，無(wú)需采取除險(xiǎn)措施。

2） 當(dāng)R0>1.0時(shí)，水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)極高，不可容忍，需立即采取除險(xiǎn)措施降低風(fēng)險(xiǎn)。

3） 當(dāng)0.1≤R0≤1.0時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)不可忽視，需根據(jù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)大小依次進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)處理。

5 工程實(shí)例

豐收水庫(kù)位于東經(jīng)104.17°、北緯31.30°，地處安縣秀水鎮(zhèn)紅桂村境內(nèi)，水庫(kù)大壩位于老罐窩，屬凱江水系雎水左岸一分支流，距安縣縣城20 km。壩址海拔高程615～650 m，水庫(kù)來(lái)水一部分為壩址以上集雨面積0.8 km2的當(dāng)?shù)貜搅?，另一部分通過二大渠從雎水河引水，設(shè)計(jì)總庫(kù)容196.0萬(wàn)m3，為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，是一座以灌溉為主、兼有養(yǎng)魚綜合效益的水庫(kù)工程。豐收水庫(kù)30年一遇洪峰流量20.4 m3/s，洪水總量20.1萬(wàn)m3，500年一遇洪峰流量29.9 m3/s，洪水總量33.0萬(wàn)m3。

“5·12”地震時(shí)，豐收水庫(kù)處于正常蓄水位運(yùn)行狀態(tài)，“5·12”地震發(fā)生后，壩體產(chǎn)生了一系列震生裂縫，平行于壩軸方向最大的縱裂縫貫通長(zhǎng)度166 m，縫寬50～60 cm，可見深度3.3～3.9 m，其余的縱縫均呈斷續(xù)狀延伸至與最長(zhǎng)縱縫相近的范圍；在壩頂及上、下游壩坡產(chǎn)生了一系列的橫裂縫；壩頂砼砌塊碎裂，壩頂最大沉陷變形量為0.69 m。

5.1 識(shí)別潰壩路徑

根據(jù)初始事件、破壞模式和破壞原因或機(jī)理，建立正常事件、洪水事件和地震事件破壞路徑（見表3），進(jìn)而構(gòu)成事件樹。

5.2 計(jì)算潰壩概率

估算加固前潰壩總概率Pf=0.000 916（見表4）。

5.3 分析潰壩后果

首先，確定風(fēng)險(xiǎn)人口PAR。水庫(kù)位于秀水鎮(zhèn)鎮(zhèn)內(nèi)，秀水鎮(zhèn)人口約4.5萬(wàn)人。

根據(jù)前面的理論公式與賦值原則，得出潰壩后果各項(xiàng)指數(shù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表5。

5.4 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

確定豐收水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R=PfL=0.000 916×0.770 8=0.000 741 509 6，放大1 000倍以后R0=1 000×PfL=0.741 509 6∈（0.1，1.0），風(fēng)險(xiǎn)較小，可暫緩加固。

6 結(jié)論

通過分析小型震損水庫(kù)潰壩概率及潰壩后果，提出小型震損水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并依據(jù)此模型分析四川安縣豐收水庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)計(jì)算分析，其風(fēng)險(xiǎn)較小，可以延緩加固。

參考文獻(xiàn)

[1] 何曉燕，孫丹丹，黃金池.大壩潰決社會(huì)及環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，11（11）：1 752-1 757.

[2] 李雷，王仁鐘，盛金保.潰壩后果嚴(yán)重程度評(píng)價(jià)模型研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，6（1）：1-4.

[3] 嚴(yán)磊.大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分析方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2011.

R0=1 000PfL （10）

1） 當(dāng)R0<0.1時(shí)，潰壩概率小于10-4，風(fēng)險(xiǎn)很低，無(wú)需采取除險(xiǎn)措施。

2） 當(dāng)R0>1.0時(shí)，水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)極高，不可容忍，需立即采取除險(xiǎn)措施降低風(fēng)險(xiǎn)。

3） 當(dāng)0.1≤R0≤1.0時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)不可忽視，需根據(jù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)大小依次進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)處理。

5 工程實(shí)例

豐收水庫(kù)位于東經(jīng)104.17°、北緯31.30°，地處安縣秀水鎮(zhèn)紅桂村境內(nèi)，水庫(kù)大壩位于老罐窩，屬凱江水系雎水左岸一分支流，距安縣縣城20 km。壩址海拔高程615～650 m，水庫(kù)來(lái)水一部分為壩址以上集雨面積0.8 km2的當(dāng)?shù)貜搅?，另一部分通過二大渠從雎水河引水，設(shè)計(jì)總庫(kù)容196.0萬(wàn)m3，為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，是一座以灌溉為主、兼有養(yǎng)魚綜合效益的水庫(kù)工程。豐收水庫(kù)30年一遇洪峰流量20.4 m3/s，洪水總量20.1萬(wàn)m3，500年一遇洪峰流量29.9 m3/s，洪水總量33.0萬(wàn)m3。

“5·12”地震時(shí)，豐收水庫(kù)處于正常蓄水位運(yùn)行狀態(tài)，“5·12”地震發(fā)生后，壩體產(chǎn)生了一系列震生裂縫，平行于壩軸方向最大的縱裂縫貫通長(zhǎng)度166 m，縫寬50～60 cm，可見深度3.3～3.9 m，其余的縱縫均呈斷續(xù)狀延伸至與最長(zhǎng)縱縫相近的范圍；在壩頂及上、下游壩坡產(chǎn)生了一系列的橫裂縫；壩頂砼砌塊碎裂，壩頂最大沉陷變形量為0.69 m。

5.1 識(shí)別潰壩路徑

根據(jù)初始事件、破壞模式和破壞原因或機(jī)理，建立正常事件、洪水事件和地震事件破壞路徑（見表3），進(jìn)而構(gòu)成事件樹。

5.2 計(jì)算潰壩概率

估算加固前潰壩總概率Pf=0.000 916（見表4）。

5.3 分析潰壩后果

首先，確定風(fēng)險(xiǎn)人口PAR。水庫(kù)位于秀水鎮(zhèn)鎮(zhèn)內(nèi)，秀水鎮(zhèn)人口約4.5萬(wàn)人。

根據(jù)前面的理論公式與賦值原則，得出潰壩后果各項(xiàng)指數(shù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表5。

5.4 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

確定豐收水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R=PfL=0.000 916×0.770 8=0.000 741 509 6，放大1 000倍以后R0=1 000×PfL=0.741 509 6∈（0.1，1.0），風(fēng)險(xiǎn)較小，可暫緩加固。

6 結(jié)論

通過分析小型震損水庫(kù)潰壩概率及潰壩后果，提出小型震損水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并依據(jù)此模型分析四川安縣豐收水庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)計(jì)算分析，其風(fēng)險(xiǎn)較小，可以延緩加固。

參考文獻(xiàn)

[1] 何曉燕，孫丹丹，黃金池.大壩潰決社會(huì)及環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，11（11）：1 752-1 757.

[2] 李雷，王仁鐘，盛金保.潰壩后果嚴(yán)重程度評(píng)價(jià)模型研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，6（1）：1-4.

[3] 嚴(yán)磊.大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分析方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2011.

R0=1 000PfL （10）

1） 當(dāng)R0<0.1時(shí)，潰壩概率小于10-4，風(fēng)險(xiǎn)很低，無(wú)需采取除險(xiǎn)措施。

2） 當(dāng)R0>1.0時(shí)，水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)極高，不可容忍，需立即采取除險(xiǎn)措施降低風(fēng)險(xiǎn)。

3） 當(dāng)0.1≤R0≤1.0時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)不可忽視，需根據(jù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)大小依次進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)處理。

5 工程實(shí)例

豐收水庫(kù)位于東經(jīng)104.17°、北緯31.30°，地處安縣秀水鎮(zhèn)紅桂村境內(nèi)，水庫(kù)大壩位于老罐窩，屬凱江水系雎水左岸一分支流，距安縣縣城20 km。壩址海拔高程615～650 m，水庫(kù)來(lái)水一部分為壩址以上集雨面積0.8 km2的當(dāng)?shù)貜搅鳎硪徊糠滞ㄟ^二大渠從雎水河引水，設(shè)計(jì)總庫(kù)容196.0萬(wàn)m3，為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，是一座以灌溉為主、兼有養(yǎng)魚綜合效益的水庫(kù)工程。豐收水庫(kù)30年一遇洪峰流量20.4 m3/s，洪水總量20.1萬(wàn)m3，500年一遇洪峰流量29.9 m3/s，洪水總量33.0萬(wàn)m3。

“5·12”地震時(shí)，豐收水庫(kù)處于正常蓄水位運(yùn)行狀態(tài)，“5·12”地震發(fā)生后，壩體產(chǎn)生了一系列震生裂縫，平行于壩軸方向最大的縱裂縫貫通長(zhǎng)度166 m，縫寬50～60 cm，可見深度3.3～3.9 m，其余的縱縫均呈斷續(xù)狀延伸至與最長(zhǎng)縱縫相近的范圍；在壩頂及上、下游壩坡產(chǎn)生了一系列的橫裂縫；壩頂砼砌塊碎裂，壩頂最大沉陷變形量為0.69 m。

5.1 識(shí)別潰壩路徑

根據(jù)初始事件、破壞模式和破壞原因或機(jī)理，建立正常事件、洪水事件和地震事件破壞路徑（見表3），進(jìn)而構(gòu)成事件樹。

5.2 計(jì)算潰壩概率

估算加固前潰壩總概率Pf=0.000 916（見表4）。

5.3 分析潰壩后果

首先，確定風(fēng)險(xiǎn)人口PAR。水庫(kù)位于秀水鎮(zhèn)鎮(zhèn)內(nèi)，秀水鎮(zhèn)人口約4.5萬(wàn)人。

根據(jù)前面的理論公式與賦值原則，得出潰壩后果各項(xiàng)指數(shù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表5。

5.4 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

確定豐收水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R=PfL=0.000 916×0.770 8=0.000 741 509 6，放大1 000倍以后R0=1 000×PfL=0.741 509 6∈（0.1，1.0），風(fēng)險(xiǎn)較小，可暫緩加固。

6 結(jié)論

通過分析小型震損水庫(kù)潰壩概率及潰壩后果，提出小型震損水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并依據(jù)此模型分析四川安縣豐收水庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)計(jì)算分析，其風(fēng)險(xiǎn)較小，可以延緩加固。

參考文獻(xiàn)

[1] 何曉燕，孫丹丹，黃金池.大壩潰決社會(huì)及環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，11（11）：1 752-1 757.

[2] 李雷，王仁鐘，盛金保.潰壩后果嚴(yán)重程度評(píng)價(jià)模型研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，6（1）：1-4.

[3] 嚴(yán)磊.大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分析方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2011.