土石壩長效服役與風險管理研究進展

向 衍,盛金保,劉成棟,方致遠,張 凱,程正飛

(1.南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029;2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029;3. 水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室,江蘇 南京 210024)

1 土石壩工程建設與安全現狀

隨著我國水利水電建設的大力推進,一批建設環境苛刻、運行條件復雜且壩高超過200 m的高土石壩工程在建或將建,它們的長效服役性能與安全穩定事關國家經濟社會穩定與發展。

土石壩是土壩、堆石壩和土石混合壩的總稱,是人類最早建造的壩型,具有悠久的發展歷史[1]。其建設歷程可分為古代土石壩階段(19世紀中葉以前)、近代土石壩階段(19世紀中葉至20世紀30年代)及現代土石壩階段(20世紀30年代后,壩高過百米的高土石壩首次出現)3個階段。20世紀50年代末高土石壩在高壩數量中僅占31%,60年代末碾壓施工技術廣泛應用推動了高土石壩建設,70年代末土石壩數量與高度均超過混凝土壩。土石壩工程已成為世界壩工建設中發展最快的壩型,土石壩和面板堆石壩工程建設歷程簡況如圖1所示。根據《2016年全國水利發展統計公報》(2017)[2],我國已建成各類水庫98 460座,其中95%以上為土石壩,95%以上是20世紀80年代以前建設的老壩。我國高土石壩建設雖起步晚,但發展較快,已建最高土石壩為糯扎渡心墻堆石壩(壩高261.5 m),在建最高土石壩為雙江口心墻堆石壩(壩高314 m)。同時我國也是世界上擁有200 m級以上高壩最多的國家[3]。

圖1 土石壩建設歷程(1960—2030年)

水庫大壩工程對社會穩定和國家安全意義重大,我國水庫大壩安全狀況總體良好,但仍存在先天不足、管理薄弱、工程老化、應對突發事件保障能力薄弱等突出問題[4]。主要安全隱患有：①防洪安全隱患,包括防洪標準不足,泄洪設施泄洪能力不足,下游泄洪通道行洪能力不足;②滲流安全隱患[5],包括集中滲漏侵蝕[6]、逆向侵蝕[7]、潛蝕[8]頂蝕、飽和失效，此外,植物根系、動物的通道和居穴、排水設施和管道的老化也會加劇土石壩的內部侵蝕;③結構安全隱患,包括壩體滑坡,泄、輸水建筑物結構異常變形,白蟻及其他動物危害;④抗震安全隱患;⑤金屬結構安全隱患;⑥運行管理安全隱患;⑦其他安全隱患。

土石壩長效服役與風險管理研究是一個多學科交叉和多研究手段綜合的復雜課題,涉及侵蝕機理、大壩隱患排查、防滲系統性能演化及風險評估等問題。其中,土石壩內部侵蝕機理研究是保障土石壩長效服役與安全運行的基礎,土石壩隱患排查與防滲系統控制分別從運行維護與安全控制為土石壩長效服役提供技術支持,而風險評估則有助于降低大壩風險,延長大壩服役壽命。

2 土石壩隱患病害監測、檢測與診斷

土石壩失事前通常存在各種不同警兆險情,若隱患未被及時發現或處理,有可能演化為重大工程險情,從而危及土石壩運行安全。因此,采用有效的監測、檢測與診斷技術及時發現隱患病害尤為重要。

2.1 土石壩隱患病害監測與檢測技術

2.1.1 安全監測技術

安全監測技術是指通過布設監測儀器對大壩滲流、變形、應力應變、水文氣象、地震反應及水力參數等進行監測,以實現定期或實時獲取土石壩安全狀態信息,完整的大壩安全監測系統包括安全監測數據采集裝置、數據自動采集系統和自動化分析評價系統三部分。

我國土石壩安全監測大致可分為4個發展階段,第1階段為20世紀80年代前,大量水庫大壩建成,但管理粗放,主要依靠表觀巡視檢查、人工觀測記錄分析為主,這一階段潰壩事故頻發;第2階段為20世紀八九十年代,大壩安全監測逐步實施,自動化監測起步,實現了數據自動采集及其基本應用,管理水平得以提升;第3階段為21世紀初,智能化開始應用,大壩安全信息感知、存儲、分析應用能力顯著提升,潰壩概率大幅降低;第4階段為21世紀以來,面對水庫突發事件應急保障能力不足等挑戰,亟待利用現代信息技術手段,透徹感知、自我學習、精準預知、決策支持,切實保障大壩安全。在此背景下,智能診斷、數字大壩、智慧管理等理念和需求應運而生并逐步應用,其融合互聯網并借助信息采集技術及數值仿真模擬技術指導設計、施工與管理。近年來興建的許多高壩大庫均采用該理念與方法,典型工程如糯扎渡土石壩從設計到管理都創新性地應用了數字大壩管理系統,為國內首創。

在數字大壩實踐過程中,迫切需要基于“互聯網+”平臺更科學、更高效的智能管理體系對采集的海量數據進行有效的深度分析,由此推動數字大壩到智慧大壩發展。智慧大壩是以數字大壩為基礎框架,以物聯網、智能技術、云計算與大數據等新一代信息技術為基本手段,建立動態精細化的可感知、可分析、可控制的智能化大壩建設與運行管理體系;其次,該體系具有整體性、協同性、融合可拓展性、自主性和魯棒性的特點[9,10]。雖然智慧大壩運用前景廣闊,但由于實踐經驗較少,故需注重信息技術與空間虛擬技術、大壩信息精準感知技術、大數據快速傳輸與存儲技術、虛-實調控模型仿真模擬、智能快速決策與反饋系統、智慧大壩工程建設管理模式等研究。

2.1.2 運行期健康檢測技術

除常規采用的坑探、槽探、井探、鉆探等地質勘探手段獲取壩體與基礎物理力學參數外,壩工界研發了諸多無損檢(監)測技術與裝備對運行期大壩進行健康檢測,典型的如工程地球物理診斷技術,通過聲波、電磁波、電場、磁場等物理場攜帶的被檢對象信息,以判斷被檢對象內部結構或隱患病害等。

圖2 大壩典型斷面高密度電法原始異常及反演結果

a. 高密度電阻率法。該技術主要基于土石壩壩體與壩基介質間的導電性差異,根據實測的視電阻率剖面進行計算、處理、分析,即可獲取土體電阻率分布,檢測前采用所有電極一次性完成陣列布設,其優點是采集數據點密度高、數據量大且采集速度快,可真實探測土石壩工程中洞穴、裂隙、松散層、沙層和滲漏通道等隱患的規模、位置與埋深等,已在諸多土石壩工程中得到廣泛應用[11-13],圖2為我國西南某水庫滲漏通道檢測成果,揭示了某土石壩兩壩肩中存在的滲漏異常。

b. 電磁陣列剖面法。電磁陣列剖面法根據預期的探測深度選取一個或幾個固定的頻率,沿大壩剖面同步測量電場與磁場,并求出其比值。該方法可消除常見的因地表不均勻等產生的電阻率畸變現象,并能較真實有效地反映大壩壩體壩基內的材料變化情況,以此對滲漏通道以及滲漏出口進行有效探測。該方法已得到廣泛應用[14-15]。

c. 聲吶滲漏檢測技術。聲吶滲流探測技術[16]利用震電理論與聲波在水中的優異傳播特性,實現對水流速度場的測量。若被測水體存在滲流,則將在測點產生滲流場,聲吶探測器陣列可精細地測量出聲波在流體中能量傳遞的規律。并依據所得數據的時空分布顯示出滲漏聲源的發出方向。該技術現已在多座土石壩工程中得到廣泛應用,如白云水電站混凝土面板堆石壩滲漏檢測等。

d. 探地雷達示蹤法(ground-penetrating radar method)。探地雷達示蹤法可檢測裂縫深度和滲透速度:將示蹤劑注入壩體裂縫中,采用探地雷達技術綜合監測示蹤劑在裂縫中的流動狀態,檢測裂縫的發育深度。示蹤劑為對雷達波具有強烈反射性能的液體,其對雷達波的反應與其周圍介質相比具有數量級的差異。在重力或者灌入壓力的作用下,示蹤劑向裂縫底部流動,待示蹤劑到達裂縫底部時,采用雷達對裂縫部位進行掃描檢測。積存在裂縫底部的示蹤劑在雷達掃描影像上有明顯的顯示,由此可確定裂縫底部的位置,從而得出裂縫深度[17]。如我國某大型水庫防浪墻底部裂縫與脫空檢測(圖3)。

圖3 防浪墻底部脫空檢測示意圖

2.2 土石壩隱患病害診斷模型與方法

通過巡視檢查、原位監測以及現場檢測可獲得土石壩隱患病害的基本信息與數據,并借助相應的工程經驗、監控模型、數值分析等方法以實現對土石壩隱患病害的診斷。其中基于工程經驗以及原位監測的診斷方法較為常用的有傾度法和監控模型診斷方法。前者主要用于土石壩中隱蔽裂縫的探查,結合觀測資料通過對短距離內兩點間土壩相對變位(土石壩中一般以沉降為主)進行估算,以判定壩體內隱蔽裂縫的發生。該方法依賴于較為翔實的沉降監測資料,而在工程設計階段難以得到推廣應用。為此,彭翀等[18]基于有限元理論技術,提出了變形傾度有限元法,并在糯扎渡心墻堆石壩工程中得到應用。監控模型診斷方法與上述不同,其基于大壩實測資料分析成果,運用數學模型對大壩的工作形態以及安全性態的發展進行表征與診斷以為決策者提供決策支持[19]。目前國內外土石壩安全監控理論主要圍繞監測資料的合理性分析與模型研究、反分析問題以及安全決策支持系統開發等。

2.2.1 土石壩安全監測資料的合理性分析與模型研究

目前主要是基于最小二乘法理論進行數據的粗差處理,常用的方法有數據探測法與穩健估計法。許多學者在此有相應的研究,如Kalman[20]提出的卡爾曼濾波方法。在對工程數據進行處理時,多因素監測信息中常常會出現一個或多個嚴重偏離目標真值的數據(通常稱為野值),為此基于統計學理論對土石壩安全監測資料合理性分析總結了兩個發展方向,一是基于數理統計的殘差分析,二是基于概率的隨機模糊診斷技術研究。許多學者基于相關數學理論提出了相應的模型如灰色理論模型[21]、模糊數學理論模型[22]、各類改良的人工神經網絡理論模型[23]、基于多源信息融合的模型[24]等,都對監測數據的合理性分析、處理、預報等作出了相應貢獻。

2.2.2 基于安全監測資料的土石壩結構性態反分析

土石壩計算的反饋分析主要包括對土體本構模型關系的模擬計算,近年來在該方面研究工作較多,主要圍繞算法的優化、模型的優化等[25-27]。其中,在反分析問題中,采用優化算法(主要為仿生算法,如神經網絡、螢火蟲算法、蟻群算法、遺傳算法等)對土石壩滲透系數以及其他相關的物理力學參數進行反演計算。優化模型是基于原型觀測資料,利用數學模型對其中的參數變量進行求解,該模型研究主要圍繞線性與非線性模型開展。對于土石壩反分析而言,主要考慮土層和荷載較簡單的情況,多采用線彈性模型,當土層較多時,則采用非線性模型,目前只能結合計算模型和經驗針對具體問題開展且存在較多局限性。

2.2.3 土石壩安全決策支持系統

土石壩安全決策支持系統可為管理部門決策大壩安全狀態提供相關建議。隨著計算機科學技術的發展,該系統也得到飛速發展。國內較早開發了DAMS大壩自動監測系統[20],后又研發了DSAMS大壩安全監控管理系統[21],國外由意大利與法國開發了大壩安全監控數據處理系統等。由此可知,土石壩安全決策支持系統從最初的信息管理系統已然向專家系統發展。隨著物聯網、云計算、大數據等現代信息技術的發展,亟待全面感知水庫大壩多源信息。通過數據融合,實現大壩安全智能診斷與智慧管理,為充分發揮水利基礎設施整體效能、進一步提升水庫大壩應急管理能力、切實保障大壩安全運行提供科技支撐。發展大數據驅動的大壩健康診斷與除險決策、預測預警與優化調度、風險評估與應急管理等一體化的智慧管理決策系統是熱點研究方向。

3 土石壩防滲系統長效服役性能研究

滲透破壞是土石壩發生潰壩的主要原因,研究土石壩防滲系統材料性能演化規律,針對演化規律采用有效的對策進行控制,對于土石壩安全運行具有重要意義。歸納起來,土石壩防滲系統主要有防滲帷幕、混凝土防滲墻、鋼筋混凝土面板和土工膜等。

3.1 防滲帷幕長效服役性能研究

3.1.1 老化機理

防滲帷幕老化主要由于機械力侵蝕和化學溶蝕作用,影響帷幕效果及耐久性的主要因素包括施工質量引起的帷幕密實性、特殊地層及地下水對帷幕的危害等。壩址環境水與水工建筑物相互作用廣泛存在于壩址區,地下水侵蝕或溶蝕引起幕體防滲效果降低,呈弱酸性的地下水或富含侵蝕CO2的弱酸性水對帷幕結石體的侵蝕導致CaO流失,是引起帷幕防滲能力衰減的主因。庫壩運行后水環境變化致使庫水中有機質富集,可導致下層庫水和壩基地下水的侵蝕性加強,從而造成帷幕防滲材料性能衰減。實踐中常發現大壩壩址區伴隨著滲水出現膠狀析出物。此類物質多數源于帷幕體后,因而可通過對析出物的分析,判斷帷幕狀況,分析帷幕老化機理[22]。

3.1.2 長效服役性能評估的水化學圖示法

水化學圖示法是水文地球化學研究的重要手段,可直觀地表現水化學組成、水質特征等,因此得到廣泛應用。水化學圖示法可與聚類分析、因子分析等統計方法相結合研究水質特征,也可與地質條件等相結合研究水——巖相互作用等水化學過程[23]，同時還可用于不同區域水質時空演變分析。評價帷幕體防滲性能首先需了解水質指標分布情況及特征,從而判斷壩基帷幕體局部是否存在“疑似異常點”。通過對異常點的空間分析,可反映帷幕后徑流條件差異,并對相關指標做時間序列分析,如pH值、TDS等綜合指標,以及反映該位置某些重要水化學指標等,還可通過散點圖比較水質指標間的相關關系。通過上述水化學圖示方法,可從水質角度對壩基帷幕體防滲性能做出初步診斷,并結合其他分析項目(如滲流監測資料)做出更進一步判斷。

3.2 混凝土防滲墻長效服役性能研究

土石壩中混凝土防滲墻按部位可分為壩體和壩基兩種形式，影響其服役性能的因素眾多,通過分析各因素影響,可針對性地提出改性措施提高其長效服役性能。

3.2.1 服役性能影響因素

已有案例與工程經驗分析表明，混凝土防滲墻體防滲材料彈性模量、強度、抗滲性、施工質量、耐抗性、墻體周邊條件、墻身及墻厚等幾何尺寸是影響混凝土防滲墻在土石壩工程適應性的主要因素。如由于混凝土防滲墻墻體材料彈性模量與周圍土體的變形模量差異巨大,致使墻體易出現裂縫,防滲作用降低,嚴重時會使防滲遭到破壞。對成墻質量起決定作用的主要是造孔成槽和澆筑成墻。為提高低彈模防滲墻的適應性,必須嚴格控制施工質量。為提高防滲墻耐久性,一方面應控制防滲墻滲透系數,另一方面可適當增加水泥用量,設法增加混凝土密實度,提高抗滲性和耐久性。

3.2.2 防滲墻改性措施

研究表明,降低墻體彈性模量對降低墻體內力十分有效。為降低墻體彈性模量,在混凝土中加入粉土或黏土,澆筑時不易堵管,因而被廣泛利用。人們在實踐中用黏土和(或)膨潤土取代普通混凝土中的大部分水泥形成了一種柔性墻體材料,這種混凝土的強度和彈性模量都很低,能適應地基變形,有效地避免墻體破壞,且抗滲性能很好,即被廣泛利用的塑性混凝土。工程中為改善墻體變形協調能力,需摻入少量粉煤灰和添加劑,在基本不改變普通混凝土其他性能的前提下,盡可能降低混凝土彈性模量,施工前必須做多組材料配合比試驗。實踐證明若要大幅度地降低混凝土彈模,則需以降低強度指標為代價。

3.3 鋼筋混凝土面板長效服役性能研究

3.3.1 鋼筋混凝土面板材料的特性

對承受很高的水力比降的面板,混凝土的耐久性和抗滲性比其強度更重要。為增加抗滲性能,需加入引氣劑,它不僅能改善混凝土拌合物性能,節約水泥,還可提高混凝土強度、抗滲性、抗沖磨、抗氣蝕和抗凍性,也能有效地控制堿骨料反應,提高耐久性。目前國內均采用硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥來拌制面板混凝土。實踐表明，使用減水劑時要認真進行研究,可使用一些本身不發泡的減水劑,與引氣劑復合作用。為提高混凝土均勻性,保證具有較高的柔性和軸心抗拉強度,壩體均采用二級配混凝土,限制骨料最大粒徑不大于40 mm。面板混凝土的抗滲性要求,通常是根據作用水頭和耐久性要求來決定。混凝土凍融循環產生的破壞作用主要有凍脹開裂和表面剝蝕兩個方面,使混凝土彈性模量、抗壓強度、抗拉強度等力學性能嚴重下降。為提高混凝土耐久性,需綜合提高混凝土的抗凍性、抗滲性和抗裂性。此外,在非嚴寒地區,只要水工混凝土的溫度在零度以下,其孔隙中水分就會冷凍膨脹而使混凝土疏松,故水位變動區及其以上的混凝土都應提出抗凍性要求。

3.3.2 長效服役性能演化規律

混凝土作為面板堆石壩防滲體系最主要的筑壩材料,其材料性能的劣化是導致面板堆石壩服役性能降低的內在因素。影響混凝土材料性能演化的因素很多,如凍融破壞、碳化、硫酸鹽侵蝕、堿集料反應和力學破壞等。目前還沒有能夠完全揭示凍融破壞內部破壞機理的理論,普遍接受的有靜水壓理論和滲透壓理論。目前在碳化機理較為明晰的情況下,國內外學者在碳化深度預測和影響因素等方面進行了較多的研究。實際工程中可以通過合理設計混凝土材料、提高混凝土密實度以及設置保護層等措施提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力。堿集料反應是指混凝土中的堿性物質與集料中的活性成分之間發生化學反應,生成物吸水膨脹從而導致混凝土開裂的復雜過程。實際工程中可以采用限制混凝土含堿量、合理選用集料、摻入引氣劑等措施預防和抑制堿集料反應。水工混凝土材料性能的演化是多種力學因素和環境因素耦合作用的結果。這些力學因素和環境因素并非簡單疊加在一起,各因素之間會相互影響,若只考慮單一因素來研究水工混凝土材料性能演化規律顯然不符合實際情況。目前,多因素耦合作用的研究相對較少,部分學者開展了此方面的研究工作,比如Nguyen等[24]通過試驗研究了鈣離子析出和力學破壞作用下混凝土材料性能的變化規律,并建立了化學-力學耦合模型;于琦等[25]基于Papadakis碳化模型和數值分析技術,研究了凍融環境對混凝土碳化的影響,建立了碳化深度預測模型。

3.4 土工膜長效服役性能研究

近年來,土工膜作為新型的防滲材料,具有防滲性能高、適應變形能力強、施工便捷、價格低廉等優點,并且隨著土工膜防滲技術的不斷發展,土工膜在水庫大壩工程中受到了廣泛青睞。據ICOLD(國際大壩委員會)2010年不完全統計,世界上采用土工膜防滲的大型土石壩共有176座[26]。

3.4.1 土石壩中土工膜的結構特性

a. 土工膜布置在上游壩面,并設置混凝土護坡保護,結構形式與混凝土面板堆石壩相似,該種布置形式較為普遍,90%的土工膜防滲工程均采用該種布置形式。

b. 土工膜裸露布置在上游壩面,僅在土工膜表面涂設瀝青等材料制成保護層。這種布置形式主要在國外應用較多,如法國Banegon壩,國內土石壩中尚未采用。

c. 將土工膜設于壩體內部作為防滲心墻,為保證土工膜能夠適應壩體變形,一般在施工時采用“之”字形鋪設方法,并與壩體填筑協同進行,目前國內外采用較少。

d. 對于透水性較強的庫盤,常采用土工膜進行全庫盤防滲,并在土工膜上下分別設置保護層和墊層。這種防滲形式可以有效解決庫區滲漏問題,因此在多數水庫以及大型渠道中得到了廣泛運用。

3.4.2 土工膜缺陷對服役性能的影響

對于土工膜缺陷問題,早在其應用之初便引起了廣泛的關注。但由于缺陷問題的復雜性和當時技術水平的限制,直到20世紀80年代,國內外學者才陸續開展了相關的研究。國外專家與學者對土工膜與墊層間的接觸滲流、缺陷滲流的影響因素等進行了深入研究,并取得了較大突破,但在土工膜缺陷滲漏對土石壩滲流影響方面,缺乏系統的研究。從20世紀90年代開始,我國開展了多項土工膜缺陷滲漏研究,并取得了豐富的研究成果。但在土工膜缺陷滲漏方面聚焦于缺陷滲漏的數值模擬方法、缺陷相關因素以及小尺寸(5 cm以下)缺陷對土石壩滲流影響,在大尺寸(5 cm以上)缺陷滲漏影響方面,尚未有系統研究。土工膜作為土石壩防滲體,其缺陷成因復雜,且與傳統防滲體差別較大,僅由實測性態無法全面判別土工膜的防滲安全性,比如土工膜老化對防滲安全性的影響,無法通過觀測資料準確反映。

4 土石壩工程風險管理和退役拆除

水庫大壩具有很長的生命周期,從勘測設計、工程建設、運行管理到降等報廢,面臨著對自然對象認知不足的風險、工程建造質量隱患的風險、運行期應對地震以及極端氣候事件等自然災害的風險、工程調度中人為失誤的風險等。與此同時,土石壩工程在蓄水發揮效益的同時,也對下游構成潛在風險。大壩風險管理則是以降低大壩風險為目標,按風險是否可以接受來決策是否需要對大壩進行除險加固。水庫大壩風險是對水庫大壩存在的安全隱患對生命、健康、財產和環境負面影響的可能性和嚴重性的度量。風險管理包括風險分析、風險評價、風險評估、風險處理以及風險標準等系列關鍵技術問題[27]。

4.1 風險評估

20世紀60年代末,由于數起嚴重潰壩事件美國等發達國家率先對大壩開展了風險分析研究。1982年美國陸軍工程師團采取相對風險指數來衡量大壩風險。1991年加拿大Hydro第一次將概率計算用于大壩風險評價。1994年澳大利亞編制了《大壩風險評價指南》,奠定了大壩風險評價的基礎概念。1998年美國國家氣象局研究了潰壩風險模型。1999年加拿大大壩安全協會(CDA)發布了《大壩安全導則》,提出了大壩安全的具體含義。2000年澳大利亞大壩安全委員會編制了《大壩潰決后果評價指南》,為大壩風險評價提供了基本概念。2001年葡萄牙工程師綜合考慮了20多個大壩風險因素情況下劃分大壩風險級別。2003年美國墾務局公布了大壩風險分析技術指南,給出了較完善的大壩風險分析評價方法。2010年國際大壩委員會(ICOLD)公布了關于大壩風險管理的公報,系統描述了大壩風險管理目標、計劃、實施、監控及評價校核方法與相關步驟。國內大壩風險分析技術起步較晚,系統研究始于第20屆國際大壩會議“風險分析”專題中關于風險分析在大壩安全決策和管理中的應用研討,近年來取得了較大進展。目前已形成了大壩破壞概率、潰壩模式、潰壩對下游的影響評價等體系,以及大壩風險標準及風險管理模式進行了系統研究。

水庫大壩風險以潰壩的可能性(概率)和產生的后果的乘積表示[28]。為此首先需識別大壩的風險要素,一般采用破壞模式分析確定潰壩模式和潰壩路徑,分析方法有FEMA法(failure models and effects analysis)[29]和FMECA法(failure models,effects and criticality analysis)[30]。根據已有潰壩資料與前述土石壩主要安全隱患分析,土石壩主要有5類潰壩模式和24種可能的潰壩路徑[31]。潰壩概率計算分為半定量和定量分析法,其中半定量分析法可采用事件樹法,定量分析法采用可靠度法。

隨著對風險認識和對其研究不斷深入,歐洲委員會(EU)采用RAPID-N工具[32]對技術災害事件風險進行評估(如地震災害),正在開展對洪水風險分析的工作。Cruz等[33]提出對于城市地區技術引發的災害事件風險初步評價的定性方法——PANR。該方法包括識別、量化和分析一個地區受自然災害的地方暴露在此地區的有害物質的存在所帶來的風險。PANR將風險定義為一個危險函數(幅度和概率)和脆弱性因素暴露(后果、嚴重程度和概率)的危害(包括自然和次生災害事故及其多米諾效應)。德國的安裝安全技術規程(TRAS)中也考慮了技術引發的災害事件,如TRAS 310考慮了洪水和降水引發的危害,TRAS 320考慮了風、雪荷載和冰載荷的危害,但未給出定量的評估模型。

已有研究和風險評估工具表明,潰壩影響及其后果是大壩風險分析的重要組成部分。潰壩及其影響分析是指確定潰壩影響范圍、評價潰壩后果的基礎性工作。潰壩后果包括生命損失、經濟損失及社會與環境影響。生命損失受風險人口總數與分布、潰壩發生時間、警報時間、水深和流速、洪水上漲速率和撤離條件等因素的影響,常用的計算方法有Dekay & McCleland方法、Graham方法[34]。

潰壩經濟損失包括直接經濟損失和間接經濟損失。間接經濟損失一般根據具體情況采用直接估計算法和系數法進行計算,缺乏深入系統研究。社會環境影響風險標準難以確定,一般采用F-N線法初步確定。一旦潰壩洪水引發的次生災害，如對下游工礦企業的設備設施產生了影響,這些廠房往往儲有大量原油、汽油或其他類型的易燃液體碳氫化合物等危險物質,如卡特里娜颶風和麗塔颶風后近海石油和天然氣設施的釋放和緊急反應[35]，隨著危險物質的釋放，可能造成更嚴重生命、經濟、社會環境損失[36],加上安全屏障和系統隨之受到損害,技術災害事件發生多米諾骨牌或級聯災害的可能性也高于常規事故[37-38]。由此可見,此類事故的程度和后果往往是災害次生衍生反應的主要部分。此外,水庫大壩工程潰決引發的次生衍生風險目前仍被視為一種新興的風險,僅僅在最近幾次重大事故后才得到關注,導致的后果即為目前仍缺乏關于次生衍生事件演化機制的系統研究。

4.2 土石壩工程退役拆除

面對我國土石壩數量多、病險多、功能萎縮和大壩超設計壽命的嚴峻現實,在注重工程措施的同時,對技術上不可行、經濟上不合理、生態環境負面影響大的土石壩實行降等或拆除,是消除安全隱患、發揮相應效益的一種安全管理措施[39-40]。退役是水庫大壩生命周期的重要階段,是在我國水庫大壩病險老化、功能喪失、經濟效益衰退以及生態系統退化的背景下的必然趨勢[40]。大壩工程退役的原因主要包括環境保護、工程安全和工程效益3方面[40]。若要實施大壩退役,應首先進行退役評判決策。我國對大壩退役決策的研究較少。彭輝等[41]制定了病壩拆除決策流程圖,參考國外研究成果建立了策模型的評價指標體系。楊孟[42]選擇多準則決策中的網絡分析法,構建了水庫大壩退役決策的收益成本風險模型。國外水庫大壩退役決策相關研究較豐富。Heinze[43]提出了水庫大壩退役決策基本框架,著重對拆壩可能造成的物理、生態及社會經濟影響評估進行闡述。American Rivers[44]組織編寫的退役壩拆除決策指南概述了拆壩可能帶來的社會、經濟、生態成本和收益。認為能夠滿足成本收益均衡這一要求的方案因地而異,不存在普適性公式。Brown[45]構建了綜合性的大壩評估模擬工具,以收益最大化、成本最小化作為決策目標,從社會經濟、生物物理和地理政治三個維度模擬大壩建設和退役拆除的成本和收益。Corsair[46]建議基于規范的決策分析方法、使用多準則決策清晰地展現決策過程中相互矛盾的目標,便于決策過程中多目標權衡。ASCE編制的《大壩及水電設施退役指南》[47]主要通過成本收益分析進行大壩退役決策,對備選方案收益及成本進行經濟分析,確定方案經濟可行性。經濟分析包括確定受備選方案影響的工程用途及其價值,以及相應收益和成本比較。

綜上,隨著水庫大壩老化、公眾風險和生態環境意識增強,水庫大壩退役需求越來越大,而我國相關研究工作進展緩慢,主要存在如下問題:①水庫大壩服役狀態評估理論包括驅動力因素、耐久性模型、衰變過程理論、壽命評估方法等,均需引入時間參數影響,且與退役有關的時變效應應區分“緩變”和“驟變”特征;②缺乏系統、完整的退役決策方法,目前國內外研究一般僅從結構安全或結構風險方面進行,需綜合考慮成本-效益-風險三元驅動的退役評估決策方法;③水庫大壩可能仍發揮著抵御洪水功能,退役可能導致其下游洪水風險增加,科學決策需對退役方案可能引起的洪水增量風險變化進行全面評估,包括降低潰壩風險的正作用,以及防洪庫容消失導致雨洪風險增加的負作用;④經濟社會發展使得以生態恢復為目的退役需求增加,必然加劇社會需水與生態需水矛盾,生態系統服務價值特別是非市場商品價值評估是成本收益評估的難點,目前研究缺乏系統的生態系統服務價值評估理論與方法。

5 發展趨勢與亟待解決的問題

a. 仍有土石壩工程出險甚至破壞失事,滲流是影響安全的關鍵因素之一,需研發更加有效的隱患探測、突發事件監測預警、應急搶險等技術、材料和裝備,建立科學高效的安全保障與風險防控體系。

b. 我國高壩大庫建設正處于世界前列,高壩大庫在蓄水初期或經過若干年運行后,可能出現滲漏、壩體裂縫、接縫止水失效的病害,對工程安全產生重大威脅。常規檢測中部分水庫放空難度較大或不具備放空條件,因此開展深水環境下大壩缺陷探測及隱患快速探測技術是研究重點。

c. 土石壩長效服役性態的多源信息融合推理技術研究有助于實現大數據環境下的安全診斷與智慧管理,可為保障高土石壩運行安全提供技術決策支持,有重要的研究價值。

d. 為快速、準確地評估土石壩工程風險,應結合其特點盡快建立風險標準并深入開展實用評估技術研究;為降低風險,應高度重視非工程措施,并與工程措施結合使用;為確定合理的服役壽命,應建立土石壩退役評估體系。

e. 由于土石壩結構、服役環境與運行工況復雜,導致災害事件本身并非獨立個體,其發生發展演化中常會從單一原生災害事件逐漸演變成次生衍生災害事件,自然、社會、人為因素以不同形式作用其中。潰壩引發的突發事件作用形式和內容不斷變化,造成后果和傷害持續蔓延、擴大,呈現出典型滲透、干涉、轉化、分解、合成、耦合等特征,加之自然環境變遷和人類社會發展,各類災害對下游影響區內危險設施構成重大威脅,多數情況下相關風險被嚴重低估,故需建立相適應的風險評估方法與工具。

6 結 語

本文就一些典型的研究熱點進行論述,并對當前研究現狀進行討論與展望。認為為保障土石壩健康安全的長期服役,有必要對其長效服役性能與風險評估進行研究。土石壩長效服役與風險評估研究是一個多學科交叉融合的復雜課題,其涉及多方面的研究。高壩尤其是高土石壩的服役性能穩定與提升是為今后需加強的研究方向,應當建立健全土石壩長效服役保障與提升的理論與技術集成體系,以使土石壩在全生命期“健康”運行,實現其社會經濟任務,為推動社會經濟的發展作出技術貢獻。