水壩設計和風險分析

曹楚生 ，張叢林

（1.天津大學，天津 300072；2.中水北方公司，天津 300222）

0 前言

近二三十年以來，風險分析理念己逐漸深入到各種工程設計中，有些工程設計已與風險分析融為一體，兩者相輔相成，互為補充，改善優化了工程設計并提高了工程的抗風險能力。

我國水利水電工程建設發展較快，迄今已建壩約8萬余座，建壩后一般都促進了下游工農業發展，人口增加，供水發電效益顯著。但由于種種原因，特別是中小壩的潰決時有發生。潰壩后果特別嚴重，主要反映在兩個方面：①巨大的防洪、供水或發電效益毀于一旦；②對下游人民的生命財產、國民經濟造成極大損失。目前，有關風險分析的情況可以概略如下：

（1）國內外潰壩率大幅度降低。據1982年第14屆世界大壩會議報道，在1900年潰壩率曾一度大于10%，以后逐漸減少，至1980年已降至約0.2%。根據國內外統計結果，目前潰壩率應在0.1%左右，已大幅降低。

（2）可靠度統一標準已實施。我國頒布了基于可靠度設計的統一標準，以及鋼筋混凝土、重力壩等壩工設計規范和準則等，工民建和電力系統等方面已按此執行，亦即可靠概率為99.99%～99.997%，失效概率相應為0.01%～0.003%。應該指出：這里僅考慮了結構荷載（作用）和材料強度（抗力）的變異性及某些不確定因素，未能包含各種工程風險的影響，故上述失效概率小于潰壩率甚多，這說明潰壩率還有較大的降低空間。

（3）風險分析研究。以下闡述如何通過風險分析研究、抑制風險對策和風險設計等手段，以提高工程的抗風險能力，并降低工程的失事概率。一般風險分析的內容主要包括明確主要風險因子、風險概率，并提出對風險抑制、轉移的對策。 后者與工程息息相關，宜有深入了解原設計的人員參與，針對具體工程和各項風險提出防范措施，以達到抑制轉移風險的目的。上述措施應經過周密的思考和論證，應在工程上相應采取確實有效的措施，盡量減小以上風險出現的可能性，并對其影響范圍予以限制。需要時，對嚴重風險還應考慮預警措施。

總之，在上述風險分析研究中提出的抑制風險的對策應在水壩設計中一一予以落實。

1 風險防范

一般通過風險分析最終應提出對風險進行抑制、轉移的對策。更重要的是在風險分析的基礎上，針對具體工程，與熟悉原設計的人員一道，研究如何落實所提出的對策，并對原設計方案作適當修改和優化，對優化后的方案還可再進行風險分析研究。以上工作——風險設計的作用極大，可進一步或不斷優化原工程方案，有效地改善工程設計質量，并提高工程抗風險能力。

筆者在河北潘家口、深圳公明供水和重慶玉灘等水庫工程風險分析研究中，主要歸納出以下幾點認識和防范措施：

（1）幾點認識。①關于漫壩垮壩風險，由于水文氣象、洪水演進、水庫調度的不確定性和隨機性，應關注可能最大或超標準洪水和應對風險的措施。②應對地震危險性、地震加速度和地震風險進行分析論證。③關于壩體和地基風險，應通過大壩安全監測資料進行分時段對比分析，提出應對措施。④風險還可能來自閘門或泄洪泄水設施失靈或未能及時啟閉等事故。

（2）防范措施。為抑制上述各種風險，必須采取有效的防范措施，可視風險性質采取非常溢洪道、溢洪缺口和泄水設施以及閘門等設施，除電動外還應考慮手動、自動等有效手段。應注意這些防范措施不能影響水壩安全，并符合水壩設計要求。此外還應注意以下事項：①關于對次生災害的防治，常有多股不同量級的洪水和高速水流對地基產生碰撞和沖刷時，應考慮有效的防范措施，例如使水流在空中撞擊，采用消力墩或消力池等綜合措施。②當水壩工程的樞紐布置基本確定后，即可同時進行風險分析研究。③因風險分析和風險設計涉及的范圍較廣，特別是下游出現洪水泛濫后影響面往往會擴大很多，所需要的地形圖的范圍和計算分析遠比一般工程設計要大且復雜。 視我國目前的情況，可至該地段的有關地方部門索取所需的最新航測地形圖，通過可視化仿真計算，在虛擬的數學模型基礎上與設計提供的圖紙整合并模擬洪水演進，最終從仿真計算成果中截取關鍵瞬間（施工期以及未來運行期中若干重要瞬間），繪制風險圖中所需的相關平面圖和剖面圖等，以供規劃設計應用。通過針對某一工程含風險設計在內的風險分析研究，將會對該工程各種風險有更清晰和更深入的認識。

綜上所述，對水壩連同地基和泄洪泄水風險情況以及防范措施分述于下。

2 水壩—地基風險

我國壩工令世界矚目，水壩無論在壩高、規模、庫容及防洪、發電、供水、灌溉和航運方面均位居世界前列。

（1）可視化數模仿真分析等方面取得了可喜進展，使水壩設計得到進一步發展：①混凝土和巖土性能，溫度應力，水力學、巖土力學方面的一些參數，可在規劃設計或施工中任何重要瞬間擬定，并可在需要時隨時進行動態修訂。②壩體輪廓更趨經濟合理，向輕薄型和簡化孔洞、接縫、構造等方向發展。③隨著大容量振動碾壓機械化施工的實踐，大型土石壩和碾壓混凝土壩都取得了可喜的進展。

（2）風險防治的關鍵是要做好安全監測，及時并定期（汛前、汛后和年終）進行分析對比，如發現某些指標變幅異常，應及時維護和處理，否則風險將會應運而至。①在大壩安全監測資料的整理分析和風險分析研究的基礎上，針對建筑物和地基穩定、應力、滲漏量、滲壓、沉陷等，按壩體實際的滲壓場進行驗算復核，并在需要時補充設置足夠的量測等監控設施和管網。②當實測值超出計算值或出現指標變幅異常時，應考慮預警預案，并對出現險情后的補救措施事前做好準備。③目前我國在壩工建筑物和地基出現險情后的人工干預加固方面有成熟經驗，如：灌漿、高壓旋噴灌漿、地下防滲墻、劈裂灌漿等等，處理時間不長（約數月）且一般均可奏效，能滿足滲水壓和滲流作用下的抗滑、抗滲和變形穩定。④當壩體和地基出現異常時，如：裂縫或滲水；浸潤線異常，推算壩基滲漏量增加；實測滲漏量超標；壩址下游出現冒水冒沙、管涌等現象，只要事先早作妥善考慮，按預警預案處理，即可化險為夷。

3 泄洪泄水風險

水壩泄洪泄水時會出現多股水流，或直沖河床，或在空中撞擊，或回流呈旋渦狀沖刷淘刷，對壩區和下游構成威脅，可能在下游形成不同深度的沖坑或淘刷坑，對此，有關各方應高度重視。在工程實踐中，必須采用堅實的河床墊層或其他有效的消能設施。

（1）壩區沖刷。水壩一般都有泄洪泄水設施，本節所言風險主要指壩區，按具體工程情況論述于下。公明工程水庫由6座大壩和中間相連的山丘組成，總長逾3 km，水庫總庫容1.48億m3，因靠近河流末端集雨面積很小，點暴雨形成的入庫洪峰洪量有待進一步落實，并應考慮超標準洪水。再如玉灘水庫由主壩和7座副壩等組成，總庫容1.5億m3，主壩下游河道特別是在約3 km范圍內，除原有居民住房外，目前還在興建工程管理建筑設施和水庫移民住房，該區人口稠密，應關注交通道路、防洪防火等事宜。在風險分析研究中，需要時刻考慮變動它們的位置，提出一個或幾個方案以比較洪水和泄水對下游的影響。通過不同的洪水演進分析計算，獲得包括不同量級的下泄流量時急流沖刷會造成的水患及淹沒范圍內關鍵部位和關鍵剖面的洪水淹沒圖、水面高程、流速流向和水深等風險圖。這樣可以據以修改并優化原設計的樞紐布置方案。

（2）下游水患風險。很多水庫因泄洪泄水對下游造成水患，如以上提到的公明水庫下游約10 km處被一南北向公路阻擋，路基較高，其間只有一個橋孔和一個涵洞可供泄水；而玉灘壩址下游3 km范圍內原有鄉鎮街道已很緊湊，現正按既定方案增建眾多建筑、道路等，這些都會阻礙洪水出路，形成兩個水患風險區。這些水患風險區地形復雜，山谷溝渠縱橫，有的經常無水一片荒漠，有的塘堰相連草木叢生；有無人少人區，也有建房林立人口稠密區。當洪水來臨時，區內水流流向、流態很難辨認，給進一步的勘測帶來困難。可以通過對洪水演進的仿真計算，獲得有關剖面、平面圖及區內大壩泄洪時的水位、流態等風險圖，供今后市政規劃參考。

4 結語和建議

總結多次實踐經驗，認為不同量級泄洪泄水流量會使下游地區有不同程度的受阻受淹風險，應合理規劃今后的發展，劃分不同級別的風險區，降低可能的損失，避免在下游風險區內大量開發，減少潛在的風險。最后建議，除采用一般的溢洪和輸泄水設施外，還應注意以下幾點：①因地制宜設置非常形式的及備用的多種設施，以供應對風險時選用；②保留并拓展必要的蓄、滯洪區及河道，提高行洪抗洪能力，按照擬開挖疏浚后的地形再重新核算水位和淹沒范圍；③在技術上和時間上要綜合考慮人工干預險情處理并留有余地；④下游水患風險影響較大時，應視情況做好預警、預案。

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