水壩設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)分析

曹楚生 ，張叢林

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.中水北方公司，天津 300222）

0 前言

近二三十年以來(lái)，風(fēng)險(xiǎn)分析理念己逐漸深入到各種工程設(shè)計(jì)中，有些工程設(shè)計(jì)已與風(fēng)險(xiǎn)分析融為一體，兩者相輔相成，互為補(bǔ)充，改善優(yōu)化了工程設(shè)計(jì)并提高了工程的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

我國(guó)水利水電工程建設(shè)發(fā)展較快，迄今已建壩約8萬(wàn)余座，建壩后一般都促進(jìn)了下游工農(nóng)業(yè)發(fā)展，人口增加，供水發(fā)電效益顯著。但由于種種原因，特別是中小壩的潰決時(shí)有發(fā)生。潰壩后果特別嚴(yán)重，主要反映在兩個(gè)方面：①巨大的防洪、供水或發(fā)電效益毀于一旦；②對(duì)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成極大損失。目前，有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)分析的情況可以概略如下：

（1）國(guó)內(nèi)外潰壩率大幅度降低。據(jù)1982年第14屆世界大壩會(huì)議報(bào)道，在1900年潰壩率曾一度大于10%，以后逐漸減少，至1980年已降至約0.2%。根據(jù)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)結(jié)果，目前潰壩率應(yīng)在0.1%左右，已大幅降低。

（2）可靠度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)已實(shí)施。我國(guó)頒布了基于可靠度設(shè)計(jì)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以及鋼筋混凝土、重力壩等壩工設(shè)計(jì)規(guī)范和準(zhǔn)則等，工民建和電力系統(tǒng)等方面已按此執(zhí)行，亦即可靠概率為99.99%～99.997%，失效概率相應(yīng)為0.01%～0.003%。應(yīng)該指出：這里僅考慮了結(jié)構(gòu)荷載（作用）和材料強(qiáng)度（抗力）的變異性及某些不確定因素，未能包含各種工程風(fēng)險(xiǎn)的影響，故上述失效概率小于潰壩率甚多，這說(shuō)明潰壩率還有較大的降低空間。

（3）風(fēng)險(xiǎn)分析研究。以下闡述如何通過風(fēng)險(xiǎn)分析研究、抑制風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策和風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)等手段，以提高工程的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，并降低工程的失事概率。一般風(fēng)險(xiǎn)分析的內(nèi)容主要包括明確主要風(fēng)險(xiǎn)因子、風(fēng)險(xiǎn)概率，并提出對(duì)風(fēng)險(xiǎn)抑制、轉(zhuǎn)移的對(duì)策。 后者與工程息息相關(guān)，宜有深入了解原設(shè)計(jì)的人員參與，針對(duì)具體工程和各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)提出防范措施，以達(dá)到抑制轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)的目的。上述措施應(yīng)經(jīng)過周密的思考和論證，應(yīng)在工程上相應(yīng)采取確實(shí)有效的措施，盡量減小以上風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)的可能性，并對(duì)其影響范圍予以限制。需要時(shí)，對(duì)嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)還應(yīng)考慮預(yù)警措施。

總之，在上述風(fēng)險(xiǎn)分析研究中提出的抑制風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策應(yīng)在水壩設(shè)計(jì)中一一予以落實(shí)。

1 風(fēng)險(xiǎn)防范

一般通過風(fēng)險(xiǎn)分析最終應(yīng)提出對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行抑制、轉(zhuǎn)移的對(duì)策。更重要的是在風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)具體工程，與熟悉原設(shè)計(jì)的人員一道，研究如何落實(shí)所提出的對(duì)策，并對(duì)原設(shè)計(jì)方案作適當(dāng)修改和優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化后的方案還可再進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析研究。以上工作——風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)的作用極大，可進(jìn)一步或不斷優(yōu)化原工程方案，有效地改善工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，并提高工程抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

筆者在河北潘家口、深圳公明供水和重慶玉灘等水庫(kù)工程風(fēng)險(xiǎn)分析研究中，主要?dú)w納出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和防范措施：

（1）幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。①關(guān)于漫壩垮壩風(fēng)險(xiǎn)，由于水文氣象、洪水演進(jìn)、水庫(kù)調(diào)度的不確定性和隨機(jī)性，應(yīng)關(guān)注可能最大或超標(biāo)準(zhǔn)洪水和應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的措施。②應(yīng)對(duì)地震危險(xiǎn)性、地震加速度和地震風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析論證。③關(guān)于壩體和地基風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)通過大壩安全監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分時(shí)段對(duì)比分析，提出應(yīng)對(duì)措施。④風(fēng)險(xiǎn)還可能來(lái)自閘門或泄洪泄水設(shè)施失靈或未能及時(shí)啟閉等事故。

（2）防范措施。為抑制上述各種風(fēng)險(xiǎn)，必須采取有效的防范措施，可視風(fēng)險(xiǎn)性質(zhì)采取非常溢洪道、溢洪缺口和泄水設(shè)施以及閘門等設(shè)施，除電動(dòng)外還應(yīng)考慮手動(dòng)、自動(dòng)等有效手段。應(yīng)注意這些防范措施不能影響水壩安全，并符合水壩設(shè)計(jì)要求。此外還應(yīng)注意以下事項(xiàng)：①關(guān)于對(duì)次生災(zāi)害的防治，常有多股不同量級(jí)的洪水和高速水流對(duì)地基產(chǎn)生碰撞和沖刷時(shí)，應(yīng)考慮有效的防范措施，例如使水流在空中撞擊，采用消力墩或消力池等綜合措施。②當(dāng)水壩工程的樞紐布置基本確定后，即可同時(shí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析研究。③因風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)涉及的范圍較廣，特別是下游出現(xiàn)洪水泛濫后影響面往往會(huì)擴(kuò)大很多，所需要的地形圖的范圍和計(jì)算分析遠(yuǎn)比一般工程設(shè)計(jì)要大且復(fù)雜。 視我國(guó)目前的情況，可至該地段的有關(guān)地方部門索取所需的最新航測(cè)地形圖，通過可視化仿真計(jì)算，在虛擬的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上與設(shè)計(jì)提供的圖紙整合并模擬洪水演進(jìn)，最終從仿真計(jì)算成果中截取關(guān)鍵瞬間（施工期以及未來(lái)運(yùn)行期中若干重要瞬間），繪制風(fēng)險(xiǎn)圖中所需的相關(guān)平面圖和剖面圖等，以供規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用。通過針對(duì)某一工程含風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)在內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)分析研究，將會(huì)對(duì)該工程各種風(fēng)險(xiǎn)有更清晰和更深入的認(rèn)識(shí)。

綜上所述，對(duì)水壩連同地基和泄洪泄水風(fēng)險(xiǎn)情況以及防范措施分述于下。

2 水壩—地基風(fēng)險(xiǎn)

我國(guó)壩工令世界矚目，水壩無(wú)論在壩高、規(guī)模、庫(kù)容及防洪、發(fā)電、供水、灌溉和航運(yùn)方面均位居世界前列。

（1）可視化數(shù)模仿真分析等方面取得了可喜進(jìn)展，使水壩設(shè)計(jì)得到進(jìn)一步發(fā)展：①混凝土和巖土性能，溫度應(yīng)力，水力學(xué)、巖土力學(xué)方面的一些參數(shù)，可在規(guī)劃設(shè)計(jì)或施工中任何重要瞬間擬定，并可在需要時(shí)隨時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修訂。②壩體輪廓更趨經(jīng)濟(jì)合理，向輕薄型和簡(jiǎn)化孔洞、接縫、構(gòu)造等方向發(fā)展。③隨著大容量振動(dòng)碾壓機(jī)械化施工的實(shí)踐，大型土石壩和碾壓混凝土壩都取得了可喜的進(jìn)展。

（2）風(fēng)險(xiǎn)防治的關(guān)鍵是要做好安全監(jiān)測(cè)，及時(shí)并定期（汛前、汛后和年終）進(jìn)行分析對(duì)比，如發(fā)現(xiàn)某些指標(biāo)變幅異常，應(yīng)及時(shí)維護(hù)和處理，否則風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)應(yīng)運(yùn)而至。①在大壩安全監(jiān)測(cè)資料的整理分析和風(fēng)險(xiǎn)分析研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)建筑物和地基穩(wěn)定、應(yīng)力、滲漏量、滲壓、沉陷等，按壩體實(shí)際的滲壓場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)算復(fù)核，并在需要時(shí)補(bǔ)充設(shè)置足夠的量測(cè)等監(jiān)控設(shè)施和管網(wǎng)。②當(dāng)實(shí)測(cè)值超出計(jì)算值或出現(xiàn)指標(biāo)變幅異常時(shí)，應(yīng)考慮預(yù)警預(yù)案，并對(duì)出現(xiàn)險(xiǎn)情后的補(bǔ)救措施事前做好準(zhǔn)備。③目前我國(guó)在壩工建筑物和地基出現(xiàn)險(xiǎn)情后的人工干預(yù)加固方面有成熟經(jīng)驗(yàn)，如：灌漿、高壓旋噴灌漿、地下防滲墻、劈裂灌漿等等，處理時(shí)間不長(zhǎng)（約數(shù)月）且一般均可奏效，能滿足滲水壓和滲流作用下的抗滑、抗?jié)B和變形穩(wěn)定。④當(dāng)壩體和地基出現(xiàn)異常時(shí)，如：裂縫或滲水；浸潤(rùn)線異常，推算壩基滲漏量增加；實(shí)測(cè)滲漏量超標(biāo)；壩址下游出現(xiàn)冒水冒沙、管涌等現(xiàn)象，只要事先早作妥善考慮，按預(yù)警預(yù)案處理，即可化險(xiǎn)為夷。

3 泄洪泄水風(fēng)險(xiǎn)

水壩泄洪泄水時(shí)會(huì)出現(xiàn)多股水流，或直沖河床，或在空中撞擊，或回流呈旋渦狀沖刷淘刷，對(duì)壩區(qū)和下游構(gòu)成威脅，可能在下游形成不同深度的沖坑或淘刷坑，對(duì)此，有關(guān)各方應(yīng)高度重視。在工程實(shí)踐中，必須采用堅(jiān)實(shí)的河床墊層或其他有效的消能設(shè)施。

（1）壩區(qū)沖刷。水壩一般都有泄洪泄水設(shè)施，本節(jié)所言風(fēng)險(xiǎn)主要指壩區(qū)，按具體工程情況論述于下。公明工程水庫(kù)由6座大壩和中間相連的山丘組成，總長(zhǎng)逾3 km，水庫(kù)總庫(kù)容1.48億m3，因靠近河流末端集雨面積很小，點(diǎn)暴雨形成的入庫(kù)洪峰洪量有待進(jìn)一步落實(shí)，并應(yīng)考慮超標(biāo)準(zhǔn)洪水。再如玉灘水庫(kù)由主壩和7座副壩等組成，總庫(kù)容1.5億m3，主壩下游河道特別是在約3 km范圍內(nèi)，除原有居民住房外，目前還在興建工程管理建筑設(shè)施和水庫(kù)移民住房，該區(qū)人口稠密，應(yīng)關(guān)注交通道路、防洪防火等事宜。在風(fēng)險(xiǎn)分析研究中，需要時(shí)刻考慮變動(dòng)它們的位置，提出一個(gè)或幾個(gè)方案以比較洪水和泄水對(duì)下游的影響。通過不同的洪水演進(jìn)分析計(jì)算，獲得包括不同量級(jí)的下泄流量時(shí)急流沖刷會(huì)造成的水患及淹沒范圍內(nèi)關(guān)鍵部位和關(guān)鍵剖面的洪水淹沒圖、水面高程、流速流向和水深等風(fēng)險(xiǎn)圖。這樣可以據(jù)以修改并優(yōu)化原設(shè)計(jì)的樞紐布置方案。

（2）下游水患風(fēng)險(xiǎn)。很多水庫(kù)因泄洪泄水對(duì)下游造成水患，如以上提到的公明水庫(kù)下游約10 km處被一南北向公路阻擋，路基較高，其間只有一個(gè)橋孔和一個(gè)涵洞可供泄水；而玉灘壩址下游3 km范圍內(nèi)原有鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道已很緊湊，現(xiàn)正按既定方案增建眾多建筑、道路等，這些都會(huì)阻礙洪水出路，形成兩個(gè)水患風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。這些水患風(fēng)險(xiǎn)區(qū)地形復(fù)雜，山谷溝渠縱橫，有的經(jīng)常無(wú)水一片荒漠，有的塘堰相連草木叢生；有無(wú)人少人區(qū)，也有建房林立人口稠密區(qū)。當(dāng)洪水來(lái)臨時(shí)，區(qū)內(nèi)水流流向、流態(tài)很難辨認(rèn)，給進(jìn)一步的勘測(cè)帶來(lái)困難。可以通過對(duì)洪水演進(jìn)的仿真計(jì)算，獲得有關(guān)剖面、平面圖及區(qū)內(nèi)大壩泄洪時(shí)的水位、流態(tài)等風(fēng)險(xiǎn)圖，供今后市政規(guī)劃參考。

4 結(jié)語(yǔ)和建議

總結(jié)多次實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為不同量級(jí)泄洪泄水流量會(huì)使下游地區(qū)有不同程度的受阻受淹風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)合理規(guī)劃今后的發(fā)展，劃分不同級(jí)別的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，降低可能的損失，避免在下游風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)大量開發(fā)，減少潛在的風(fēng)險(xiǎn)。最后建議，除采用一般的溢洪和輸泄水設(shè)施外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①因地制宜設(shè)置非常形式的及備用的多種設(shè)施，以供應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)選用；②保留并拓展必要的蓄、滯洪區(qū)及河道，提高行洪抗洪能力，按照擬開挖疏浚后的地形再重新核算水位和淹沒范圍；③在技術(shù)上和時(shí)間上要綜合考慮人工干預(yù)險(xiǎn)情處理并留有余地；④下游水患風(fēng)險(xiǎn)影響較大時(shí)，應(yīng)視情況做好預(yù)警、預(yù)案。

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