基于可靠性理論的水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法

饒 奇，蔣春宇

(沈陽(yáng)市文林水土工程設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

根據(jù)當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，以及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別觀念的引入，使得當(dāng)前水電站大壩管理模式逐漸由傳統(tǒng)的安全管理向著風(fēng)險(xiǎn)管控的方向發(fā)展。針對(duì)水電站大壩的風(fēng)險(xiǎn)分析、管理和控制，主要是通過(guò)對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施一整套完整的政策和程序完成的，是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、評(píng)估、處理和監(jiān)控的一系列管理過(guò)程。風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是水電站大壩風(fēng)險(xiǎn)分析中的第一環(huán)，而大壩的滲流風(fēng)險(xiǎn)又是直接影響風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性的重要因素[1]。因此，如何客觀、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別，是水電站未來(lái)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要研究?jī)?nèi)容?？煽啃岳碚撌且环N通過(guò)系統(tǒng)性的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)普遍數(shù)據(jù)規(guī)律分析、評(píng)價(jià)和控制的理論。在整個(gè)體系運(yùn)行過(guò)程中，其組成成分越多，關(guān)系相對(duì)越復(fù)雜，體系與效力的可靠性越低。通過(guò)這一理論實(shí)現(xiàn)對(duì)不同領(lǐng)域中各類風(fēng)險(xiǎn)的有效識(shí)別。針對(duì)當(dāng)前水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別過(guò)程中存在的局限性、不確定性等問(wèn)題，本文結(jié)合可靠性理論，開(kāi)展對(duì)水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法的設(shè)計(jì)研究。

1 基于可靠性理論的水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法設(shè)計(jì)

1.1 滲流風(fēng)險(xiǎn)影響因子選擇

滲流時(shí)水電站大壩常見(jiàn)的病險(xiǎn)癥狀之一，通常發(fā)生滲流同時(shí)會(huì)伴隨著流土、接觸沖刷、接觸流失等危險(xiǎn)事故。當(dāng)發(fā)生滲流時(shí)，水電站大壩原有的土體顆粒物會(huì)受到水的流動(dòng)作用從原本的位置上被沖刷，進(jìn)而造成大壩土體結(jié)構(gòu)的移動(dòng)或流失，對(duì)大壩造成嚴(yán)重的安全威脅。因此在選擇水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)影響因子時(shí)，將大壩實(shí)際滲流比降大于臨界滲流比降作為大壩滲流的發(fā)生條件。其中實(shí)際滲流比降可通過(guò)實(shí)際測(cè)量獲得，臨界滲流比降可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定[2]。一旦受到某些影響因素造成水電站大壩某個(gè)部位的實(shí)際滲流比降大于臨界滲流比降，大壩將產(chǎn)生滲流的風(fēng)險(xiǎn)，而這些因素即為水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)影響因子。

將水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)影響因子劃分為內(nèi)部影響因子和外部影響因子兩種。對(duì)于大壩壩體而言，主要內(nèi)部影響因子包括孔隙比P1、干密度P2、黏粒含量P3等。當(dāng)上述參數(shù)與正常數(shù)值之間產(chǎn)生較大偏差時(shí)，則說(shuō)明存在滲流風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)一步影響滲流的系數(shù)。針對(duì)大壩壩基而言，其內(nèi)部影響因子主要包括基巖巖性P4、斷層裂縫特性P5以及壩基透水性P6等。當(dāng)水電站大壩存在險(xiǎn)情，若壩體和壩基同時(shí)發(fā)生滲流時(shí)，則會(huì)進(jìn)一步增加水電站大壩出現(xiàn)滲流破壞的風(fēng)險(xiǎn)。外部影響因子主要包括大壩所承受的荷載問(wèn)題，包括在上游水位P7、下游水位P8、洪水歷時(shí)P9等情況下荷載的變化。

1.2 基于可靠性理論的大壩滲流破壞概率估計(jì)

第一步：確定水電扎大壩的幾何模型以及多個(gè)滲流邊界條件。以二維滲流分析為主，確定大壩的幾何尺寸，包括大壩高度、壩坡角度，將邊界條件設(shè)置為上下游水位。

第二步：獲取水電站大壩各個(gè)層次材料的滲透系數(shù)平均值、方差以及相關(guān)距離等參數(shù)。在獲取上述參數(shù)時(shí)，可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式、室內(nèi)試驗(yàn)以及野外原位試驗(yàn)等方式。同時(shí)，一般滲透系數(shù)滿足對(duì)數(shù)的正態(tài)分布要求，因此也可通過(guò)正態(tài)分布的方式獲取各項(xiàng)參數(shù)。

第三步：對(duì)隨機(jī)場(chǎng)進(jìn)行離散處理，通過(guò)局部平均法或中心法實(shí)現(xiàn)。

第四步：對(duì)有限元網(wǎng)格和隨機(jī)場(chǎng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一劃分。為了方便后續(xù)對(duì)大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，劃分網(wǎng)格時(shí)，可通過(guò)將有限網(wǎng)格和隨機(jī)場(chǎng)網(wǎng)格共用同一套網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)，以此將兩種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上的特性相互賦予。

第五步：進(jìn)行有限元確定性計(jì)算。針對(duì)上述已經(jīng)完成隨機(jī)場(chǎng)特性賦予操作的水電站大壩有限元模型進(jìn)行確定性分析和計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中采用滲流計(jì)算軟件完成[3]。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以準(zhǔn)確地完成對(duì)大壩坡度的具體反映，若滲透坡度超過(guò)臨界滲流坡度值時(shí)，則判斷該結(jié)構(gòu)已經(jīng)失效，大壩滲流破壞概率增加。

第六步，計(jì)算具體的大壩滲流破壞概率。重復(fù)上述第一步～第五步操作N次，并將其作為樣本數(shù)據(jù)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)大壩滲流的樣本數(shù)量，計(jì)算已經(jīng)發(fā)生大壩滲流破壞的樣本數(shù)量與總體樣本之間的比值，得出的數(shù)據(jù)結(jié)果即為滲流破壞的概率。

1.3 水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

在完成上述相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，可基本掌握大壩滲流帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)與潰壩潛在的危險(xiǎn)，因此，本章將根據(jù)上述研究成果，對(duì)水電站大壩發(fā)生時(shí)可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)研究成果進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中，可按照滲流現(xiàn)象發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)率，進(jìn)行安全事故發(fā)生的后果系數(shù)相乘的方法，統(tǒng)計(jì)安全評(píng)估數(shù)值。并以此為依據(jù)，分析水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值或系數(shù)落在的具體區(qū)域，從而判斷風(fēng)險(xiǎn)為可控制風(fēng)險(xiǎn)、可自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)、不可控制風(fēng)險(xiǎn)、可解決風(fēng)險(xiǎn)、極高行為風(fēng)險(xiǎn)等。在完成滲流風(fēng)險(xiǎn)的確定后，分析是否應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)處理，或應(yīng)采用哪種有效的風(fēng)險(xiǎn)處理方式。

參照傳統(tǒng)水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法，在實(shí)際計(jì)算中，將風(fēng)險(xiǎn)按照影響范圍對(duì)其進(jìn)行劃分?？煞譃椋簜€(gè)體風(fēng)險(xiǎn)、群體風(fēng)險(xiǎn)、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等。根據(jù)上述分析，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下。

(1)

式中：RI表示為水電站大壩出現(xiàn)滲流現(xiàn)象時(shí)，個(gè)體行為出現(xiàn)的生命危險(xiǎn)系數(shù)；Pf表示為水電站大壩可能出現(xiàn)的滲流現(xiàn)象發(fā)生概率；Pd/f表示為在水電站大壩發(fā)生滲流現(xiàn)象時(shí)，生命個(gè)體可能呈現(xiàn)的最高死亡概率。根據(jù)上述計(jì)算公式，對(duì)大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。見(jiàn)表1。

表1 水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)

按照上述表1中內(nèi)容與上述計(jì)算公式，將水電站大壩風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行對(duì)照，按照水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)，輸出滲流風(fēng)險(xiǎn)類型，通過(guò)將得出的數(shù)據(jù)結(jié)果與滲流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行對(duì)比，完成對(duì)大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別。當(dāng)水電站大壩風(fēng)險(xiǎn)位于極高類型時(shí)，必須采取相應(yīng)的措施降低風(fēng)險(xiǎn)，以減少對(duì)周圍環(huán)境、人員等造成的影響，保證水電站的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

選擇某水電樞紐作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該水電站建立在河流支流上，該水電站當(dāng)中的主要建筑物包括：混凝土重力壩段、廠房壩段、泄洪閘段等。該水電站整體為三級(jí)工程，建筑物在建設(shè)初期的施工等級(jí)為3級(jí)。大壩自開(kāi)始動(dòng)工至今，使用年限超過(guò)了20 a。該水電站當(dāng)中用于工程設(shè)施監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目包括壩體變形監(jiān)測(cè)、垂直位移監(jiān)測(cè)、泄洪量監(jiān)測(cè)等，但針對(duì)大壩的滲流量監(jiān)測(cè)并未涉及。因此，分別選擇本文設(shè)計(jì)的基于可靠性理論的水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法和傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法對(duì)大壩的滲流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并判斷其可能存在安全隱患的評(píng)價(jià)結(jié)果。為方便對(duì)兩種識(shí)別方法的比較，選擇將相對(duì)貼近度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于判斷兩種識(shí)別方法的實(shí)際應(yīng)用效果。相對(duì)貼近度的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：λ表示為兩種方法的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果的相對(duì)貼近度；ε表示為各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子的相對(duì)貼近度；y表示為各個(gè)評(píng)價(jià)識(shí)別指標(biāo)的正理想解。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，并根據(jù)上述公式計(jì)算兩種識(shí)別方法的相對(duì)貼近度，繪制成實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表見(jiàn)表2。

表2 兩種識(shí)別方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可以看出，本文識(shí)別方法的相對(duì)貼近度明顯高于傳統(tǒng)識(shí)別方法的相對(duì)貼近度。由于相對(duì)貼近度的數(shù)值越高，說(shuō)明識(shí)別的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性越高。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于可靠性理論的水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法與傳統(tǒng)識(shí)別方法相比可有效提高識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)水電站大壩防護(hù)措施的方案設(shè)計(jì)提供有力幫助。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以水電站大壩的滲流風(fēng)險(xiǎn)作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)影響其發(fā)生滲流風(fēng)險(xiǎn)的各項(xiàng)因素進(jìn)行分析，提出一種基于可靠性理論的水電站大壩滲流風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。針對(duì)不同工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)價(jià)在水電站大壩領(lǐng)域中具有較為廣闊的發(fā)展前景，本文在設(shè)計(jì)識(shí)別方法時(shí)，對(duì)于經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)等方面的影響，并未過(guò)多涉及。因此，在后續(xù)的研究中還將對(duì)各類影響因素進(jìn)行綜合分析，以提出一種更加完善的識(shí)別方法。