堤防工程設計-施工-運營全過程風險評估與管理框架

蔣水華，黃中發，甘小艷，黃勁松，黃浩智

(1.南昌大學建筑工程學院，江西 南昌 330031； 2.江西省河道湖泊管理局，江西 南昌 330009)

堤防工程全過程風險管理體系是對堤防工程傳統管理方式和管理理念的全新挑戰，也是目前提倡水利工程標準化管理的另一種模式，符合當前水利部門在水利戰略和治水思路上的重大轉變要求，是科學發展觀對水利工程管理的客觀要求。目前國內外關于堤防工程風險管理開展了一些有益的研究工作。如徐衛亞等[1]提出了場地砂土地震液化和堤防失事綜合風險分析的數學模型，以及堤防風險管理的概念。周興波等[2]闡述了確定可接受風險標準的基本原則和方法。吳興征等[3]從堤防安全運行管理角度出發建立了邊坡穩定和滲透穩定的風險評估模型，并應用于長江部分堤段風險評估中。邢萬波等[4]建立了洪水漫溢、漫頂失事概率計算模型，進而計算秦淮河堤防失事概率。丁麗[5]在擬定堤防風險因子的基礎上構建堤防工程風險分析模型，進而對堤防工程風險進行評價。謝婕等[6]建立了海堤的安全評價指標體系。黃黎明等[7]將大數據成功應用到水利工程質量風險管理中。向衍等[8]研究了土石壩的長效服役風險管理。Lendering等[9]考慮堤防水位、維修河道對地質水文的影響、歷史荷載三方面建立了失效概率模型，并利用荷蘭圩田進行實例驗證。Rosidi[10]編寫了土堤的地震風險評估程序。Schweckendiek等[11]提出了一種基于貝葉斯推理的方法來更新不確定性，并著重研究了堤防的失效破壞機理。Hui等[12]探討了堤防漫頂和滲透破壞風險評價問題。Zhang等[13]建立了基于貝葉斯網絡洪水作用下人類生命脆弱性模型，用于估計堤防失事死亡率。綜上可知，目前國內外關于堤防工程風險的研究幾乎沒有從堤防全過程來管理風險以及進行風險評價及風險管理。堤防的潰堤失事的很大一部分原因是在設計階段和施工階段沒有做好風險調控，從而留下了安全隱患。再者，堤防工程在全過程內的各個階段風險評價方法、風險對象都有差異性，為了有效地調控堤防工程風險，十分必要建立堤防工程全過程風險管理模型。

為此，本文從設計、施工和運營3階段來建立堤防工程全過程風險管理模型。在設計階段進行風險管理，獲得的風險信息可有效反饋和指導設計工作的要點；施工階段進行風險管理，可有效減少事故的發生和提高施工的質量；在運營階段對風險進行管理可加強維護監測工作和提高預警的有效性。通過對堤防全過程風險的層層調控，可大大降低失事可能性和失事后果，對堤防工程風險評估和管理具有重要的工程應用價值。

1 堤防工程設計-施工-運營全過程風險管理框架

根據堤防工程系統的特征，以堤防工程風險管理理論為指導，以有效控制堤防工程潰決風險為目標，可以從堤防工程全過程進行風險控制[14-15]，考慮到堤防工程在每個階段的風險評估及決策存在較明顯的差異性，可將由時間維、知識維和邏輯維組成的霍爾3維立體結構[16]與堤防工程系統有機結合，建立基于霍爾3維結構的堤防工程系統風險管理模型。其中時間維是指堤防開始規劃設計直至堤防到達年限退役，將其劃分為設計、施工和運營3個階段；知識維是為控制堤防工程風險而進行的風險管理的工程信息、專業知識、管理技能、管理決策等；邏輯維是針對堤防工程風險從分析到評估再到控制3個方面的邏輯過程，將其分為風險分析、風險評估和風險決策。這種風險評估和風險管理最大的特點就是能夠開展周期性評估管理，使得每個階段的風險信息得到有效傳遞，決策成果相互支撐，有助于將風險控制在可接受標準范圍內。動態的風險評估和風險管理可以提高風險評估的精度，提高管理決策的可靠性，使得堤防工程全過程風險管理持續、系統和專業化。

Fell等[17]提出的國際滑坡風險管理理論框架已成功應用于工程邊坡和自然斜坡的滑坡風險評估及管理中，主要由定義分析范圍、危險性分析和后果嚴重性分析3部分組成，融合堤防全過程風險評估思維，判斷損失是否在容許范圍內，進行風險評價和效益分析，制定相關的風險調控對策，最后建立反饋機制形成動態的風險管理。本文借鑒該風險管理框架建立的堤防工程全過程風險管理框架如圖1所示。

圖1 堤防工程全過程風險管理框架

2 堤防工程風險分析

2.1 分析范圍

2.1.1全過程劃分

在堤防工程設計、施工和運營階段的風險嚴重程度不同，風險源、影響因子、風險損失以及風險調控措施都有所不同，風險分析的對象、環境和方法也有較大的差異，所以要清楚堤防處于哪一階段，再實時收集風險資料，明確風險對象，有針對性地進行風險分析，對癥下藥，實現對風險的有效控制。

2.1.2風險因子識別

堤防工程各個階段都有風險因子。在設計階段，地質勘察不到位導致堤防施工或運營時出現險情、堤線堤型選擇不當、防滲設施設計不到位(如防滲體)以及其他結構設計達不到規范要求，導致堤防不滿足防洪灌溉要求，各種材料參數、滲透參數等達不到抗沖、抗壓和抗滲要求。在施工階段，施工不規范、碾壓土石方參數達不到要求、防滲體施工不合格、土石材料規格不符、設計文件、隱蔽部位施工不合格等風險因子將直接影響堤防質量。在運營階段，監測不到位、工程隱患發現不及時、隱患擴大、加固維養滯后、缺少預警系統以及無搶險組織等，將導致潰堤后搶險不及時，造成損失擴大。將堤防本身特點與堤防在各個階段的功能特點結合起來，并且借鑒相關堤防風險因子研究成果[5]，識別的堤防全過程風險因子如圖2所示。

圖2 堤防工程全過程風險因子

表1 堤防工程風險等級及風險度

2.1.3風險因子量化

堤防風險因子對堤防的影響程度不同，一般來說，可分為定性因子和定量因子，定量因子可能含有“極大型”因子、“極小型”因子、“居中型”因子和“區間型”因子[5]。在風險分析模型中，“極大型”因子是指該因子的取值越大，風險度越高，其他因子以此類推。為了保證各風險因子對堤防風險評價的一致性，就需要對風險因子進行量化，采用丁麗[5]提出的風險因子量化方法來量化風險因子，得到堤防綜合風險因子，再根據如表1判斷堤防風險度。

2.2 危險性分析

2.2.1失事災害特征描述

確定完分析范圍之后，需要收集信息描述堤防災害特征。信息編錄是堤防工程風險評估和管理的首要工作，也是基礎性工作，主要包括工程基礎信息、風險因子信息、工程治理信息、承災對象信息、風險評估信息和風險調控信息，將這些信息收集并用來系統描述災害特征。在堤防工程全過程各個階段內收集的信息各有側重。在規劃設計階段，邊坡信息以工程勘察信息、規劃設計方案和風險調控預案為主，信息并不詳盡。在施工建設階段，基本信息得以補充和校核，并結合施工反饋信息和監控量測信息，重點開展設計方案調整和風險的動態評估與管理。在運營服務階段，在全面掌握堤防工程設計施工信息后，側重于運營風險的監控、養護及風險管理相關信息的更新。進行堤防工程全過程信息數據庫持續更新，實現各階段信息的共享和傳遞，有望顯著提高堤防工程風險管理水平。

2.2.2失事概率計算

堤防工程出現水文失事，一般是由于堤防高度過低或洪水位過高所致。堤防發生漫頂破壞的原因可能有：①堤防工程等級較低，設計堤頂高程本身較低；②堤防沉降過大導致堤防高度不達標；③堤防施工質量不達標，未達到設計標準；④出現超標準洪水；⑤河道行洪斷面縮窄。

堤防失事有3種主要形式，即水文失事風險、滲透破壞失事風險和堤坡失穩風險[19]。堤防發生潰決破壞大多是由滲透破壞所致，滲透破壞失事主要分為堤身和堤基兩大類。堤身類有散浸、漏洞和集中滲流；堤基類有泡泉、土層隆起、浮動、膨脹、流土、接觸沖刷和接觸流失等多種形式的管涌。堤身或堤基發生滲透破壞的主要原因是隨著汛期水位的升高，背水側堤身或堤基的滲透出逸比降超過抗滲臨界比降，造成滲透破壞[20]。

堤防失穩包含局部失穩和宏觀失穩兩個方面，主要表現為跌窩、裂縫、脫坡、崩岸、滑坡和地震險情等類型[19]。堤防局部或整體滑坡會導致堤防失事，根據斷裂滑動的位置，滑坡發生在退水期高水位或發生崩塌的河岸段，背水側滑坡發生在汛期高水位或發生滲流破壞的岸段。岸坡崩塌主要發生在臨水坡灘地坡度較陡的堤段[19]。

從安全性的角度出發，結合堤防工程的風險分析實踐和處理方法，假設單元堤段的破壞模式相互獨立，單元堤段的失事綜合風險率Pf為[18]

Pf≈P滲透+P水文+P失穩

(1)

式中：P水文為水文失事概率；P失穩為堤坡失穩概率；P滲透為滲透破壞概率。

為了有效計算堤防失事綜合風險率，目前比較常見的失效概率分析方法主要有：

a. 歷史記錄法[20]。通過長期的堤防工程安全監測與統計分析，得到不同類型的失效概率；也可根據堤防災害的洪水位與失效概率關系來推測可能發生的災害概率。由于歷史數據可能缺失，該方法主要適用于運營階段的長期監控。

b. 工程類比法[20]。基于相似區域已有堤防工程災害數據資料，結合堤防工程分級系統和專家經驗，進行工程類比分析，得到相應類型和規模的堤防災害發生概率，該方法具有很強的區域性，在各個階段都有較強的適用性。

c. 可靠度分析方法。可靠度分析可考慮土體物理力學參數的不確定性，將土體參數視作為隨機變量。其中蒙特卡洛模擬方法解題思路最為清晰簡單，又不受隨機變量分布類型的限制，計算精度高，被國內外工程界廣泛應用[21]。由于巖土參數的概率分布可以從勘察資料中進行統計分析獲取，以及基于極限平衡或隨機有限元分析的計算量非常大，近年來發展起來的非侵入式隨機有限元法在堤防規劃設計階段逐步得到應用[22]。

2.3 后果嚴重性分析

2.3.1風險定性估算

目前通常采用失事概率與后果的乘積來評價風險的大小。通常高概率事件與低概率事件的影響程度相差很大，雖然失事概率與后果的乘積可能相同，但是可能得出相反的結論。因此，考慮堤防失事概率與后果嚴重度級別設置的一致性，得出風險評價標準，如表2所示。表2中H類為“不可接受”的風險，須立即采取除險加固措施；M類為“有條件可容許”的風險，進行風險評價，加固處理后，需要對安全性做出論證；S類為“有條件的可接受”的風險，經過管理和特定處理措施后，工程達到安全標準；L類為“可接受”的風險，只需正常的維修養護即可保證其安全運行。此標準既可以作為風險評估的初步評判標準，也可作為定性評價方法的風險標準[5]。

表2 風險評價標準

根據表2，需要為隨機風險分析模型和風險因子組合的風險分析模型的評估結果設定風險等級。借鑒美國肯務局對風險定性描述與定量概率間的轉換表[23]，擬定了風險定量概率與風險定性評價之間的轉換表[5]如表3所示。表3中風險度表示風險因子組合風險評價模型計算結果；概率表示隨機風險分析模型計算結果。

表3 風險定量概率與風險定性評價之間的轉化

2.3.2風險定量評估

堤防失事風險定義為堤防失事綜合風險率和堤防失事損失后果的乘積[21]，其中生命損失按下式定量估算：

RL=PfL

(2)

式中：RL為每年潰堤生命損失風險；L為潛在的生命損失人口數，單位為人。計算堤防潰決造成的潛在生命損失人口數L主要有累計加權法、F-N線法和經驗公式法等3種方法[24]。

經濟損失分為直接損失和間接損失兩類，直接損失為堤防本身和附屬建筑物等基礎設施的損失，間接損失為淹沒造成的其他損失，潰壩經濟損失風險RD可由下式進行計算[24]：

RD=(Dcorps+Dy+Dc+Dk+Ds+Dgg)Pf

(3)

式中：Dcorps為農作物經濟損失；Dy為漁業經濟損失；Dc為家畜受災經濟損失；Dk為工礦業經濟損失；Ds為商業經濟損失；Dgg為基礎設施經濟損失。

目前關于堤防堤壩潰決造成的環境損失研究很少，故推薦何鮮鋒等[24]提出的定量評估方法，采用與F-N線法類似的F-E線來評估環境損失，該方法將環境影響因子量化為貨幣價值，進而計算其發生概率：

式中：PE(x)為環境損失超過x的概率;FE(x)為每年環境損失小于x的概率分布函數；fE(x)為每年環境損失的概率密度函數。

2.3.3全過程風險評估方法

在設計階段，可利用定性估算方法在宏觀上大致判斷堤防風險等級，通過風險評價矩陣和風險定量概率與風險定性評價之間的轉化表來估測風險嚴重程度，并進行排序，指導設計工作的側重點以及需要采取的技術。雖然定性估量方法比較粗略，但可針對堤防滲透破壞、堤坡失穩和漫頂等破壞模式，制定相對應的工程加固設計，降低堤防失事概率，也可對重點部位、隱蔽部位分區設計并加強技術深度，因此在數據不足時，可以考慮采用定性評估方法。相比之下，定量評估方法更加科學合理，但工作量龐大，需要數據較多，難度也較高。如果對病險堤防進行加固設計，此時資料數據比較全面，可以提取風險因子并量化堤防綜合風險因子，參考表1判斷風險度，根據風險等級選擇加固設計技術深度，再采用定量評估方法計算出堤防失事概率，側重考慮水文失事、滲透失事破壞和堤坡失穩等，計算堤防失事可能造成的生命、經濟和環境損失，這就可準確判斷失事風險源，以及損失的輕重緩急，并有針對性地對堤防危險性較大的部位進行加固設計。

在施工階段，受施工現場條件、降雨等因素的影響，采用定量方法評估風險難度較大，故采用定性評估方法結合施工過程中的監測動態反饋分析，隨著風險評估數據不斷更新與完善，可逐步提高定性評估的精度，以防止和控制施工事故和損失。

在運營階段，堤防各個方面的信息比較全面，可開展周期性的動態監測分析，定性分析堤防存在的風險，發現潛在風險源，并據此對堤防進行風險定量評估，針對加固維養所需經費制定投放計劃，調控堤防失事風險，確保堤防發揮其經濟效益和社會效益。

3 設計-施工-運營全過程風險管理決策

3.1 設計階段的風險管理決策

3.1.1風險評價和效益分析

設計階段的風險評價和效益分析主要從設計方案的成本、潛在的財產損失和建設成本經費來分析方案的合理性，比選最佳方案。由于堤防的災害體主要是洪水，潰堤造成的損失可以模擬出來。引入風險判別標準，建議采用ANCOLD風險標準結合我國實際情況制定出符合我國堤壩的風險標準[24-25]，其中包括生命、經濟和環境風險標準，以此來判斷風險是否在容許范圍內。風險評價和效益分析的主要內容包括：①通過設計資料結合歷年洪水數據利用軟件估計風險損失，判斷堤防總體風險度，合理選擇堤型、堤線、斷面和防排水設施設計方案，避免重大堤防災害；②針對堤防水文失事(漫頂、漫溢等)、滲透破壞和堤坡失穩3大破壞模式，設計具體有針對性的降低堤防失事概率的工程措施，并制定總體風險調控方案；③對堤段進行風險分級，將重點堤防或堤段作為風險調控對象，并組織專項治理方案論證，降低風險損失。

3.1.2風險調控對策

設計階段的風險調控對策主要從規避風險、降低危險性和降低災害后果3個方面來考慮，擬定一系列風險調控對策如圖3所示。

圖3 設計階段風險調控對策

3.1.3風險決策的實施、動態監測與反饋機制

風險決策可在工程可行性研究階段、施工圖階段和規劃設計階段實施。在可行性研究階段，堤防的堤線堤型優化還有很大的空間，需要根據堤防工程防洪目標、經濟目標及社會效益選擇最優的設計方案，并做好堤防斷面設計比選，防排水工程等設計方案的論證工作。在施工圖階段，在設計方案優化的基礎上，制定詳細的堤防動態監測方案和風險調控預案。在規劃設計階段，在設計方案審查過程中，充分考慮專家經驗，對堤防風險調控方案進行有效復核和反饋分析。

3.2 施工階段的風險管理決策

3.2.1風險評價和效益分析

在堤防施工階段，設計方案已經定型，施工過程中主要可能造成人身傷害和經濟損失，堤防工程很少變更設計方案，所以可根據設計階段引入的風險容許標準來指導這一階段的風險調控，此時要優化施工方案，動態調整施工方案。這個階段風險評價和效益分析的主要內容有：①動態監測復核施工數據是否與設計方案一致，實時把控風險狀態，及時調整風險控制方案；②需將安全生產培訓落實到3類人員(施工企業主要負責人、項目負責人和專職安全生產管理人員)，技術交底到班組一線施工員；③重點堤防或堤段需要重點監控，防范潰堤事件發生。

3.2.2風險調控對策

施工階段的風險調控對策主要從降低危險性、降低災害后果和轉移風險3個方面來考慮，擬定的風險調控對策如圖4所示。

圖4 施工階段風險調控對策

3.2.3風險決策的實施、動態監測與反饋機制

在施工階段，主要通過施工過程中收集到的信息動態調整施工方案，保證施工按時按量完成的同時，有效調控風險。為了更好地制定風險調控對策，需要各個參建方以及專家協同實施，這樣才能全面反映堤防風險狀態。由于堤防大多屬于碾壓土石堤，碾壓工作質量直接關系到整個堤防工程的質量，碾壓參數的準確確定和碾壓試驗的準確率等都對降低堤防風險有重要作用，要動態監測堤防施工數據，及時發現并反饋風險數據，進而進行風險調控。

3.3 運營階段的風險管理決策

3.3.1風險評價和效益分析

堤防工程的運營階段也就是堤防發揮經濟和社會效益的階段，此時堤防自身和周邊的環境相比于施工階段更穩定，災害體主要是洪水和其他自然災害，一旦堤防失事，造成的生命、經濟和環境損失將不可估量，所以在此階段有必要引入風險標準，采用何鮮鋒等[24]風險標準的F-N線法結合我國實際制定的風險標準，制定適合我國堤防工程實際的風險標準，以此來指導風險評價和效益分析。這個階段的風險評價和效益分析內容主要有：①開展周期性堤防風險調查與評估，對堤防風險分級，劃分重點堤防和一般堤防；②對堤防進行周期性安全隱患排查，制定檢修頻率，養護活動經費投入到位；③建立堤防工程預警系統，評估加固補強工作的合理性和有效性，評估實施效益，并且可借鑒蔡蕁等[26]研究成果制定堤防綜合預警系統；④實施應急搶險組織等管理措施，防止災害進一步擴大。

3.3.2風險調控對策

運營階段的風險調控對策主要從降低危險性、降低災害后果和轉移風險3個方面來考慮，擬定的風險調控對策如圖5所示。

圖5 運營階段風險調控對策

3.3.3風險決策實施、動態監測與反饋機制

運營階段的風險調控是長期的，借鑒王浩等[27]提出的經常性監控量測與檢修維護、專業化定期診斷與專項維護以及專家級預警與搶險加固為一體的路塹邊坡三級風險監測管理體系來制定堤防工程風險管理決策體系：①進行經常性監控量測與檢修養護，即堤防管理部門通過日常周期性的檢查巡視和一些簡單監測手段或工具監控堤防安全隱患，降低風險發生概率。②進行專業化定期診斷與專項維護，即聘請專業的巖土監測公司采用科學的滲透、水文、失穩監測儀器和檢測方法來評估堤防風險，判斷堤防穩定狀態，提出堤防加固方案，并和相關管理部門一起論證方案的可行性；③進行專家級預警與搶險加固，即堤防管理部門同堤防專家對堤防安全狀態進行分析，制定應急預案和應急搶險制度與方案，并出具相關加固方案，以防止堤防失事破壞災害的進一步擴大。

4 鄱陽湖區長樂聯圩堤防工程風險評估

鄱陽湖區長樂聯圩[28]位于江西省北部，南昌縣東部，撫河故道與撫河尾閭之間，西北至撫河故道右岸，南至撫河左岸及青嵐湖，東至金溪湖及南湖。長樂聯圩原堤線長100.97 km，2007年實測長度為97.1 km。圩堤保護面積248.9 km2，保護農田178.1 km2，保護水面17.3 km2，保護人口21.0萬人，其中農業人口20.0萬人；非農業人口1.0萬人。2007年圩內工、農業總產值70 731萬元，其中工業產值60 038萬元，農業產值10 693萬元。糧食產量16.78萬t,水產品1.136萬t,油料0.472 3萬t。保護區內有昌萬公路、樂溫高速公路等重要基礎設施。

定性分析風險嚴重性主要是量化堤防工程風險因子，如圖2所示，具體風險因子量化方法參照文獻[5]，將量化結果對照表3來判斷后果嚴重性及其概率，可得長樂聯圩風險因子組合風險評價模型結果(風險度)為0.68，由表3可知其定性描述為可能性極小，概率為0.1，對照表1風險等級可知該堤防較安全，處在可接受范圍區。

定量分析風險嚴重性過程如下：根據長樂堤防工程設計及風險率分析得到P水文=1.52×10-7、P滲透=2.39×10-6、P失穩=2.13×10-6，通過式(1)計算堤防失事概率Pf=4.54×10-6/a。采用經驗公式的方法計算L=1人，通過式(2)計算生命風險RL=4.54×10-6人/a，查F-N線法表征的生命風險標準圖處于可接受區，說明潰堤造成的生命損失風險嚴重性較小，經統計經濟損失為2.001 5億元。通過式(3)計算得到經濟風險RD=0.908 7萬元/a，查F-N線法表征的經濟風險標準圖處于不可容忍區，說明經濟風險嚴重較大。另外由于環境損失涉及范圍廣、數據不足等原因，因而沒有針對生態環境作風險嚴重性定量分析。

由定性評估中堤防全過程風險因子量化結果可知，該堤防還是較安全的，處在可接受范圍，可針對各階段較大的風險因子進行著重把控，降低各階段的風險。在設計階段優化堤線堤型，根據堤防工程防洪目標、經濟目標及社會效益選擇最優的設計方案，并做好堤防斷面設計比選等工作[29-30]；在施工階段嚴抓施工質量，全程動態監測保證各項施工參數和試驗的準確性；在運營服務階段做好預警和監測工作以及維護保養工作。由定量評估可知堤防潰堤造成的生命損失在可接受范圍內，故可通過提前預警減少生命損失，而經濟損失在不可接受范圍，針對經濟損失部分可采取提高堤防保護范圍內的建筑物防洪等級、提前撤離和風險轉移等措施。

5 結 語

本文提出了基于霍爾三維結構的堤防工程系統風險管理模型，將堤防工程設計、施工及運營階段風險管理活動有機結合，構建了堤防工程全過程風險評估及管理技術框架，論述了不同階段風險評估及管理的若干技術細節問題。利用該技術框架既可以相對獨立地完成堤防工程風險分析、評估及管理流程，實現堤防工程風險調控階段性目標，同時可以實現不同階段風險評估信息的聯動和風險管理活動的前后有效銜接，從而達到在設計階段預測和規避風險，施工階段防范和降低風險，運營階段監測和管控風險的總體目標。最后，以鄱陽湖區重點堤防長樂聯圩為例，闡述了本文所擬定的堤防工程全過程風險評估及管理工作流程，結果表明該技術方案有望在工程實踐中逐步得到應用和發展完善。