土石壩防洪風(fēng)險(xiǎn)等級劃分與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

(1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省大壩安全管理中心，江西 南昌 330029)

傳統(tǒng)的評價(jià)方法難以全面反映不確定性影響，存在評價(jià)的局限性。傳統(tǒng)的評價(jià)方法都是基于確定性模型，由于大壩的不確定性因素較多，如水文、水力等參數(shù)選取的隨機(jī)不確定性, 計(jì)算結(jié)果未必能真實(shí)反映大壩實(shí)際運(yùn)行狀況，導(dǎo)致在洪水計(jì)算中存在偏差，使壩頂高程的決策中，常取偏保守的設(shè)計(jì)。

由傳統(tǒng)的防洪評價(jià)向概率風(fēng)險(xiǎn)分析方法過渡，是近年來的研究熱門。過去，土石壩防洪風(fēng)險(xiǎn)主要分析超標(biāo)準(zhǔn)洪水下導(dǎo)致漫頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)概率，其中，超標(biāo)洪水采用校核洪水。進(jìn)行防洪風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算時(shí)，一般采用洪水頻率曲線[1]，如皮爾遜Ⅲ型、對數(shù)皮爾遜Ⅲ型、克里茨基-閩開里分布(K-M)、耿倍爾(Gumbel)分布等。也有學(xué)者如姜樹海等[2-3]在可靠度的基礎(chǔ)上，以壩頂超高為評價(jià)指標(biāo)，建立了防洪安全等級劃分與風(fēng)險(xiǎn)概率的對應(yīng)關(guān)系；席秋義[4]在設(shè)計(jì)泄流能力可靠度的基礎(chǔ)上，建立了水庫泄洪建筑物設(shè)計(jì)泄流能力風(fēng)險(xiǎn)率模型。

在防洪風(fēng)險(xiǎn)等級劃分中，人們對不同的大壩級別提出了不同的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，但在結(jié)合大壩的安全運(yùn)行水平方面，研究不多。顯然，人們認(rèn)為不同的大壩運(yùn)行水平是不同的，風(fēng)險(xiǎn)的范圍也是不同的，如“三類壩”應(yīng)比“二類壩”或“一類壩”風(fēng)險(xiǎn)要大，通過除險(xiǎn)加固或維修養(yǎng)護(hù)，其風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該降低。本文以安全超高作為評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)造洪水分析的統(tǒng)計(jì)量，建立洪水漫頂風(fēng)險(xiǎn)分析模型，基于《大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》[5](以下簡稱《導(dǎo)則》)，建立風(fēng)險(xiǎn)等級分區(qū)圖，為風(fēng)險(xiǎn)分析提供決策依據(jù)。

1 防洪安全風(fēng)險(xiǎn)分析模型

在大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核過程中，取安全超高Δ作為允許安全度指標(biāo)：

Z-H=Δ

(1)

式中Z——壩頂高程；

H——洪水過程下的最高壩前水位；

Δ——安全超高(不考慮波浪爬高)。

用式(1)計(jì)算時(shí)主要從兩類角度進(jìn)行考慮:第一類為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即大壩采用多少年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)，最大洪水發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)率；第二類為工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可以理解為當(dāng)發(fā)生設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，大壩有漫頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)大壩的級別及運(yùn)行水平，《導(dǎo)則》給出了防御洪水頻率。不同大壩等級，其防洪安全采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，大壩等級越高，洪水重現(xiàn)期越長，見表1。

表1 土石壩安全防洪等級

定義大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)率Pfi為[2]

Pfi=Pf/Ti

(2)

式中Ti——設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期(一般取校核洪水)；

Pf——設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期發(fā)生條件下的漫頂風(fēng)險(xiǎn)率,即為第一類風(fēng)險(xiǎn)；

Pfi——年均發(fā)生洪水漫頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)率，即為第二類風(fēng)險(xiǎn)。

進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的關(guān)鍵在于分析不確定因素的概率分布，如設(shè)計(jì)洪水位H與實(shí)際洪水偏差的概率，而對于某一特定土石壩，大壩壩頂高程Z的概率分布決定于H，因此，假定兩者均服從同一正態(tài)分布，即X=N(μ,σ),μ,σ未知，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量U=μH-μZ,易知

(3)

式中H、Z——壩前最高水位、壩頂高程的隨機(jī)量；

μH、μZ——H、Z的均值；

σH、σZ——H、Z的標(biāo)準(zhǔn)差。

(4)

式中β=μZ-μH——可靠性指標(biāo)，也可以理解為壩頂超高。

由于σZ決定于σH,因此，可假定σZ=σH，則式(5)可表示為

(5)

由文獻(xiàn)[6]可知，方差σH與洪水頻率均值μH等參數(shù)密切相關(guān)，圖1給出均方差在不同置信水平(5%、10%、20%)情況下各洪水頻率下的值。

圖1 各洪水頻率下的流量方差

各方差值在1～4之間，不同置信水平下，計(jì)算流量與實(shí)測流量的均方差相差不大，在10%以內(nèi)。不同洪水頻率下，均方差差異較大，洪水頻率越大，均方差越小，如萬年一遇洪水較百年一遇洪水，均方差相差2～3左右。將σH=f(Ti)代入式(5)，即可求得不同洪水頻率下的漫頂風(fēng)險(xiǎn)率，并將計(jì)算值代入式(2)中，根據(jù)不同的大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)，求出不同級別水庫每年發(fā)生漫頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)率，以壩頂超高Δ(可靠性指標(biāo)β)作為自變量、風(fēng)險(xiǎn)率作為因變量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 不同壩高下的風(fēng)險(xiǎn)率

圖3 漫頂風(fēng)險(xiǎn)率分區(qū)圖

由圖2可知，洪水頻率越小，風(fēng)險(xiǎn)率則越大，但相差不大，如0.01%與1%只相差10%以內(nèi)，表明對于特定的土石壩，遭遇最大洪水時(shí)，其發(fā)生漫頂?shù)闹饕绊戯L(fēng)險(xiǎn)因素為壩頂超高。

由圖3可知，基于防洪標(biāo)準(zhǔn)及大壩安全級別確定了3個(gè)區(qū)，分別為A級、B級與C級區(qū)，其中，A級區(qū)位于下方，C級區(qū)位于上方，B級區(qū)位于中間。表明對于不同的大壩運(yùn)行水平，運(yùn)行條件良好時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)率較小，而運(yùn)行條件差時(shí)，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)率明顯偏大。隨著超高的增大，各分級區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)逐漸接近，即大壩壩頂超高到某一程度時(shí)，大壩的防洪風(fēng)險(xiǎn)與大壩的運(yùn)行水平關(guān)系不大。

2 工程實(shí)例

計(jì)算選取大余縣水庫工程管理局管轄的4座土石壩，分別為油羅口水庫、躍進(jìn)水庫、合江水庫、石門口水庫，該4座水庫均位于贛江支流章江河水系，分別位于在大余縣的東北方向及西南方向。

油羅口水庫校核洪水按5000年一遇計(jì)算，校核洪水位223.53m，壩頂高程226.00m，是一座以防洪為主，兼有供水、發(fā)電、灌溉等綜合效益的大(2)型水利樞紐工程。主壩為混凝土心墻壩。

躍進(jìn)水庫校核洪水按1000年一遇計(jì)算，校核洪水位256.98m，壩頂高程257.10m，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水利樞紐工程。大壩為均質(zhì)土壩。

合江水庫校核洪水按300年一遇計(jì)算，校核洪水位190.15m，壩頂高程193.25m，是一座以灌溉為主，兼有發(fā)電、防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的小(1)型水利樞紐工程。主壩為黏土心墻壩。

石門口水庫校核洪水按300年一遇計(jì)算，校核洪水位226.57m，壩頂高程228.14m，是一座以灌溉為主，兼有發(fā)電、防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的小(1)型水利樞紐工程。主壩為黏土心墻壩。

將各水庫參數(shù)代入模型中，計(jì)算結(jié)果見表2和圖4。

表2顯示，不同的大壩漫頂風(fēng)險(xiǎn)差異較大，大壩等級越小，安全等級越低，漫頂風(fēng)險(xiǎn)越高，如合江與石門口水庫的漫頂風(fēng)險(xiǎn)均在10-4級別，而油羅口水庫的漫頂風(fēng)險(xiǎn)在10-6級別，符合人們對不同等級大壩的預(yù)期。

表2 大壩洪水漫頂風(fēng)險(xiǎn)率

圖4 4座水庫的防洪風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)圖

由圖4可知，油羅口水庫年均漫頂風(fēng)險(xiǎn)率在A級區(qū)，躍進(jìn)水庫在B級區(qū)，符合防洪風(fēng)險(xiǎn)的分區(qū)要求；而石門口與合江水庫在C級區(qū)，與對應(yīng)的安全級別不符，表明該水庫的防洪風(fēng)險(xiǎn)不滿足分區(qū)要求，應(yīng)采取降低風(fēng)險(xiǎn)措施。

3 討 論

由于漫頂風(fēng)險(xiǎn)率分區(qū)圖是基于《導(dǎo)則》中防洪等級確定的，其中防洪標(biāo)準(zhǔn)是在大量的工程經(jīng)驗(yàn)上總結(jié)出來的，因此，分區(qū)圖界線作為不同級別的土石壩風(fēng)險(xiǎn)閥值是能夠接受的。因此，工程案例所計(jì)算的4個(gè)水庫風(fēng)險(xiǎn)分布圖中，油羅口水庫及躍進(jìn)水庫的風(fēng)險(xiǎn)率在對應(yīng)的分區(qū)內(nèi)，而另外兩座小(1)型水庫，風(fēng)險(xiǎn)分布在C級區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)率高于相應(yīng)的分區(qū)，應(yīng)采取降低風(fēng)險(xiǎn)措施，最直接的措施便是提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，將洪水標(biāo)準(zhǔn)提高至500年一遇，或壩頂超高提高至1m，則能將年均大壩漫頂風(fēng)險(xiǎn)率降至相應(yīng)的分級區(qū)域。因此，可根據(jù)大壩的風(fēng)險(xiǎn)率分區(qū)圖，計(jì)算大壩風(fēng)險(xiǎn)率，為大壩的風(fēng)險(xiǎn)決策提供技術(shù)依據(jù)。

值得注意的是，本文討論的漫頂風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)與大壩可接受標(biāo)準(zhǔn)[7]考慮的角度不同，大壩可按受標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮了下游的人民生命、經(jīng)濟(jì)、社會環(huán)境等因素，而本文風(fēng)險(xiǎn)接受區(qū)間只是針對大壩自身的安全，因此，如何銜接兩種接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，是今后要討論的課題。

4 結(jié) 論

本文以壩頂超高作為評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)分析模型，定量分析了壩頂超高與防洪風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系；結(jié)合《導(dǎo)則》有關(guān)大壩安全等級的劃分，建立了大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)等級分區(qū)圖；實(shí)例計(jì)算表明：對于小型水庫，由于其防洪標(biāo)準(zhǔn)低，防洪風(fēng)險(xiǎn)率較大，而對于大中型水庫，其防洪風(fēng)險(xiǎn)率則在相應(yīng)的分區(qū)范圍內(nèi)。本文研究可為大壩防洪與風(fēng)險(xiǎn)分析提供決策依據(jù)。