黃河上游某水電站初期導流標準風險分析

林萬旭,韓鵬輝,王琳琳,孫 斌

(1.西北水利水電工程有限責任公司，西安 710065；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；3.西安文理學院數學與計算機工程學院,西安 710065)

1 工程概述

黃河上游某水電站位于青海省海南州興海縣與同德縣交界處的黃河峽谷內，是以發電為主的特大型水電工程，樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道、右岸放水洞、壩后消力塘、左岸泄洪洞及左岸地下引水發電系統組成。最大壩高257.5 m，水庫總庫容44.74×108m3，電站裝機容量2 600 萬kW。

工程可研階段采用全年土石圍堰擋水、左岸一條低導流洞與尾水洞結合+左岸高導流洞與豎井旋流泄洪洞結合的施工導流方案，其初期導流由全年土石圍堰擋水，左岸低導流隧洞導流；中期大壩度汛由壩體臨時斷面擋水，左岸低導流隧洞泄流；后期低(導流洞下閘后)導流洞堵頭施工期由二期面板以下壩體擋水、左岸旋流導流洞與放水洞聯合泄流，左岸旋流導流洞下閘后由二期面板以下壩體擋水、右岸放水洞泄流。

工程圍堰使用年限為3 a，按初期導流標準4項指標確定導流建筑物級別為3級，土石類圍堰相應的初期導流洪水設計標準為50～20 a，導流標準的選擇從水文氣象條件、技術經濟比較、工程類比等方面進行了綜合分析與比較，同步進行了初期導流標準風險度分析，本文簡要介紹工程初期導流標準風險度分析。

2 施工導流系統動態綜合風險

施工導流貫穿于整個工程施工的全過程，它對工程的總投資、施工進度及整個工程如何安全、可靠、合理地實施有著十分重要的影響[1]。作為控制施工期河道水流的臨時性建筑物，可能遭遇的洪水是隨機事件，不論選擇何種導流標準，都存在發生超標準洪水的可能性，因此，導流標準的選擇其本質是風險決策問題，可用風險分析的方法予以解決[2]。

2.1 導流系統風險率

對于土石類圍堰，在導流時段內遭遇超標準洪水時，由于超過導流泄水建筑物泄流能力而使堰前水位超過堰頂，導致圍堰失事，導流系統不能發揮作用[3]。因此，導流系統風險也就是圍堰施工及使用期內堰前水位超過堰頂高程的可能性，即為導流系統風險率[4]。圍堰的堰前水位超過圍堰設計擋水位的風險率R為：

R=P(Zup≥Hupcoffer)

(1)

式中：Zup為上游圍堰堰前水位；Hupcoffer為上游圍堰設計擋水位。

當量洪水重現期為：

Te=1/R

(2)

2.2 導流系統動態綜合風險率

根據工程導流設計資料，考慮水文、水力等不確定性因素影響，采用Monte-Carlo方法模擬施工洪水過程和導流建筑物泄流，統計分析確定圍堰上游水位分布和圍堰的擋水高度對應的風險[3]。在圍堰的使用運行年限內，n年內遭遇超標準洪水的動態綜合風險率R(n)為：

R(n)=1-(1-R)n

(3)

式中：R(n)為n年內遭遇超標準洪水的動態綜合風險率；R為堰前水位超過圍堰設計擋水位的風險率[5]。

3 初期導流標準決策目標及目標值的計算方法

動態綜合風險率隨導流標準提高而降低，但動態綜合風險率不能給決策者提供選擇多大的風險度最值得及有無所選風險度的承受能力，即沒決策目標值。為此本文以經濟因素(備選方案的導流工程預期總費用E)為決策目標進行單目標風險分析，其原則是選取在風險發生后對工程造成的期望損失費用D與導流工程投資費用C之和最小的方案為最優方案。

3.1 風險假定

施工導流過程中涉及到的風險主要有洪水風險、泄流風險、結構安全風險和工期風險[6]。根據中國水電工程經驗，導流工程遭遇超標準洪水導致潰堰造成損失的風險比較大，據此本文僅考慮遭遇超標洪水時導流建筑物的風險。

工程圍堰擋水度汛3個汛期，圍堰的風險期為3 a，各年遭遇超標洪水潰堰工況組合及相應發生概率計算式見表1。

表1圍堰工程遭遇超標洪水的工況組合及相應概率計算式表

注：√代表潰堰；○代表運行正常；R1、R2、R3代表圍堰每年遭遇超標洪水的概率。

3.2 概率計算

利用概率的并集計算公式、動態綜合率風險公式組成聯合方程組求解表1各工況圍堰每年遭遇超標洪水的概率[7]，假設P(R1)=R1，P(R2)=R2，P(R3)=R3，具體方程組如下：

R(1)=1-(1-R)1=R=R1

(4)

R(2)=1-(1-R)2=2R-R2

(5)

R(3)=1-(1-R)3=R3-3R2+3R

(6)

(7)

(8)

求解上述方程組可得R1=R2=R3=R，由此可求得表1中的概率P。

3.3 決策目標值的計算方法

初期導流標準風險分析以備選方案導流工程預期總費用為決策目標值[8]，以決策目標值最小者為優選方案，預期總費用包括導流工程投資費用和期望損失費用(遭遇超標洪水時潰堰造成的各項損失費用之和)[9]。

導流工程的預期總費用E計算式：

E=C+Cp

(9)

式中：E為導流工程的預期總費用；C為確定型投資費用，包括擋水、泄水建筑物及基坑的抽排水費用等；Cp為期望損失費用。

期望損失費用Cp為潰堰造成的各項損失，其計算式為：

Cp=Cp1+Cp2+Cp3+Cp4+Cp5

(10)

式中：Cp1為修復上、下游圍堰的費用；Cp2為基坑再次抽排水的費用；Cp3為基坑清淤的費用；Cp4為工期延遲導致的發電損失費用；Cp5為其它損失費用。

4 風險分析過程

4.1 備選導流方案及潰堰風險損失費用

初期導流標準選擇方案以洪水重現期分別為50年、30年、20年一遇3個標準對應方案作為備選方案，根據導流建筑物布置、施工條件及圍堰度汛要求，并經圍堰施工強度分析論證，以圍堰最大高度不超過70 m確定3個標準對應導流工程規模。3個標準對應導流工程特性見表2。

表2 3個導流標準對應方案特性表

根據圍堰的動態綜合風險率，利用概率數對不同導流標準的期望損失費用進行計算，計算結果分別見表3～5。

4.2 初期導流標準的確定

根據以上計算成果，列出50年、30年、20年一遇洪水標準對應導流工程預期總費用工程對比表，詳見表6。由表6可知，就初期導流標準以經濟因素為目標進行風險決策，采用30年一遇洪水標準時損失期望值最小，故為推薦導流標準。當然風險分析僅是初期導流標準選擇的一項決策目標，鑒于本項目導流工程技術復雜，初期導流標準的選擇同時從水文氣象條件、技術經濟比較、工程類比等方面進行了研究分析，經綜合研究推薦初期導流標準采用30年一遇。

表3 50年洪水重現期的期望損失費用計算成果表

表4 30年洪水重現期的期望損失費用計算成果表

表5 20年洪水重現期的期望損失費用計算表

表6 不同導流標準的導流工程預期總費用E表

5 結 語

水電工程施工導流建筑物設計洪水標準選擇的本質是風險決策問題，可用風險分析的方法予以解決。據DL/T5397-2007《水電工程施工組織設計規范》中有關規定選定的導流標準只能定性地說明“標準、費用、風險”三者的關系，但不能給決策者提供明確的決策目標值。而通過風險分析，應用風險分析理論，能科學地找出“標準、費用、風險”三者的定量關系，有效地判斷所選設計標準的合理性，可為初期導流標準的選擇提供決策依據。采用風險分析方法使初期導流標準的選擇更科學化與合理化。本文公式推導成果及風險分析方法在大、中型水電工程中值得推廣應用。