基于可靠性理論的水電站大壩滲流風險識別方法

饒 奇，蔣春宇

(沈陽市文林水土工程設計有限公司，遼寧 沈陽 110000)

根據當前社會經濟發展需要，以及風險識別觀念的引入，使得當前水電站大壩管理模式逐漸由傳統的安全管理向著風險管控的方向發展。針對水電站大壩的風險分析、管理和控制，主要是通過對其風險實施一整套完整的政策和程序完成的，是對風險進行識別、評估、處理和監控的一系列管理過程。風險識別是水電站大壩風險分析中的第一環，而大壩的滲流風險又是直接影響風險分析和評價準確性的重要因素[1]。因此，如何客觀、準確地實現對水電站大壩滲流風險的識別，是水電站未來實現可持續發展的重要研究內容。可靠性理論是一種通過系統性的運行，實現對普遍數據規律分析、評價和控制的理論。在整個體系運行過程中，其組成成分越多，關系相對越復雜，體系與效力的可靠性越低。通過這一理論實現對不同領域中各類風險的有效識別。針對當前水電站大壩滲流風險識別過程中存在的局限性、不確定性等問題，本文結合可靠性理論，開展對水電站大壩滲流風險識別方法的設計研究。

1 基于可靠性理論的水電站大壩滲流風險識別方法設計

1.1 滲流風險影響因子選擇

滲流時水電站大壩常見的病險癥狀之一，通常發生滲流同時會伴隨著流土、接觸沖刷、接觸流失等危險事故。當發生滲流時，水電站大壩原有的土體顆粒物會受到水的流動作用從原本的位置上被沖刷，進而造成大壩土體結構的移動或流失，對大壩造成嚴重的安全威脅。因此在選擇水電站大壩滲流風險影響因子時，將大壩實際滲流比降大于臨界滲流比降作為大壩滲流的發生條件。其中實際滲流比降可通過實際測量獲得，臨界滲流比降可通過實驗確定[2]。一旦受到某些影響因素造成水電站大壩某個部位的實際滲流比降大于臨界滲流比降，大壩將產生滲流的風險，而這些因素即為水電站大壩滲流風險影響因子。

將水電站大壩滲流風險影響因子劃分為內部影響因子和外部影響因子兩種。對于大壩壩體而言，主要內部影響因子包括孔隙比P1、干密度P2、黏粒含量P3等。當上述參數與正常數值之間產生較大偏差時，則說明存在滲流風險，并進一步影響滲流的系數。針對大壩壩基而言，其內部影響因子主要包括基巖巖性P4、斷層裂縫特性P5以及壩基透水性P6等。當水電站大壩存在險情，若壩體和壩基同時發生滲流時，則會進一步增加水電站大壩出現滲流破壞的風險。外部影響因子主要包括大壩所承受的荷載問題，包括在上游水位P7、下游水位P8、洪水歷時P9等情況下荷載的變化。

1.2 基于可靠性理論的大壩滲流破壞概率估計

第一步：確定水電扎大壩的幾何模型以及多個滲流邊界條件。以二維滲流分析為主，確定大壩的幾何尺寸，包括大壩高度、壩坡角度，將邊界條件設置為上下游水位。

第二步：獲取水電站大壩各個層次材料的滲透系數平均值、方差以及相關距離等參數。在獲取上述參數時，可通過經驗公式、室內試驗以及野外原位試驗等方式。同時，一般滲透系數滿足對數的正態分布要求，因此也可通過正態分布的方式獲取各項參數。

第三步：對隨機場進行離散處理，通過局部平均法或中心法實現。

第四步：對有限元網格和隨機場網格結構進行統一劃分。為了方便后續對大壩滲流風險進行識別，劃分網格時，可通過將有限網格和隨機場網格共用同一套網格結構的方式實現，以此將兩種網格結構上的特性相互賦予。

第五步：進行有限元確定性計算。針對上述已經完成隨機場特性賦予操作的水電站大壩有限元模型進行確定性分析和計算，計算過程中采用滲流計算軟件完成[3]。通過計算結果可以準確地完成對大壩坡度的具體反映，若滲透坡度超過臨界滲流坡度值時，則判斷該結構已經失效，大壩滲流破壞概率增加。

第六步，計算具體的大壩滲流破壞概率。重復上述第一步～第五步操作N次，并將其作為樣本數據。通過統計出現大壩滲流的樣本數量，計算已經發生大壩滲流破壞的樣本數量與總體樣本之間的比值，得出的數據結果即為滲流破壞的概率。

1.3 水電站大壩滲流風險計算

在完成上述相關研究的基礎上，可基本掌握大壩滲流帶來的風險與潰壩潛在的危險，因此，本章將根據上述研究成果，對水電站大壩發生時可能帶來的風險根據相關風險研究成果進行計算，在計算過程中，可按照滲流現象發生的風險率，進行安全事故發生的后果系數相乘的方法，統計安全評估數值。并以此為依據，分析水電站大壩滲流風險數值或系數落在的具體區域，從而判斷風險為可控制風險、可自動調節風險、不可控制風險、可解決風險、極高行為風險等。在完成滲流風險的確定后，分析是否應對風險進行及時處理，或應采用哪種有效的風險處理方式。

參照傳統水電站大壩滲流風險計算方法，在實際計算中，將風險按照影響范圍對其進行劃分。可分為：個體風險、群體風險、市場經濟效益風險、生態環境風險等。根據上述分析，對風險系數進行計算。計算公式如下。

(1)

式中：RI表示為水電站大壩出現滲流現象時，個體行為出現的生命危險系數；Pf表示為水電站大壩可能出現的滲流現象發生概率；Pd/f表示為在水電站大壩發生滲流現象時，生命個體可能呈現的最高死亡概率。根據上述計算公式，對大壩滲流風險劃分標準進行設計。見表1。

表1 水電站大壩滲流風險劃分標準

按照上述表1中內容與上述計算公式，將水電站大壩風險系數進行對照，按照水電站大壩滲流風險劃分標準，輸出滲流風險類型，通過將得出的數據結果與滲流風險等級進行對比，完成對大壩滲流風險的識別。當水電站大壩風險位于極高類型時，必須采取相應的措施降低風險，以減少對周圍環境、人員等造成的影響，保證水電站的經濟效益和社會效益。

2 對比實驗

選擇某水電樞紐作為實驗對象，該水電站建立在河流支流上，該水電站當中的主要建筑物包括：混凝土重力壩段、廠房壩段、泄洪閘段等。該水電站整體為三級工程，建筑物在建設初期的施工等級為3級。大壩自開始動工至今，使用年限超過了20 a。該水電站當中用于工程設施監測的項目包括壩體變形監測、垂直位移監測、泄洪量監測等，但針對大壩的滲流量監測并未涉及。因此，分別選擇本文設計的基于可靠性理論的水電站大壩滲流風險識別方法和傳統風險識別方法對大壩的滲流量進行監測，并判斷其可能存在安全隱患的評價結果。為方便對兩種識別方法的比較，選擇將相對貼近度作為評價指標，用于判斷兩種識別方法的實際應用效果。相對貼近度的計算公式如下：

(2)

式中：λ表示為兩種方法的風險識別結果的相對貼近度；ε表示為各個風險因子的相對貼近度；y表示為各個評價識別指標的正理想解。將實驗結果進行記錄，并根據上述公式計算兩種識別方法的相對貼近度，繪制成實驗結果對比表見表2。

表2 兩種識別方法實驗結果對比表

根據表2中的數據可以看出，本文識別方法的相對貼近度明顯高于傳統識別方法的相對貼近度。由于相對貼近度的數值越高，說明識別的準確性和適應性越高。因此，通過實驗證明，本文提出的基于可靠性理論的水電站大壩滲流風險識別方法與傳統識別方法相比可有效提高識別結果的準確性，為后續水電站大壩防護措施的方案設計提供有力幫助。

3 結語

本文以水電站大壩的滲流風險作為研究對象，通過對影響其發生滲流風險的各項因素進行分析，提出一種基于可靠性理論的水電站大壩滲流風險識別方法，并通過實驗證明了該方法的應用優勢。針對不同工程項目的風險識別與評價在水電站大壩領域中具有較為廣闊的發展前景，本文在設計識別方法時，對于經濟、環境和社會等方面的影響，并未過多涉及。因此，在后續的研究中還將對各類影響因素進行綜合分析，以提出一種更加完善的識別方法。