規劃設計階段水庫大壩風險評估及方法研究

顧小兵，肖浩波

(1.水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；3.長江勘測設計規劃研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

我國水庫工程規劃設計階段等級劃分是根據工程規模、效益和在經濟社會中的重要性，按庫容、防洪、治澇、灌溉、供水、發電等指標綜合確定。一般來說，庫容規模決定水庫工程防洪標準，庫容越大防洪標準越高。這種做法與發達國家有所不同，如美國現行水庫工程規模劃分和防洪標準選擇是綜合庫容、壩高及大壩失事風險等級來確定的，一定程度上體現了大壩風險管理理念。水庫工程為社會提供極大經濟和生態效益的同時，也有可能因大壩失事給下游地區造成人員傷亡和財產損失風險。2021年水利部提出“人員不傷亡、水庫不垮壩、重要堤防不決口、重要基礎設施不受沖擊”“四不”新要求。在水庫工程規劃設計階段開展大壩風險等級評估，探索量化考慮水庫潰壩后果的影響，對規劃設計方案可能存在風險進行預判分析，可有效降低工程安全風險和社會不良影響，從而達到科學規劃、合理設計、控制風險的目的。

1 水利水電工程行業風險評估標準發展現狀

工程風險評估是一項系統性、專業性、科學性和綜合性很強的工作，各行業特點與風險評估方法適應程度不同，應用發展水平也有一定差距。交通、鐵路、市政等行業開展工程建設風險評估相對成熟，2010年交通運輸部發布了《關于在初步設計階段實行公路橋梁和隧道工程安全風險評估制度的通知》(交公路發〔2010〕175號)，風險評估制度開始在公路橋梁和隧道工程的初步設計階段試行。水利水電工程往往具有投資規模大、建設周期長、工程技術復雜、制約因素多等特點，風險評估發展緩慢?；趪覙藴蔊B/T 27921—2011《風險管理 風險評估技術》，水電行業發布了GB/T 50927—2013《大中型水電工程建設風險管理規范》，指導大中型水電工程的規劃、設計及施工期風險管理。2014年水利部組織有關單位編制《水庫大壩風險等級劃分標準》及《水庫大壩風險評估導則》，限于大壩風險分析的體系架構和技術路線尚需進一步完善，兩部標準均未發布實施。水利部在2018、2019年連續發布《水利部關于開展水利安全風險分級管控的指導意見》(水監督〔2018〕323號)及《水利部辦公廳關于印發水利水電工程(水庫、水閘)運行危險源辨識與風險評價導則(試行)的通知》(辦監督函〔2019〕1486號)，指導意見和導則均側重于運行管理階段工程安全風險防控。近年來，為規范流域梯級水庫群全生命周期安全風險評估與防控，國家能源局發布了NB/T 10882—2021《梯級水庫群安全風險防控導則》。

2 規劃設計階段水庫大壩風險評估方法

運行管理階段風險評估基于工程歷史運行或實測資料，側重對建設運行中工程性狀的實際風險分析；對于規劃設計階段尚未建成的水庫工程，更多是根據相關規劃設計資料，分析工程方案的潛在風險。國內外現有的大壩風險分析方法大多基于概率論或模糊邏輯的，更適用于在建或已建工程風險評估?，F有風險評估研究及標準多數應用于運行管理階段，可用于規劃設計階段工程風險評估的參考資料較少。GB/T 50927—2013和NB/T 10882—2021這兩部標準均提出了規劃設計階段工程風險等級劃分標準，但與之相應的評估方法卻未作具體規定，所列專家經驗法、可靠性分析法并不能很好適用于其規定的潰壩概率與后果損失分析。大壩風險是對其負面影響可能性和嚴重性的度量。目前，潰壩概率、潰決模式及潰壩后果分析仍是采用多學科交叉方法研究的復雜問題，不便于實操。為便于規劃設計階段大壩風險量快速評估，本文采用基于專家經驗的定性和半定量方法來計算潰壩概率和潰壩后果，評估方法采用的風險因素和參數依據相關規劃設計資料概化處理。

3 規劃設計階段水庫大壩風險評價模型

本研究的評估基于規劃設計的前期資料，不考慮工程建設、項目管理等方面風險，單從估算漫壩概率結合大壩所處工程環境、壩體結構等方面獲得潛在致潰概率指數；在不進行潰壩洪水分析與洪水風險圖制作情況下，單從下游保護人口、基礎設施分布及社會經濟發展程度等方面，結合庫容與壩高獲得潛在潰壩損失指數，進而求取潛在潰壩風險指數。

3.1 潛在致潰概率指數評價模型

水庫潰壩機理復雜，影響因素眾多，基于可靠度等理論精確推求潰壩概率難度很大，依靠專家經驗又有一定的主觀性。目前對潰壩模型研究有一定的進展，運行管理階段大壩潰決概率計算一般采用歷史資料和事件樹法或兩者相結合的辦法。參考其思路方法，本文分析了規劃設計階段大壩致潰主要影響因素，研究提出了潛在致潰概率指數P估算方法。潛在致潰概率指數P通過考慮壩型影響系數D與壩區致險系數K，在估算漫壩概率指數F基礎上獲得。計算公式為：

P=F×D×K

(1)

(1)估算漫壩概率指數F

估算漫壩概率指數F通過估算漫壩概率F′的分級獲得。超標標準洪水是導致漫壩主要因素之一，估算漫壩概率F′為大壩合理使用年限N年內超標準洪水發生概率，是通過大壩校核洪水標準TR推求的大壩合理使用年限N內年平均超標準洪水發生概率，計算公式為：

(2)

按最不利工況估算合理使用年限內大壩年平均漫壩概率值見表1。

表1 估算合理使用年限內大壩年均漫壩概率值

通過式(2)求得估算漫壩概率F′。根據估算漫壩概率按表2插值獲取估算漫壩概率指數F，其取值范圍對應為0～5。

表2 估算漫壩概率指數取值

(2)壩型影響系數D

壩型與潰決模式和潰壩后果密切相關，壩型影響系數D主要考慮大壩壩型差異。土石壩漫壩后潰壩可能性較大，擬定壩型影響系數為1.0(按漫壩潰壩率100%計)，也符合同條件下土石壩潰壩風險大于混凝土壩的普遍認識?？紤]到土石壩與混凝土壩在壩高提級指標比值上大約是0.7倍關系，擬定混凝土壩型影響系數為0.7(混凝土壩可能漫而不潰，潰壩概率降低)。

(3)壩區致險系數K

壩區致險系數K主要考慮大壩所處工程環境，如壩址地質條件K1、區域地震情況K2、上游梯級及庫區影響K3等。不同工程的致險工程環境因素不同，根據具體情況，考慮因素可以適當增減，考慮因素的權重也可以經驗判定。典型致險工程環境因素見表3。表中常規的、一般性致險工程環境因素致險系數取1.0(期望值)。優于常規或一般致險工程環境因素的情況，致險系數取0.5(優于期望值)；劣于常規或一般致險工程環境因素的情況，致險系數取1.5(低于期望值)。壩區致險系數K采用如下線性加權和法構造：

K=ω1×K1+ω2×K2+ω3×K3

(3)

式中，ωi—各類工程環境因素Ki的權重系數，根據具體工程判斷確定，∑ωi=1。

(4)潛在致潰概率指數P

表3 典型致險工程環境因素

通過式(1)求得潛在致潰概率指數P。由于估算漫壩指數F的取值范圍為0～5，在壩型影響系數D和壩區致險系數K的影響下，潛在致潰概率指數P總體分布范圍約在0～5間，超出和低于該區間的極端數值分別以上下限值5和0替代。研究將潛在致潰概率指數按可能性由小到大依次劃分為“幾乎不可能”“不太可能”“可能”“很可能”和“非常可能”5級，見表4。

表4 潛在致潰概率指數分級

3.2 潛在潰壩損失指數評價模型

潰壩損失包括生命損失、經濟損失及社會與環境影響多方面。通常潰壩損失計算需要一定比例和范圍洪水淹沒區地形圖，將人口信息、經濟信息分別展布到洪水計算格網圖上，形成人口信息格網與經濟信息格網，并與洪水特性格網疊加計算相關損失，結果的影響因素眾多且存在很大的不確定性，基礎資料收集的工作量和難度很大。研究基于相關前期資料，分析潰壩損失主要構成，提出規劃設計階段潛在潰壩損失指數L估算方法。潛在潰壩損失指數L通過考慮潰壩能量系數E與估算下游損失系數S(兩者均為無量綱值)基礎上獲得。計算公式為：

(4)

(1)估算下游損失系數S

水庫大壩潰壩損失往往是災難性的。目前，國際上尚無統一的災難分級標準。對于災難等級的評定，大多數國家采用單種災度評估和綜合災度評估兩種方法來確定社區的受災嚴重程度。規劃設計階段只能通過前期基礎資料概化估算下游損失。本研究嘗試采用綜合災度評估方法，下游損失影響因素包括水庫防洪效益指標項中保護人口及保護區當量經濟規模(城市保護區)，此外，下游一定范圍可能受影響的重要基礎設施等也納入考量并統計。當然，不同工程的下游損失影響因素不同，根據具體情況，考慮因素可以適當增減，同樣考慮因素的權重也可以經驗判定。估算下游損失系數S采用如下線性加權和法構造：

S=φ1×S1+φ2×S2+φ3×S3

(5)

式中,S1、S2、S3—生命損失、經濟損失和社會與環境影響的嚴重程度估算量(無量綱值)。估算生命損失S1采用下游保護人口數的0.001倍計(單位：人)，暫未考慮下游人口密集度、地形條件等影響；估算經濟損失S2采用0.01倍下游保護人口年GDP值計(單位：億元)，具體估算時需考慮地區經濟差異；社會與環境影響S3根據下游影響范圍及交通、輸電、輸水、油氣線路及廠礦企業等基礎設施重要性確定。主要下游損失影響因素見表5。

表5 下游損失主要影響因素

φi為各類下游損失影響因素Si的考慮權重系數，根據具體工程判斷確定，∑φi=1。李雷、王仁鐘等研究認為，現階段，取S1=0.737、S2=0.105、S3=0.158比較合理，符合我國現階段國情與經濟社會發展水平。

(2)潰壩能量系數E

潰壩洪水的洪峰流量、運動速度、破壞力遠遠大于設計洪水，其破壞能力與水庫庫容、壩前水頭、潰決過程及壩址下游河道的兩岸地形有密切關系。潰前庫容越大，壩前水頭越高，破壞力也越大。潰壩實際損失取決于潰壩洪水危險性及大壩下游的人口、財產等。水庫規模越大，壩高越高，設計和建設標準越高，工程質量越好，運行管理越規范，潰壩風險越低。水庫潰壩的重要原因之一。在不考慮下游地形條件下，研究潰壩洪水危險性通過水庫庫容和大壩高度來反映。因壩高與庫容乘積HV數值較大，通過對其求對數獲得該數量級值，代表潰壩能量系數E，公式如下:

E=logHV

(6)

式中,H—壩高風險系數，m；V—庫容風險系數，百萬m3；E—潰壩能量系數，無量綱值，取值范圍為(0，5)，超出和低于該區間的極端數值分別以上下限值5和0替代。

(3)潛在潰壩損失指數L

通過式(4)求得潛在潰壩損失指數L，其取值范圍為(0，5)。研究將潛在潰壩損失指數按嚴重性由小到大依次劃分為“一般”“較大”“重大”“特別重大”和“災難性”5級，見表6。

R=P×L

(7)

表6 潛在潰壩損失指數取值

3.3 潛在潰壩風險指數評價模型

根據國際大壩委員會的定義，潰壩風險是潰壩概率與潰壩后果的組合。規劃設計階段大壩潛在風險指數R為潛在致潰指數P與潛在損失指數L的乘積。計算公式為：

關于風險指數分級，各國社會經濟環境不同劃分標準也各不相同。規劃設計階段，我國水庫工程等級劃分為5等；《水庫大壩安全評價導則》將大壩安全狀況分為3類；國家安全事故等級劃分標準為4級；目前水利水電行業已發布標準將水庫大壩風險分為極高風險、高風險、中風險和低風險4級。參考國家突發公共事件應急預案以及國家防洪抗旱應急預案的規定，結合潰壩損失嚴重性等級劃分結果，研究將潛在風險指數評價標準劃分為5級，即Ⅰ級(特別嚴重)、Ⅱ級(嚴重)、Ⅲ級(較重)、Ⅳ級(一般)和Ⅴ(輕微)，依次用紅色、橙色、黃色、藍色和綠色表示，見表7。

表7 潛在風險指數等級判斷標準

4 假定案例測算及分析

運用上述風險指數快速評估方法對假定部分參數的8座規劃設計水庫進行測試評估，以測試方法的可行性和操作性，通過測評結果分析其規律性和合理性。風險指數測評結果見表8。

表8 假定規劃設計階段水庫大壩風險評估測試結果表

表中1#壩是山區高壩大庫的典型樣本，壩區致險系數較高，但估算的潛在致潰概率指數并不太高，符合高壩大庫建設標準高，實際潰壩率并不高的失事數據統計結果。由于其下游失事影響對象的重要性較高，從而得出潛在潰壩風險指數較高，判定潛在風險等級為Ⅱ級。該樣本中下游損失影響因素和壩區致險系數取值均在上限值，實際規劃設計中壩址下游損失影響多個因素中也不可能均為上限值，且通過工程措施或方案優化后，壩區致險系數不會均處于上限值，尤其是具備可降風險措施條件的風險項。

表中6#壩是山區高壩小庫的典型樣本，7#壩是平原大庫的典型樣本，8#壩是平原中小庫的典型樣本，三者壩區致險因素系數各不相同，總體系數值較高，估算的潛在致潰概率指數中小型水庫大于大型水庫。由于三者下游失事影響對象的重要性均較高，從而得出潛在潰壩風險指數較高，判定6#壩、7#壩潛在風險等級為Ⅲ級，8#壩潛在風險等級為Ⅱ級，進一步說明在極端不利工況條件及潛在失事影響嚴重性高的情況下，中小型水庫尤其是平原型中小型水庫潰壩失事風險相對較高，即小庫高壩及城市型水庫的潰壩風險尤為突出。

5 結論與建議

水庫大壩規劃設計不僅關注大壩建筑物自身結構安全，同時要關注大壩建設對下游的公共安全風險。我國部分大壩在運行管理階段，根據潰壩洪水開展了風險分析及應急預案編制工作，但缺少在規劃設計階段開展大壩潛潰壩風險評估的研究，大壩安全等級也未與下游風險水平建立直接聯系。近年來，業內對水庫大壩增加風險管理的呼聲越來越高，也曾組織開展過相關標準的編制工作，但尚未運用于大壩安全風險評價實踐。

風險分析是一項非常復雜的工作，包括技術、經濟、社會等諸多方面的因素，如何探索出適應于我國國情的、科學的對策與相應的技術措施，尚有許多問題待解決。規劃設計階段大壩風險評估通過風險預估分析，為工程規劃設計方案提供輔助決策參考，適應新階段水利高質量發展需要?；谒畮旃こ桃巹澰O計前期資料，探索研究并提出一種在規劃設計階段快速評估大壩風險的分析方法，供行業風險評估相關研究參考。