三項土石壩安全管理新技術介紹與研究

2018-10-15 08:51:02

水利水電快報 2018年9期

(1.四川大學水利水電學院，四川成都 610065； 2.浙江省水利水電勘測設計院,浙江杭州 310002)

1 研究背景

目前，我國共有各種規模類型的水壩 9.8萬余座，其中多數已運行30～40 a，有的甚至長達半個世紀以上。由于持續承受巨大的水壓和滲壓荷載，水壩壩體難免出現一些安全問題，因此需要通過分析評價，對存在的壩工病害進行及時地診斷和治療。

通過分析全國潰壩累計曲線及其斜率(見圖1)可知，第一個潰壩累計高峰集中在1958年的大躍進時代。第二個高峰則集中在文革后期。歷史的教訓啟發我們，提升大壩安全狀態須在“內在質量”與“管理”兩方面雙管齊下、缺一不可。內在質量是基礎，但對于水壩這種特殊土木工程，加強管理更為重要。

圖1 我國潰壩累積曲線(截至1980年底)

自2000年以來，我國每年仍有一定數量的潰壩事件發生，尤其是土石壩首當其沖[1]。鑒于此，就需要更多專業的技術工具為其服務。本文對土石壩現場安全管理圖譜、土石壩工程安全評價體系以及用于水工事故識別與決策輔助的水工事故辭典3項安全管理新技術作了研究和介紹。

2 土石壩現場安全管理圖譜

在對我國土石壩事故歷史資料統計分析的基礎上，根據風險分析的理論和土石壩現場安全管理的特點，結合以往在大壩安全問題、發展各階段所采取的措施以及安全狀況發展與所采取措施之間的相互作用與結果，利用事件樹方法，首先建立安全管理演進樹(見圖 2)。在統計整理我國3 976例土石壩非潰壩性及潰壩事故案例后[2]，考慮土石壩現場安全管理的特點與過程，以安全管理中“非潰壩性事故”和“潰壩事故”兩個關鍵事件為頂事件逐一進行分析，分別建立對應的兩個故障樹，將其與安全管理演進事件樹聯合形成“土石壩安全事故因果分析圖”。田川等[3]分析研究了土石壩潰壩原因，基于此，對歷史案例中的事故具體分類處理措施作了進一步分

圖2 土石壩安全管理演進事件樹

析，構建出對應事故的處置措施對策樹，最終將上述安全管理演進樹、故障樹、處置措施對策樹進行邏輯遞歸，有機組合建立“土石壩安全管理綜合圖譜”，如圖 3所示。

該圖譜涵蓋了土石壩現場安全管理的相關環節，綜合、清晰地表達了土石壩安全管理中典型“安全事件”的發展階段及不同安全決策導致的可能后果。透過該圖譜，土石壩安全狀況的發生、發展過程，引發關鍵事件的基本原因，所采取的各項決策、處置措施及相應的各種可能結果一目了然。根據圖譜中左下角“非潰壩性事故”的現象分類，在右上角對應的分類里選擇具體的處置方案和措施。在土石壩安全管理過程中，一旦出現事故苗頭或線索，該圖可為緊急決策提供具有可操作性的方向和思路，有利于提高壩工事故的處置決策質量。

該圖譜可作為土石壩安全管理監督檢查的參考之一，也可以作為土石壩工程安全管理實施中尋找風險源、防范于未然的主要指南之一。

3 土石壩狀態綜合評價體系

通過對數千例土石壩歷史病害事故案例的統計特征分析，構建了土石壩安全事故因果關系。在此基礎上，從土石壩現場安全管理、監測的特點出發，綜合考慮歷史事故中底事件的分類特征，依“自上而下宏觀劃分、自下而上歸納事故底事件”相結合的原則，首先依據相關安全因素的歷史事故頻次及現場安全工作特點，構建綜合評價體系的一級指標；再以各故障樹中基本事件為最小致因因子，根據因果分析圖中各基本事件與頂事件的邏輯關系以及各基本事件統計頻數，以一級指標為歸宿，組合建立二級指標，最終構建了普遍意義下的包含4個一級指標、22個底層指標、若干個中間過渡指標的多項目、多層次的土石壩安全狀態綜合評價指標體系(見圖 4)。該指標體系以土石壩歷史安全事故因果分析為基礎，其本質是基于歷史上大量專家經驗的集合來構建，更符合客觀實際。

圖4 土石壩安全綜合評價指標體系

作為綜合評價體系，需構建配套的指標權重?；仡櫼酝斯嫏嗟奶攸c與缺陷，提出了基于土石壩歷史事故統計規律的自然權重伴隨生成構權方法。研究認為，我國土石壩歷史事故案例中發生頻數較大的基本事件反映了該類建筑的某種特征，表明目前及今后一段時間內需要得到重視或急需解決的問題，因此可以認為基本事件頻數的大小反映了該基本事件對土石壩安全風險的影響程度和重要性。再考慮到土石壩安全因果關系中各層事件之間的邏輯關系，便可以確定各類事件的信息貢獻度，經過在各歸屬范圍內的歸一化處理，即可確定各層指標的相應權重(見表1)。結合巨量案例所包含的眾多專家的判斷與經驗，該研究以統計歸納的方法間接吸收這些經驗，也深刻揭示了土石壩安全管理的一些規律，比如“滲流特征”的重要程度大大超出以往的認識，對“人員與管理”因素的重要性也有不同認識。

4 水工事故辭典[5-6]

土石壩工程安全管理水平亟待提升，且應吸取歷史事故案例的經驗教訓、總結規律[7]。就大壩安

表1 土石壩安全綜合評價指標體系及權重分配

全監管系統而言，實施水壩風險管理首先應進行水工建筑物的風險辨識。對影響工程安全和人身健康或生命安全的主要危險、有害因素的識別、分類和風險分析，是保證后續安全評價工作順利進行的根本。因此，對水工建筑勘察設計、施工建設及運行維護過程中出現的各類事故案例資料進行收集、整理，建立事故案例資料的規范表達范式，構建開放式網絡數據庫，開展有效的信息檢索、數據挖掘，對于目前我國大壩的風險管理具有重要意義。“水工建筑物事故識別與決策輔助系統”的開發正是為解決這一問題。

輔助系統的開發是結合災害案例數據庫的要求及特點，將水工建筑物事故數據設計成為結構合理、邏輯清晰、穩定可靠、性能高效的數據庫,將大量病壩、險壩的信息按照一定組織順序存儲、管理并加以分類歸納、分析、處理，成為系統中有價值的信息。

該數據庫可滿足用戶不同的需求，以“查詢部位”、“查詢病癥”等方式進行分類查詢、篩選?；鶎影踩芾韱T通過輸入工程的具體安全線索，可快速檢索到同類經驗或教訓，輔助進行安全狀況識別和進一步的決策，以提升安全管理的效率和質量。研究人員可通過該數據庫快速檢索到分類數據和信息。人類健康領域“醫生”培養中的“案例教學法”就是一種重要的教學方式，該數據庫同樣可以為“大壩醫生”培養提供重要的案例庫。水工事故辭典使用示意見圖5。

圖5 水工事故辭典使用示意

作為開放式數據庫，使用者可將意見、建議以及新案例以例行范式上傳，添加數據記錄，逐步擴充數據庫，可為我國乃至世界壩工界提高大壩風險管理水平做出一定貢獻。

5 結論

土石壩事故成因及對策是工程界長期關注的熱點，由于其影響因素和機理的復雜性而難以獲得具有廣泛指導意義的技術或產品。本文基于對壩工歷史事故統計資料的歸納研究，研發了土石壩現場安全管理圖譜、土石壩現場安全綜合評價指標體系、水工事故辭典3項安全管理新技術：

(1)土石壩現場安全管理圖譜是基于我國3 976例土石壩歷史事故案例經驗、教訓總結的圖示表達。事故歷史數據反映出的統計規律可為土石壩安全管理提供指導。該圖譜可作為土石壩安全監督檢查的參考之一，各管理單位還可結合具體土石壩特點，在該圖譜基礎上修訂構建具體工程的安全管理基礎圖譜，提升現場安全管理的直觀性、效率和質量。

(2)土石壩安全綜合評價指標體系以土石壩歷史安全事故因果分析為基礎，是歷史上大量事故調查專家經驗的集合，具有廣泛意義上的安全評價代表性，具有工程實用價值。用于安全常規檢查和管理時,可明確管理方向和重點，理性分配安全管理資源；用于安全綜合評價時,有助于清晰掌握全局、快捷識別安全短板，落實管理責任。以歷史事故案例的統計特征構建客觀評價指標權重。