基于風(fēng)險分析的從化區(qū)茂墩水庫安全監(jiān)測設(shè)施

劉志全

(廣州市從化區(qū)水利技術(shù)中心,廣州 510900)

0 引 言

修建水庫可產(chǎn)生多重效益,但水庫在攔蓄洪水的同時也伴有低概率、高危害的潰決風(fēng)險。 許多水庫承擔(dān)著重要防洪任務(wù),一旦潰決將對下游群眾生命財產(chǎn)安全造成極大危害。 目前,監(jiān)控設(shè)備在設(shè)計時缺乏針對性,通常都是平均分布,所布設(shè)的地點并非真實存在病害或險情,有的還與實際存在的病害或險情差異較大,造成了監(jiān)控結(jié)果不能反映出異常狀態(tài),監(jiān)控設(shè)備也不能對潛在的安全風(fēng)險進行有效監(jiān)控,很難精確反映大壩的局部安全狀態(tài)[1-2]。 對監(jiān)控設(shè)備進行科學(xué)合理的配置,充分發(fā)揮監(jiān)控設(shè)備的作用,對水庫的安全生產(chǎn)具有重要的意義。

近年來,許多國家采用多種水庫風(fēng)險管理技術(shù)方法,并收到了較好的效果[3]。 風(fēng)險管理技術(shù)將應(yīng)用風(fēng)險分析的原理和方法,發(fā)現(xiàn)巖石壩體的危險部位,并有目標(biāo)地設(shè)置監(jiān)控設(shè)備,進行安全監(jiān)控[4]。 通過對危險部位進行定期觀察和數(shù)據(jù)分析,可以更好地反映巖石壩體危險部位的實際情況,有助于水庫壩體的風(fēng)險防治,減小崩壩的危險程度,提升投資的使用效率。

本文以失效模式與效應(yīng)分析為評估手段,識別大壩各種破壞形式的危險等級,并對各種破壞形式的嚴(yán)重程度和結(jié)果進行評估。

1 基于風(fēng)險分析的水壩安全監(jiān)測設(shè)計

1.1 基于風(fēng)險分析的監(jiān)測原則及風(fēng)險等級劃分

為了監(jiān)督工程施工,不僅需要考量當(dāng)前設(shè)備的投運狀態(tài),還需要考量修建水壩所產(chǎn)生的安全因素。 因此,在進行安全監(jiān)測時,應(yīng)遵守以下基本原則：監(jiān)督計劃與危險水平的程度相符。 從水庫運行的實際危險角度出發(fā),對危險程度高的水庫宜安排觀察點,對危險程度低的水庫可以不安排或減少觀察點[5]。 堅持與已有監(jiān)控設(shè)備配合使用,最大限度發(fā)揮已有監(jiān)控設(shè)備的作用,降低新增監(jiān)控設(shè)備的投資和資源消耗。 監(jiān)督機構(gòu)的設(shè)置要有一定的代表性和綜合性。 監(jiān)控設(shè)備要能最大限度反映相關(guān)位置的危險性,并簡化監(jiān)控設(shè)備數(shù)目,提升監(jiān)控設(shè)備效率[6]。 將監(jiān)控的頻率和危險程度結(jié)合起來,對高危區(qū)周邊的監(jiān)控設(shè)備,加強監(jiān)控。 圖1 為以了解風(fēng)險為基礎(chǔ)的監(jiān)控設(shè)計工作步驟圖。

圖1 監(jiān)控設(shè)計工作步驟圖

資料數(shù)據(jù)收集是指收集大壩的原材料,如基礎(chǔ)材料、加固和安全評估報告以及安全監(jiān)測數(shù)據(jù)。 現(xiàn)場檢查是對水庫中存在的安全隱患和危險點進行徹底調(diào)查,并對所收集數(shù)據(jù)中所體現(xiàn)出來的突出問題進行調(diào)查,對危險因素進行辨識[7]。 風(fēng)險分析的基礎(chǔ)是區(qū)分風(fēng)險元素,基于元素分析來求解風(fēng)險程度和對風(fēng)險類型做出判斷。根據(jù)評價結(jié)果,對監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化,并對監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)增加或改建的監(jiān)控系統(tǒng)進行建議[8]。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)最優(yōu)的監(jiān)控設(shè)備布局,對監(jiān)控設(shè)備進行風(fēng)險評估,以評估監(jiān)控效果,進而提出下一步的監(jiān)控設(shè)備布局。 圖2 為風(fēng)險等級劃分圖及取值對應(yīng)的具體內(nèi)容。

圖2 風(fēng)險等級劃分圖及取值對應(yīng)的具體內(nèi)容

對通過風(fēng)險辨識得到的損壞類型及其過程進行分析,考慮到該分析評價作為決策基礎(chǔ),因此該評價不需要太復(fù)雜,只要對破壞模式進行簡單排名,并對其進行風(fēng)險分類即可[9]。 故障模式和效果分析方法包括故障模式的影響和關(guān)鍵度的分析,同時還具備辨識和評價功能,其目標(biāo)是認(rèn)識系統(tǒng)的構(gòu)成要件,明確各個結(jié)構(gòu)的作用,了解所有部件的故障方式及其對系統(tǒng)功能的影響。故障模型影響評估應(yīng)明確界定體系的界限,并對評估的范圍和限制進行評估[10]。 在該界限內(nèi),一切關(guān)系都要清楚。 如一個水壩一般由壩體、溢洪道及泄洪、取水和其他一切運輸設(shè)施、為確保大壩和蓄水池的正常運作而必需的一切其他設(shè)備和構(gòu)造、庫區(qū)及其周圍的天然景觀、邊坡、上游地區(qū)、大壩下游地區(qū)、渠道及通信設(shè)備、電力供應(yīng)、潰壩淹水地區(qū)等組成。

利用大壩決口概率及其所造成的結(jié)果相乘來確定風(fēng)險。 風(fēng)險指數(shù)計算表達式如下：

式中：M為風(fēng)險指數(shù);P為失效模式可能值;Q為失效模式后果值。

按照級別的通用劃分原則,本次研究分為4個級別。M值在1～7 之間,危險程度為1 級;M值在8～14 之間,危險程度為2 級;M值在15～21之間,屬于3 級危險;M值在22～30 之間,危險程度為4 級。 測壓管水頭在滲流場中占總滲流水頭的百分?jǐn)?shù)計算表達式如下：

式中：?i為編號為i的測壓管水位;H1、H2為上下游水位。

1.2 基于風(fēng)險評估的大壩監(jiān)測設(shè)計

基于風(fēng)險評估的大壩監(jiān)測設(shè)計是在分析潛在失效模式和危險等級的基礎(chǔ)上決定的,監(jiān)測工程和分布量可用于監(jiān)測故障路徑和整個發(fā)展過程。 在每一種損壞形式的基礎(chǔ)上,應(yīng)考慮其破壞形式的特異性來確定監(jiān)測設(shè)施,如漫頂、滲透破壞等等。 在考慮洪水漫頂風(fēng)險的基礎(chǔ)上,設(shè)置水雨情觀測裝置。 當(dāng)在較高安全風(fēng)險時,應(yīng)加設(shè)防洪報警系統(tǒng)。 根據(jù)壩體的滲透損傷情況,可設(shè)置滲透壓和滲透率監(jiān)測點等。 表1 為水壩安全監(jiān)控工程的項目分類表。

表1 水壩安全監(jiān)控工程項目分類表

從表1 可知,在漫頂風(fēng)險中,上下游水位、降水量、現(xiàn)場檢查等都是必須設(shè)置的監(jiān)控項目,而在1 級危險的情況下,可以不設(shè)置洪水預(yù)測監(jiān)控。 在滲流失穩(wěn)危險方面,必須設(shè)置的內(nèi)容以上游水位為主;在危險等級2 以上的情況下,需增設(shè)滲透壓和滲透率監(jiān)測站,在危險等級4 的情況下,需加強對裂隙的監(jiān)測。 在壩肩失穩(wěn)危險方面,必須設(shè)置上游水位;1 級和2 級危險時,應(yīng)設(shè)置壩肩表面位移,而3 級和4 級危險時,必須設(shè)置壩肩面位移。 在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)危險方面,1 級和2 級危險時,應(yīng)設(shè)置滲透壓力監(jiān)測,3 級和4 級危險時,應(yīng)設(shè)置裂縫和內(nèi)部變形監(jiān)測。

根據(jù)危險區(qū)域布局來決定危險區(qū)域設(shè)置,對于危險性低的區(qū)域,可以減少或不設(shè)置設(shè)備。 以茂墩水庫為例,該水庫為均質(zhì)±壩,由于大壩反濾體滲流量較大,為防止地基發(fā)生漏水,除對大壩及壩基進行防滲加固處理外,需增設(shè)滲透壓和滲透率監(jiān)測站,重新設(shè)置測壓井及集滲溝流量計等安全監(jiān)測設(shè)施。 此外,還應(yīng)該與危險程度相聯(lián)系來決定觀察的頻率。 如當(dāng)水壩出現(xiàn)明顯管涌等滲透破壞候,其危險程度較高,因此應(yīng)加大觀察的頻率;還可以考慮使用一種自動化收集方法,實現(xiàn)對水壩的實時觀察。 同時,對于水壩重點部位還要進行現(xiàn)場檢測,在危險程度不高的部位,如壩體的變形趨于平穩(wěn)時,只要依據(jù)規(guī)范中的基礎(chǔ)條件進行監(jiān)測即可。

2 基于風(fēng)險評估的水庫工程案例分析

2.1 工程概況

茂墩水庫位于從化區(qū)琶江(二)河上游茂墩水,1966 年3 月建成投入使用。 水庫集雨面積12.9km2,灌溉面積0. 084×104hm2,正常蓄水位97.50m (1956 黃海高程系統(tǒng)),相應(yīng)庫容1 100×104m3;設(shè)計洪水位(P=2%)99. 01m,相應(yīng)庫容1 241.31 × 104m3; 校核洪水位(P= 0. 1%)99.87m,相應(yīng)庫容1 339.10×104m3,是一座以灌溉為主、兼顧供水和發(fā)電的中型水庫,屬于Ⅲ等中型水利水電工程,主要建筑物為3 級,次要建筑物為4 級。 主要建筑物有大壩、溢洪道、塔式輸水涵管和壩后一、二級電站。

原大壩壩頂高程 102. 00m, 最大壩高29.00m。 大壩于1997 年進行加高,加高后壩頂103.45m,最大壩高30.45m,壩頂寬5. 0m,壩頂長135.0m。 迎水坡用塊石護坡,坡比1：2. 75～1：3.25;背水坡坡比1：2.5～1：3.0,設(shè)墊褥式反濾層,并有戧臺二道,寬1.5m。 溢洪道布置在大壩左側(cè)的山丘處,溢流堰為駝峰堰,堰頂寬4.5m,堰前用長35m 的扭曲面與上坡銜接,底為1：10 反坡,堰后為二級陡坡段,坡比分別為1：3.6～1：8。陡坡段之后是挑流消能,鼻坎挑射角15°。 溢洪道設(shè)計最大單寬流量23.6 m3/s。 駝峰堰頂高程95.2m,堰頂設(shè)鋼閘門,門高2.5m,啟閉機啟門力10t。 輸水涵進口高程77.5m,涵管內(nèi)徑1. 29m,采用鋼筋砼圓管型式,最大輸水能力2. 1m3/s。輸水涵管主管直通一級電站,主管分出3 個叉管,分別為魚塘養(yǎng)殖管、自來水廠供水管和水庫排洪管。 壩后分一級電站和二級電站,總裝機容量485kW。

2.2 基于風(fēng)險評估的監(jiān)測設(shè)計結(jié)果分析

在常態(tài)下,水庫潰壩多為洪水期間由壩基滲流或接觸型滲流等損傷引發(fā),而較少因溢洪道泄流程度不夠、閘門失效等原因出現(xiàn)滑移引發(fā)。 本次研究對可能出現(xiàn)的危險程度進行分析,結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)險評估結(jié)果

表2 顯示,水壩漫頂風(fēng)險整體風(fēng)險指數(shù)為5,風(fēng)險等級較低,為1 級;而滲透破壞導(dǎo)致的風(fēng)險指數(shù)較高,為15 或者20,屬于3 級風(fēng)險,主要體現(xiàn)為兩側(cè)壩肩滲透嚴(yán)重。 此時,其失效可能性為3 或者5,失效后果嚴(yán)重性為4 或者5。 而因水壩變形導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險指數(shù)為5,風(fēng)險等級為1,風(fēng)險總體較低。

圖3 為縱斷面測壓管水位過程線對比圖。從各縱向剖面上觀察,滲透壓力的空間變化規(guī)律是不一致的。 從大壩測壓管道上觀察,新管1 比其他兩個管道的水位要高4.2m 左右,表明這一段的滲透危險大于其他位置。 但新管2 設(shè)置在大壩左側(cè),管道的水平面約76. 8m,比大壩上游低,導(dǎo)致大壩的滲透壓較高。 從大壩基部測壓管道的水位上觀察,滲透壓相當(dāng),管道水位均在77.6m 以上。

圖3 高程超過80m 的縱斷面測壓管水位過程線對比圖

圖4 為高程超過90m 的縱斷面測壓管水位過程線對比圖。 從圖4 可知,舊管1、舊管2 的水位均低于庫水位,水位約86. 5m,滲透壓相差不大。 而新管4 水位則高于前兩種管道,水位約97.6m,其發(fā)生滲透的風(fēng)險較高。

圖4 高程超過90m 的縱斷面測壓管水位過程線對比圖

表3 為測壓管水位數(shù)據(jù)的對比分析。 由表3可知,背水坡處一排的管水位較高,其最高平均位勢為86.32%,而最低位勢為9.31%,表明此段的坡降大部分出現(xiàn)在大壩內(nèi),其坡降約0.2,并且排水棱作用良好。 針對背水坡處二排的測壓管,在接近壩腳處,其旁側(cè)壓管的位勢范圍在44%左右,這是一個非常高的位置,而且在該截面集滲溝中出現(xiàn)滲水出逸情況,很有可能存在滲漏破壞。

表3 測壓管水位數(shù)據(jù)的對比分析

3 結(jié) 論

目前,壩工生產(chǎn)經(jīng)營逐步轉(zhuǎn)向風(fēng)險經(jīng)營,常規(guī)的監(jiān)控方式已經(jīng)無法滿足壩工生產(chǎn)經(jīng)營的要求。 因此,在壩工生產(chǎn)經(jīng)營中引入風(fēng)險監(jiān)控是一種發(fā)展方向。 在風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上,本文論述了水壩安全管理問題、風(fēng)險分級方法,并分析了監(jiān)測設(shè)計的優(yōu)化技術(shù)。 結(jié)果顯示,滲透破壞造成的風(fēng)險指標(biāo)較高,為16 或20,為3 級風(fēng)險,具有較高的風(fēng)險。 新增加的滲漏監(jiān)控設(shè)備所反映出的整體危險程度均較高,表明監(jiān)控資料的重要性也就越大。