考慮風(fēng)險(xiǎn)與社會(huì)支付意愿的大壩長(zhǎng)效服役決策

陳 波,黃梓莘,鄭付剛,吳邦彬

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心,江蘇 南京 210098; 3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 4. 中國(guó)電建成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 四川 成都 610072)

長(zhǎng)期服役的大壩,由于受到多重環(huán)境因素(如凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、溶蝕或侵蝕、堿集料反應(yīng)、溫度疲勞、碳化等)與力學(xué)因素(如水壓力、揚(yáng)壓力等)的長(zhǎng)期作用,其局部和整體服役性態(tài)均會(huì)產(chǎn)生不可逆劣化衰退,給工程安全帶來(lái)極大威脅。據(jù)20世紀(jì)初統(tǒng)計(jì),中國(guó)3 100多座大中型水庫(kù)大壩中約有30%存在不同程度的病險(xiǎn)問(wèn)題,尤其是20世紀(jì)50—70年代修建的大壩,很多工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低、工程質(zhì)量較差,加之后期維護(hù)管理不到位,導(dǎo)致大壩功能喪失,經(jīng)濟(jì)效益衰退,部分甚至有潰壩的危險(xiǎn)[1-2]。水利部大壩安全管理中心統(tǒng)計(jì)顯示, 1954—2014年我國(guó)共有3 530座水庫(kù)大壩潰決[3]。1975年,包括板橋、石漫灘2座水庫(kù)在內(nèi)的62座水庫(kù)大壩潰決,造成2.6萬(wàn)人死亡,1 000多萬(wàn)人受災(zāi)[4]。因此,對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的病險(xiǎn)水庫(kù)采取工程與非工程措施來(lái)提升大壩長(zhǎng)效服役性能,對(duì)于有效降低病險(xiǎn)水庫(kù)大壩服役風(fēng)險(xiǎn),充分發(fā)揮工程的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯得尤為重要。

目前,部分學(xué)者主張建立合適的大壩退役制度以降低病險(xiǎn)水庫(kù)的服役風(fēng)險(xiǎn),截至2012年底,美國(guó)共拆除退役了1 057 座大壩,大多數(shù)為支流上壩高10 m以下的小壩和服役期超過(guò)70 a的老壩,拆除的原因包括經(jīng)濟(jì)效益衰減、結(jié)構(gòu)老化、威脅公共安全和生態(tài)恢復(fù)需要等[5]。然而,大中型水庫(kù)大壩的建設(shè)投資高昂,發(fā)揮的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益巨大,長(zhǎng)期運(yùn)行后拆除帶來(lái)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也較難估量,因此,亟須引入多種技術(shù)手段來(lái)豐富病險(xiǎn)大壩服役性能提升的措施庫(kù)[6]。彭輝等[7]在收集大量文獻(xiàn)和已有研究的基礎(chǔ)上,繪制了病壩拆除決策步驟流程圖,研究了決策過(guò)程中的若干關(guān)鍵問(wèn)題;楊杰等[8]針對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固方案優(yōu)選理論方法的缺失和不足,提出基于區(qū)間數(shù)GRA決策與AHP-Entropy主客觀綜合賦權(quán)的除險(xiǎn)加固方案決策方法。在多種提升病險(xiǎn)大壩長(zhǎng)效服役性能的技術(shù)手段中選擇一個(gè)最優(yōu)處理方案,是一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問(wèn)題,可采用生命質(zhì)量指數(shù)(LQI)來(lái)考量。生命質(zhì)量指數(shù)[9-11]從社會(huì)層面來(lái)優(yōu)化工程風(fēng)險(xiǎn),將風(fēng)險(xiǎn)可接受性作為社會(huì)事件,用來(lái)描述當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平下,公眾為控制風(fēng)險(xiǎn)而愿意支付的費(fèi)用,是風(fēng)險(xiǎn)決策領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[12-13]。

本文主要針對(duì)運(yùn)行多年的大中型病險(xiǎn)水庫(kù)大壩,兼顧大壩安全風(fēng)險(xiǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)支付意愿,綜合考量除險(xiǎn)加固、工程降等、拆除退役、近壩址重建等大壩長(zhǎng)效服役措施的效果,為病險(xiǎn)大壩的長(zhǎng)效服役決策提供參考。

1 大壩長(zhǎng)效服役決策的總體思路

1.1 大壩長(zhǎng)效服役決策的方案集

運(yùn)行多年的水庫(kù)大壩,受交變荷載和環(huán)境因素的長(zhǎng)期作用,會(huì)引起結(jié)構(gòu)損傷開裂、穩(wěn)定安全系數(shù)降低、功能喪失、經(jīng)濟(jì)效益衰退等老化病險(xiǎn)問(wèn)題,對(duì)工程運(yùn)行產(chǎn)生較大安全風(fēng)險(xiǎn)。為保障這些大壩的安全性,應(yīng)在結(jié)構(gòu)可靠度分析或風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上,權(quán)衡工程和非工程措施,合理選擇出安全與經(jīng)濟(jì)最優(yōu)服役方案。對(duì)于不滿足服役可靠性的大中型水庫(kù)大壩,其長(zhǎng)效服役決策的方案集包括除險(xiǎn)加固、工程降等、拆除退役、近壩址重建等。

a. 除險(xiǎn)加固。一般意義上的病險(xiǎn)水庫(kù)指防洪標(biāo)準(zhǔn)不夠、存在安全隱患、不能按照設(shè)計(jì)條件運(yùn)行的水庫(kù)大壩工程。隨著時(shí)間的推移,這些工程自然老化加劇,在極端荷載工況下引起工程損毀的風(fēng)險(xiǎn)高,一旦失事,對(duì)下游的災(zāi)害損失不可估量。應(yīng)對(duì)這些水庫(kù)優(yōu)先采取除險(xiǎn)加固措施以消除安全隱患,提升大壩的長(zhǎng)效服役性能。如20世紀(jì)80年代的佛子嶺水庫(kù)大壩運(yùn)行后產(chǎn)生眾多溫度裂縫,通過(guò)除險(xiǎn)加固的方式至今已安全服役30多年[14]。2007年,中國(guó)制定了《全國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固專項(xiàng)規(guī)劃》,又有86座大型水庫(kù)和1 096座中型水庫(kù)列入除險(xiǎn)加固規(guī)劃中[1]。

b. 工程降等。我國(guó)水利部2003年頒布的《水庫(kù)降等與報(bào)廢管理辦法》(試行)指出,對(duì)于規(guī)模減小或者功能萎縮(如嚴(yán)重淤積、設(shè)計(jì)效益被其他工程代替、抵御洪水標(biāo)準(zhǔn)不能滿足、存在嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題等),且在擴(kuò)建與補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)上不可行或者經(jīng)濟(jì)上不合理的水庫(kù),可將原設(shè)計(jì)等別降低一個(gè)或者一個(gè)以上等別。

c. 拆除退役。對(duì)于病險(xiǎn)嚴(yán)重且除險(xiǎn)加固技術(shù)上不可行或者經(jīng)濟(jì)上不合理的水庫(kù)以及功能基本喪失的水庫(kù),需要采取報(bào)廢退役的處置措施,技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行時(shí)還需要將其拆除,以降低工程風(fēng)險(xiǎn),恢復(fù)生態(tài)平衡。目前,國(guó)際上拆除退役的水庫(kù)大壩除華盛頓州埃爾瓦河上70 m高的格萊斯恩山谷壩和15 m高的埃爾瓦壩,以及南加利福尼亞壩高57.9 m、庫(kù)容2 230萬(wàn)m3的Matilija大壩外,其余絕大多數(shù)為15 m以下的小型工程,建設(shè)投資高昂、工程經(jīng)濟(jì)效益巨大的大中型水庫(kù)大壩工程不多。以防洪、防凌、蓄水、供水和發(fā)電為主要功能的三門峽大壩壩高106 m,水庫(kù)庫(kù)容360億m3,在蓄水運(yùn)行后產(chǎn)生了嚴(yán)重的泥沙淤積,潼關(guān)高程持續(xù)抬高,2003年渭河出現(xiàn)洪峰流量不大但洪水災(zāi)害嚴(yán)重的現(xiàn)象[15],該工程的防洪、防凌、供水等功能已由下游梯級(jí)水庫(kù)小浪底樞紐工程承擔(dān)。目前,是否拆除退役這類社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益不顯著的大中型水庫(kù)大壩還在爭(zhēng)論中。

d. 近壩址重建。鑒于大中型水庫(kù)大壩發(fā)揮的工程經(jīng)濟(jì)效益巨大,倘若水庫(kù)大壩發(fā)生嚴(yán)重病險(xiǎn)且需要報(bào)廢退役,可以考慮在原壩址附近重建一座新壩,通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析綜合考量重建方案投入與工程社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益、原壩拆除費(fèi)用、拆除風(fēng)險(xiǎn)成本等的關(guān)系,爭(zhēng)取獲得最大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。如20世紀(jì)三四十年代建設(shè)的豐滿大壩因材料老化而接近使用壽命,已采取在下游100余米處建立新壩的方案[16],老壩將在工程建設(shè)期作為上游擋水圍堰,建設(shè)完工后沉入新庫(kù)中退役。

1.2 大壩長(zhǎng)效服役決策的技術(shù)路線

首先,長(zhǎng)期運(yùn)行的水庫(kù)大壩每隔6～10 a需進(jìn)行大壩安全定檢,全面檢查大壩在外部作用因素(如庫(kù)水、溫度、地下水、地震等)和內(nèi)部因素(如材料老化、壩體結(jié)構(gòu)變異、基礎(chǔ)變異等)影響下的工作性態(tài),綜合給出大壩服役安全性的定性結(jié)論。其次,采取可靠度分析方法定量計(jì)算大壩運(yùn)行的可靠度。若大壩可靠度滿足安全運(yùn)行要求,則大壩繼續(xù)正常服役；若不滿足,則需要制定大壩服役性能提升方案,即根據(jù)1.1節(jié)給出的方案集,根據(jù)工程條件設(shè)計(jì)滿足大壩服役可靠度要求的方案。最后,對(duì)設(shè)計(jì)備選方案開展決策分析,合理選擇出安全與經(jīng)濟(jì)最優(yōu)服役方案。

2 大壩服役可靠性的評(píng)估方法

大壩的安全可靠性一般采用結(jié)構(gòu)可靠度或服役風(fēng)險(xiǎn)等指標(biāo)來(lái)量化?？傮w來(lái)說(shuō),大壩的可靠性可采用功能函數(shù)Z(T)來(lái)反映:

Z(T)=R(T)-S(T)=g(X1,X2,…,Xn,T)

(1)

式中:R(T)為大壩自身抗力的隨機(jī)變量;S(T)為大壩承受荷載效應(yīng)的隨機(jī)變量;X1、X2、…、Xn為反映大壩可靠度的功能指標(biāo),為隨機(jī)變量;T為時(shí)間。Z(T)>0表示大壩安全可靠,Z(T)<0表示大壩失效破壞,Z(T)=0表示大壩安全處于臨界狀態(tài)。

將大壩服役時(shí)間離散分割成若干個(gè)長(zhǎng)度相等的時(shí)段,則大壩的服役風(fēng)險(xiǎn)率pf可表示為

(2)

式中:fX(x1,x2,…,xn)為大壩功能函數(shù)在時(shí)間域上離散后的概率密度函數(shù)。

假設(shè)大壩可靠性功能函數(shù)滿足均值為μZ、方差為σZ的正態(tài)分布,即Z(T)～N(μZ,σZ),則大壩的服役風(fēng)險(xiǎn)率滿足:

(3)

式中:Φ(·)為可靠度函數(shù);β為可靠度;z為大壩可靠性功能函數(shù)的值。

據(jù)此可得到某一時(shí)刻大壩的可靠度,具體步驟如下:先根據(jù)大壩可能的破壞模式,建立功能函數(shù)式(1),然后搜集各隨機(jī)變量資料,確定統(tǒng)計(jì)參數(shù),根據(jù)式(3)給出的函數(shù)關(guān)系,利用數(shù)值方法計(jì)算大壩的即時(shí)可靠度。

3 大壩長(zhǎng)效服役措施的決策模型

3.1 長(zhǎng)效服役措施的提升效果度量指數(shù)

存在較大服役風(fēng)險(xiǎn)的水庫(kù)大壩,需要采取合理的工程與非工程措施來(lái)提高大壩可靠性。不同的措施對(duì)大壩可靠度的提升效果不同,其經(jīng)濟(jì)投入和對(duì)社會(huì)的影響往往也有較大差異。引入生命質(zhì)量指數(shù)來(lái)衡量社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平提高和人們生活質(zhì)量改善對(duì)大壩長(zhǎng)效安全服役要求的綜合提升。

生命質(zhì)量指數(shù)將人們享受生活的程度歸結(jié)生命效用(lifetime utility),即余生的消費(fèi)總量,考慮到一個(gè)人可以用來(lái)享受的資源以及用于娛樂(lè)的時(shí)間這兩個(gè)決定生命質(zhì)量的主要因素,則人的生命效用期望值可表示為

(4)

式中:fS(τ)為人活到年齡τ的概率密度函數(shù);c(τ)為當(dāng)年消費(fèi)水平;u[c(τ)]表示消費(fèi)實(shí)現(xiàn)的生命效用函數(shù);a為人的即時(shí)年齡;t為死亡年齡;r為折現(xiàn)率;tu為人類最大年齡上限，tu≈100。

(5)

式中:er(a)為該人剩余折現(xiàn)壽命。

社會(huì)層面上的生命質(zhì)量是所有個(gè)體生命質(zhì)量的綜合體現(xiàn),社會(huì)生命質(zhì)量指數(shù)應(yīng)該是L(a)在人口年齡和消費(fèi)水平分布上的積分。假設(shè)全社會(huì)平均消費(fèi)水平等于實(shí)際人均年國(guó)民生產(chǎn)總值G,人口年齡分布為f(a),則社會(huì)層面上的生命質(zhì)量指數(shù)為

(6)

式中:E為社會(huì)人口的平均折現(xiàn)壽命期望值;q為效用彈性指標(biāo)。

大壩的任何長(zhǎng)效服役措施,都會(huì)影響周邊地區(qū)人們的生命質(zhì)量指數(shù)。如大壩需要降低水位運(yùn)行時(shí),此時(shí)可能導(dǎo)致枯水期發(fā)電、灌溉、航運(yùn)或城鎮(zhèn)供水的水量減少,使得人均年國(guó)民生產(chǎn)總值減小,但是水位的降低降低了大壩失事的風(fēng)險(xiǎn),提高了下游人們財(cái)產(chǎn)和生命的保證率[17]?；趦羰找鏈?zhǔn)則,服役提升方法應(yīng)使生命質(zhì)量指數(shù)的微小相對(duì)變化為正(表示人們生活水平提高),即

(7)

式中:dG為某提升方法引起的經(jīng)濟(jì)損失(如實(shí)施工程加固措施所需要的費(fèi)用，為負(fù)值)或經(jīng)濟(jì)收益(如水庫(kù)水位提高帶來(lái)的效益，為正值)的變化;dE為由于風(fēng)險(xiǎn)改變導(dǎo)致的公眾預(yù)期壽命期望值的變化;dq為該措施引起的效用彈性指標(biāo)的變化，該指標(biāo)難以直接量化,可以近似認(rèn)為dq=0。

式(7)中壽命期望值的相對(duì)變化量dE/E,可以通過(guò)死亡率改變的經(jīng)驗(yàn)公式[18]來(lái)計(jì)算:

(8)

式中:m0為自然死亡率;CFδ為常量,是人活到某一年齡概率的度量,其值隨著時(shí)代的發(fā)展而變化。

因此,根據(jù)采取長(zhǎng)效服役措施前后的生命質(zhì)量指數(shù)的變化,可以度量提升效果和經(jīng)濟(jì)投入的合理性。當(dāng)dL為正時(shí),表示該提升方法滿足社會(huì)公眾對(duì)大壩風(fēng)險(xiǎn)控制和經(jīng)濟(jì)投入的要求,是較合理的提升方法,并且dL值越大表示該方法越能滿足社會(huì)發(fā)展目標(biāo)。

3.2 基于生命質(zhì)量指數(shù)的長(zhǎng)效服役措施決策判據(jù)

根據(jù)圖1所示大壩長(zhǎng)效服役決策技術(shù)路線,基于生命質(zhì)量指數(shù)建立大壩服役性能提升措施的決策模型，如圖2所示。其核心思想是首先對(duì)大壩采取服役性能提升方法的前后進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,并計(jì)算該方法所導(dǎo)致人們生活質(zhì)量指數(shù)的變化,然后根據(jù)生活質(zhì)量指數(shù)的相對(duì)變化dL/L確定該提升方法的優(yōu)劣:

(9)

圖1 大壩長(zhǎng)效服役決策技術(shù)路線

當(dāng)有多個(gè)可以接受的提升方法時(shí),優(yōu)先選擇dL/L值最大的方法,因?yàn)樵摲椒ū绕渌椒ǜ芨纳迫藗兊纳钯|(zhì)量。

圖2 基于生命質(zhì)量指數(shù)的大壩服役性能提升措施決策模型

大壩服役性能提升方法風(fēng)險(xiǎn)決策的另外一個(gè)很重要的指標(biāo)是人們可接受的費(fèi)用支出水平即社會(huì)支付意愿(societal willingness to pay,SWTP),該指標(biāo)來(lái)源于Hicks[19]提出的補(bǔ)償變動(dòng)。人均SWTP可以令dL/L=0得到:

(10)

假設(shè)該大壩失事風(fēng)險(xiǎn)涉及的人群數(shù)為N,則SWTP總和為

(11)

因此,若要確定為控制大壩服役風(fēng)險(xiǎn)而投入的資金Cin是否合理時(shí),可以根據(jù)SWTP來(lái)確定:

(12)

4 算 例

某水利樞紐工程以發(fā)電為主,兼有防洪、灌溉等綜合效益。擋水建筑物為混凝土重力壩,最大壩高100 m,壩底高程0 m,壩頂寬度7 m,壩基寬度74.5 m,水庫(kù)正常蓄水位95 m,下游水位10 m,調(diào)節(jié)庫(kù)容11.22億m3。水庫(kù)下游為狹窄的河道,風(fēng)險(xiǎn)人口達(dá)46萬(wàn)。由于主客觀條件的限制,工程建成后遺留下很多問(wèn)題,最突出的是壩基加固處理不徹底,存在斷層破碎帶、裂隙密集帶等不良地質(zhì)情況,壩基抗剪強(qiáng)度較差,滲透性較大,使得壩體與壩基抗滑穩(wěn)定成為威脅壩體穩(wěn)定的最大風(fēng)險(xiǎn),工程薄弱壩段的揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.6,摩擦因數(shù)f′和黏聚力C′分別為1和800 kN/m2。

運(yùn)行管理者有4種供選擇的大壩服役性能提升措施:措施1為維持現(xiàn)狀;措施2為水庫(kù)降低10 m運(yùn)行;措施3為大壩補(bǔ)強(qiáng)加固,由于該混凝土壩缺陷明顯,可以快速確定大壩補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)措施,即壩基固結(jié)灌漿和帷幕灌漿;措施4在壩址下游新建一座同等規(guī)格的大壩。下面采用基于生命質(zhì)量指數(shù)的服役性能提升措施決策方法對(duì)4種措施進(jìn)行比較,從而確定最優(yōu)措施。

首先計(jì)算不同提升措施下的大壩失事風(fēng)險(xiǎn),并進(jìn)行失事后果分析。由于大壩失事風(fēng)險(xiǎn)因素較多,此處以風(fēng)險(xiǎn)最大的大壩失穩(wěn)為例開展計(jì)算,并近似作為大壩風(fēng)險(xiǎn)率。

4.1 大壩失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算

由于沒(méi)有進(jìn)行壩基面上混凝土抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn),此處采用常規(guī)抗滑穩(wěn)定公式,取水的容重為10 kN/m3,混凝土容重為24 kN/m3,根據(jù)壩體幾何參數(shù)和壩體混凝土與基巖接觸面抗剪斷強(qiáng)度公式,建立重力壩壩段抗滑穩(wěn)定功能函數(shù):

20Hu-372.5Huα+372.5Hdα)f′+

(13)

式中:Hu和Hd分別為上游水位和下游水位;α為揚(yáng)壓力折減系數(shù)。

預(yù)計(jì)壩基加固處理后,α由0.6降低為0.3;f′和C′分別提高到1.2和1 000 kN/m2,黏聚力變異系數(shù)降到0.2。另外,設(shè)上下游水位的相關(guān)系數(shù)為0.5;f′和C′的相關(guān)系數(shù)為0.6。采用廣義隨機(jī)空間迭代方法[20]求解可靠度,表1給出了大壩維持現(xiàn)狀時(shí),大壩失穩(wěn)計(jì)算的具體迭代過(guò)程。其余可靠度求解過(guò)程同表1,不再羅列。不同長(zhǎng)效服役措施下大壩可靠度及對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率見(jiàn)表2。

表1 大壩失穩(wěn)計(jì)算迭代過(guò)程

表2 不同措施下的大壩可靠度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率

4.2 失事后果分析

由于水庫(kù)地處山區(qū),壩體較高,屬于高洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū),取洪水強(qiáng)度為1。鑒于水庫(kù)庫(kù)容越小從大壩出現(xiàn)失事征兆到完全失事的時(shí)間越長(zhǎng)的事實(shí),結(jié)合我國(guó)國(guó)情,假設(shè)水庫(kù)正常水位運(yùn)行時(shí),大壩失穩(wěn)提前預(yù)警時(shí)間為10 min;采用措施2時(shí),大壩失穩(wěn)提前預(yù)警時(shí)間為15 min。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[21],計(jì)算預(yù)警時(shí)間為10 min時(shí),生命損失約為3 000人。同理,可計(jì)算預(yù)警時(shí)間為15 min時(shí),洪水造成的下游生命損失約為2 340人。

由于經(jīng)濟(jì)損失涉及面廣,內(nèi)容繁雜,全面精確計(jì)算困難較大,且水庫(kù)庫(kù)容不同對(duì)下游造成的損害不同。設(shè)水庫(kù)正常水位運(yùn)行時(shí)大壩失穩(wěn)造成的下游經(jīng)濟(jì)損失為100億,水庫(kù)水位降低10 m運(yùn)行時(shí)大壩失穩(wěn)造成的經(jīng)濟(jì)損失為80億。

除去大壩失穩(wěn)對(duì)下游造成的經(jīng)濟(jì)損失外,措施2、3和4本身也會(huì)帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)損失或費(fèi)用。以補(bǔ)強(qiáng)加固方案為例,大壩壩基加固工程投資合計(jì)近1 500萬(wàn)元,另外由于大壩以發(fā)電為主,水庫(kù)降低水位運(yùn)行,勢(shì)必會(huì)造成發(fā)電效益的損失。根據(jù)水庫(kù)容積曲線得到水位降低10 m時(shí),庫(kù)容減少Vw=5.6×108億m3,以每度電0.3元接入電網(wǎng)計(jì)算,當(dāng)出力系數(shù)取0.7時(shí),大壩補(bǔ)強(qiáng)加固期間,措施2造成的每年發(fā)電經(jīng)濟(jì)損失約為2 945萬(wàn)元。

4.3 基于生命質(zhì)量指數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)決策

首先要確定與生命質(zhì)量指數(shù)有關(guān)的基本社會(huì)經(jīng)濟(jì)參數(shù),取該樞紐當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為全國(guó)平均水平。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[22],2013年人口自然死亡率m為0.716%,人均預(yù)期壽命為74.90歲,人均年國(guó)民生產(chǎn)總值為41 908元。

根據(jù)文獻(xiàn)[21],結(jié)合中國(guó)國(guó)情,取CFδ=0.19,不考慮社會(huì)環(huán)境影響對(duì)效用彈性指數(shù)的影響,取q=0.2。壽命期望值的變化與具體措施的風(fēng)險(xiǎn)率有關(guān),以措施2相對(duì)于措施1為例,計(jì)算死亡率的改變量dm=-2.84×10-5。將該值帶入下式計(jì)算得到壽命期望值的改變量

(14)

利用以上數(shù)據(jù),可以對(duì)以上4種措施進(jìn)行生命質(zhì)量指數(shù)準(zhǔn)則判斷,其具體分析過(guò)程和數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3中可以看出:

a. 長(zhǎng)效服役措施234的生命質(zhì)量指數(shù)變化均為正,表明采取這3種措施中的任一種都比維持現(xiàn)狀的措施要優(yōu)越。

b. 措施2生命質(zhì)量指數(shù)改變量為0.000 89,提升幅度最大,措施3的生命質(zhì)量指數(shù)提升比措施2稍小,措施4的生命質(zhì)量指數(shù)提升相較措施23小得多,因此,大壩運(yùn)行管理者應(yīng)優(yōu)先選擇措施2或措施3來(lái)提升大壩服役性能。

表3 生命質(zhì)量指數(shù)準(zhǔn)則分析

5 結(jié) 語(yǔ)

本文探討了國(guó)內(nèi)外提升大壩服役性能的可選措施,綜合考慮大壩安全服役風(fēng)險(xiǎn)度和社會(huì)支付意愿,提出了生命質(zhì)量指數(shù)相對(duì)變化量最大的大壩服役性能提升措施的決策模型。以存在一定壩體穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)的某混凝土重力壩為例,計(jì)算了該壩的可靠度和不同措施下的工程失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率,估算了工程失事可能造成的生命損失和社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失,最后,根據(jù)當(dāng)時(shí)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,計(jì)算了各措施的生命質(zhì)量指數(shù)改變量。計(jì)算結(jié)果建議采取水庫(kù)水位降低10 m運(yùn)行或大壩補(bǔ)強(qiáng)加固的措施來(lái)提升大壩長(zhǎng)期服役的性能,這一決策結(jié)果與專家想法和工程實(shí)際吻合。實(shí)例中,為了更清晰地說(shuō)明問(wèn)題,采用常量簡(jiǎn)化了一些隨時(shí)間變化的參數(shù)。例如表3中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的年際差異被忽視了。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)該按照年度列出大壩下一次全面檢查前(一般在未來(lái)的6～10 a之間)的所有生命質(zhì)量指數(shù)相對(duì)改變量,以此綜合選擇一個(gè)最優(yōu)措施。