基于風險矩陣的大壩安全風險因素監(jiān)測及預警

呂高峰

(1.中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.國家水電站大壩安全和應急工程技術中心，浙江 杭州 310014)

我國已建成近10萬座大壩，受大壩自身缺陷，以及地震、洪水等外部因素影響，部分大壩面臨一定的安全風險。國外不少國家，如加拿大、澳大利亞、美國、荷蘭等，正在逐步建立水庫大壩風險評估管理體系和標準，我國也做了很多風險評估的相關工作[1]。大壩安全風險評估可充分考慮各種環(huán)境因素以及大壩結(jié)構(gòu)本身所存在的種種不確定性對大壩安全運行的影響，能反映一旦大壩失事所造成的后果對大壩安全性的要求，能綜合考慮大壩運行、社會、環(huán)境、經(jīng)濟、人員等方面的要求，因此，對大壩安全狀況所做出的評價更符合實際要求[2]。針對風險評估的成果，可通過事件推演建立風險路徑，對風險路徑上的條件進行監(jiān)測和預警，實現(xiàn)數(shù)字化動態(tài)管控。

1 風險評估基本原理

大壩安全風險評估通過分析與計算，確定各種風險發(fā)生的可能性，以及大壩發(fā)生風險事故后所造成的損失，由此得出大壩的風險等級，從而依據(jù)接受準則制定針對性的應對策略和控制方案。風險可以表示為后果和概率的函數(shù)[3]，即

R=f(P,C)

(1)

式中：R為風險；P為失事概率；C為對應的失事后果或風險損失程度。

下面以大壩安全為分析對象，開展大壩安全風險評估。

(1) 風險識別

風險識別用來識別可能引起大壩產(chǎn)生風險的風險源。風險源可以是內(nèi)部的，也可以是外部的。外部的風險源包括地震、臺風、強降雨、超標準洪水(含上游非正常泄水)等自然環(huán)境因素，也包括上游可能失事的大壩、養(yǎng)魚的網(wǎng)箱、船只、滑坡體、泥石流溝等；內(nèi)部的風險源包括組成大壩樞紐建筑物的大壩、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物、導流洞堵頭(含底孔)、船閘、升船機、魚道、過木建筑物、工程基礎、閘門及啟閉機等。

(2) 風險分析

風險分析指對各個風險源推演可能發(fā)生的風險事件。一個風險事件可能產(chǎn)生另一個更為嚴重的風險事件，建議依據(jù)實際情況進行風險事件推演，建立風險路徑圖，對每個風險事件進行可能性和風險損失分析，確定風險等級。大壩安全風險事件包括潰壩、漫壩、滑坡、泥石流、水淹廠房、堰塞湖、壩體壩基滲透破壞、壩體壩坡失穩(wěn)、泄水及消能設施沖刷破壞、泄水建筑物進水口淤堵、泄水閘門啟閉設備和電源故障等。

(3) 風險評價

對于不同等級的風險應分別采取接受風險、降低風險和規(guī)避風險等措施，制定風險源的日常管理措施和風險事件的應急應對措施。

2 基于風險矩陣的風險等級確定

2.1 后果級別

目前，國內(nèi)普遍依據(jù)對環(huán)境影響、社會影響、傷亡和直接經(jīng)濟損失等情況評估確定風險損失嚴重程度。考慮到風險管控的本身是水電站大壩，漫壩、潰壩是造成更大損失的直接原因，對大壩運行的影響也作為評估風險損失嚴重程度的依據(jù)[4-5]，將損失等級分為5級(表1)。不直接造成傷亡或直接經(jīng)濟損壞的，以最大可能造成大壩事故的傷亡和經(jīng)濟損失來確定。

表1 風險損失嚴重程度評估依據(jù)

2.2 可能性級別

風險發(fā)生可能性等級分為5級，其對應的概率或頻率值見表2。

表2 風險發(fā)生可能性評估依據(jù)

2.3 風險等級

依據(jù)風險損失嚴重程度(1～5級)和風險發(fā)生可能性等級(1～5級)確定的風險矩陣見表3，表中風險值為(1～5級)和風險發(fā)生可能性等級(1～5級)的乘積。依據(jù)確定的風險值對照表4風險值范圍，確定風險等級[4-5]。不同的風險等級對應不同的預警等級、接受準則、應對策略和控制方案。

表3 風險矩陣R和風險值確定表

表4 各風險等級接受準則與應對措施

3 事件推演建立風險路徑

通過風險評估，建立大壩面臨的各類風險的路徑。大壩運行安全風險主要包括構(gòu)筑物類、金屬結(jié)構(gòu)類、設備設施類、管理類、環(huán)境類等，其中環(huán)境類包括地震、山洪、泥石流、山體滑坡等(表5)。近幾年，我國大壩遭遇影響較大的，如汶川紫坪鋪震損、白格堰塞湖、牛欄江堰塞湖、龍?zhí)赌嗍鞯戎卮蟠髩伟踩L險均屬于環(huán)境類風險。環(huán)境類風險已經(jīng)是目前影響我國大壩安全最為重要的一類風險。

表5 大壩工程運行主要風險項目

以李家峽水電站庫區(qū)滑坡體和假定的監(jiān)測為例，李家峽水電站位于黃河干流，青海省境內(nèi)尖扎縣和化隆縣交界處，距西寧市112 km。壩址以上控制流域面積13 674 km2，水庫正常蓄水位2 180 m，1 千年一遇設計洪水位2 181.3 m，1萬年一遇校核洪水位2 182.6 m。水庫總庫容17.5×108m3，電站總裝機容量2 000 MW，屬一等大(1)型工程。大壩及泄洪建筑物、廠房等為1級建筑物。壩址區(qū)地震基本烈度為7度，設防烈度為8度。

以李家峽水電站工程庫區(qū)的滑坡體為例：該滑坡群壩前右岸高350～400 m陡崖的頂部，距大壩1.2～2.5 km，巖性由黃土、紅層和混合巖夾片巖組成，單個滑坡一般寬約180～350 m，長約170～1 000 m，厚度約10～30 m，體積約170×104～580×104m3?；麦w前緣蠕滑，后緣拉裂、錯坎、陷穴形跡顯著。

通過事件推演(圖1)，滑坡體可能造成涌浪或堰塞湖，堰塞湖處置不當可能造成漫壩?；麦w造成涌浪事件的可能性為“中等”，損失等級為“較大”；滑坡體成堰塞體事件的可能性為“較低”，損失等級為“較大”；堰塞體處置不當造成漫壩事件的可能性為“較低”，損失等級為“重大”。

圖1 李家峽滑坡體基于事件推演的風險路徑圖

4 監(jiān)測預警及其實踐

針對該滑坡體可能導致滑坡的原因進行分析，除地質(zhì)條件外，強降雨、人工排水不當是重要的誘發(fā)因素。以風險事件涌浪為例進行分析，降雨量和地下水位對滑坡體產(chǎn)生涌浪的可能性影響見表6[6-8]。大壩及近壩庫岸建立了大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)，設置了變形、滲流、應力應變、環(huán)境量(庫水位、降雨量、氣溫)的實時監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測大壩和滑坡體的實時監(jiān)測成果。同時，建立了水情測報系統(tǒng)，可以預測未來的降雨情況。

表6 李家峽水電站庫區(qū)滑坡體產(chǎn)生涌浪的可能性監(jiān)測 預警條件統(tǒng)計表

基于上述條件，對滑坡體產(chǎn)生涌浪條件的降雨量和地下水位進行自動化實時監(jiān)測和預報，對滑坡體產(chǎn)生風險的可能性進行監(jiān)控和預警，實現(xiàn)數(shù)字化動態(tài)管控。

通過已建成的大壩安全監(jiān)測平臺的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，再集成氣象(降雨、氣溫)預報、臺風預警信息、洪水預報、實時地震信息，實現(xiàn)對各類大壩安全風險進行監(jiān)測和預警。

5 結(jié) 語

基于風險矩陣的大壩安全風險評估，通過事件推演建立風險路徑，對風險進行監(jiān)測和預警，實現(xiàn)數(shù)字化動態(tài)管控。

5.1 總結(jié)大壩安全的風險源

風險源包含內(nèi)部的，也包含外部的。外部的風險源包括地震、臺風、強降雨、超標準洪水(含上游非正常泄水)等自然環(huán)境因素，也包括上游可能失事的大壩、養(yǎng)魚的網(wǎng)箱、船只、滑坡體、泥石流溝等；內(nèi)部的風險源包括組成大壩樞紐建筑物的大壩、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物、導流洞堵頭(含底孔)、船閘、升船機、魚道、過木建筑物、工程基礎、閘門及啟閉機等。

5.2 評估風險事件

基于風險評估，依據(jù)實際情況進行風險事件推演，提出風險路徑圖。大壩安全風險事件包括潰壩、漫壩、滑坡、泥石流、水淹廠房、堰塞湖、壩體壩基滲透破壞、壩體壩坡失穩(wěn)、泄水及消能設施沖刷破壞、泄水建筑物進水口淤堵、泄水閘門啟閉設備和電源故障等。

5.3 管控各風險事項

針對各類大壩安全事件可能產(chǎn)生的原因進行深入分析。分析內(nèi)因和外因，重點分析地震、降雨、氣溫、監(jiān)測監(jiān)控等外部因素，通過監(jiān)測預警條件的分析及各類數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測預測，實現(xiàn)大壩安全風險的數(shù)字化動態(tài)管控。