調水工程輸水隧洞風險分析及其應用

羅倩鈺,胡德秀

西安理工大學 水利水電學院,陜西 西安 710048

隨著我國社會經濟的迅速發展，水資源短缺問題日益嚴峻，長距離跨流域調水工程是促進我國北方地區國民經濟發展與水資源綜合利用的重要舉措。我國目前在建和擬建的大型跨流域調水工程有：山西引黃入晉工程、遼寧東水西調工程，陜西引漢濟渭工程等。自上世紀七十年代，風險分析已在水庫、大壩、堤防等水利工程以及水文與水環境方面得以推廣應用。目前，多數針對水工隧洞的風險分析僅針對單一事件進行風險量化，如：TBM施工對巖爆風險的影響[1]、圍巖流變作用風險[2]等。然而，深埋長距離輸水隧洞工程涉及的技術種類多，工程管理復雜且建設周期長，因此在建設與運行全壽命階段存在著各類風險，且具有風險累積效應。因此，本文在識別輸水隧洞工程主要風險及確立其評價指標的基礎上，引入BORA方法將眾多相互關聯的定性定量風險因素進行量綱統一化處理及權重排序，并對工程措施風險減緩程度進行量化評價，以達到對整體風險的評估，為類似工程風險管理提供參考。

1 風險識別

輸水隧洞施工期風險事件分析取決于前期勘察階段所提供的隧洞沿線地質構造及水文條件，可分為巖爆、圍巖失穩、涌水突泥災害及其他施工風險四類。

巖爆是由于巖體內部積聚的彈性應變能瞬時釋放而產生的片狀剝落、彈射現象，為地下洞室開挖中常見現象。其發生與否與烈度大小的外因來源于工程沿線地形起伏、原始地應力場及人工開挖。內在因素則與巖性條件密切相關：礦物結構致密，質脆的硬巖中易發生巖爆。多種由洞室圍巖物理力學性質計算所得巖爆判據已得到廣泛應用，如Russenes法、Turchaninov法[3]、Griffith準則等。

圍巖穩定或失穩狀態體現為洞室圍巖變形量及變形速率。早期地下洞室穩定性多從定性角度出發，基于經驗類比提出圍巖分類的各項系統準則，詳述于各水利水電工程勘察及設計規范。隨著現代計算機的發展，基于數值解的定量分析方法逐漸廣泛應用于圍巖穩定性評價。

地下洞室突涌水影響因子來源可分為降雨量、地形地貌、地層巖性、地下水水文特性及人為施工。其中，斷層及貫通性大裂隙附近是預防突水的重點部位。此外，研究區域地下水對混凝土及鋼結構的腐蝕性也應納入涌水災害考慮范圍。

其他施工風險可能來源于地溫及有害氣體災害，應做好相關監測預報工作及通風排氣等措施。隧洞沿線地表可能由于不穩定巖體產生崩塌、滑坡，進而對隧洞安全產生影響。

長距離調水工程運行期風險主要取決于各建筑物系統運行狀況。對于輸水隧洞，可分為水力破壞及供水水量兩類風險事件。一般而言，輸水隧洞多為無壓隧洞，但若遭遇超設計標準來水，致使隧洞成為有壓或半有壓隧洞，則可能發生空蝕破壞及接縫處水力劈裂。另外，含沙水流可對洞壁材料造成沖磨破壞。供水水量短缺風險主要來源于水源地和受水區豐枯遭遇及整體輸水工程調度方式。

2 綜合風險分析

完整的系統風險分析包含五部分內容：風險識別、風險估算、風險評價、風險減緩和風險決策。在風險識別的基礎上，如何利用各項單一風險的分析結果建立系統評價模型，是估算輸水隧洞失事概率及后果的基礎。本文利用安全柵與操作風險分析方法（Barriers Operational Risk Analysis）對輸水隧洞進行綜合風險定量評價，其優勢在于可明確表達技術、人為、與操作因素對風險事件的影響[4,5]。BORA方法起源于挪威一家鉆井油氣工程，目前在國內鮮少應用。

一個完整的BORA分析一般包含以下步驟：

（1）建立安全柵框圖，示例見圖1。安全柵指的是計劃用來防止、控制或緩解危險乃至事故的物理及非物理方法；

圖1 安全柵框圖基本元素Fig.1 The basic elements of the safe grids

圖2 FLAC3D（左：總位移，右：塑性區圖）Fig.2 FLAC3D(Left:Displacement;Right:Plastic zone)

（2）評價安全柵，包含以下基本元素：原因，即激活安全柵功能的事件；安全柵對事故的影響；安全柵可靠性、可用性及堅固性；

（3）建立貝葉斯網絡以描述不同風險影響因子（RIF）對各安全柵功能的影響；

（4）對各項RIF狀況打分s；（A代表在該項中危害水平最小，F最大）

（5）將RIF進行權重排序得到ωi；

（6）確定安全柵失效概率。考慮事件A，可能代表一個安全柵失效，也可能為觸發安全柵失效的基本事件。BORA方法提倡，若由理論分析及相關數據庫得出Pr(A)ave，則事件A在某一實際工程的發生概率Pr(A)inst可表示為：

式中，n為貝葉斯網絡中與A匹配的RIF數量。對于每一項RIF，Qi值確定方法如下：

Pr(A)high及Pr(A)low代表專家評判最高與最低概率。

3 工程實例

引漢濟渭工程黃三段輸水隧洞位于南秦嶺中段、漢江以北的中低山區。地勢北高南低，沿線地形起伏較大。隧洞沿線橫穿14條較大規模斷層，傾角較陡。

3.1 巖爆風險估算

黃三段隧洞全長16.48 km，埋深區間洞段長度占比已知。工程區應力場是以水平構造應力為主導的地應力場，回歸分析表明，最大水平主應力、最小水平主應力與深度的線性關系分別為σH=0.029H+9.385、σh=0.034H+2.976。

表1 巖爆問題評價表Table 1 Evaluation form of rock burst

輸水隧洞沿線可能產生巖爆的巖體（分布樁號略）及巖爆程度見表1。Turchaninov判別法提倡當經驗參數小于0.3時將無巖爆事故發生，大于0.5則一定發生巖爆。

3.2 圍巖穩定性評價

連續介質快速拉格朗日差分分析方法（Fast Lagrangian Analysis of Continuum）能夠模擬巖土體達到屈服極限后的變形破壞行為，適于模擬輸水隧洞大變形、失穩、開挖及支護問題。本算例利用三維顯式有限差分法程序FLAC3D建立圍巖穩定評價指標。

該隧洞采用鉆爆法施工，算例采用半徑3.5 m圓形隧洞分段開挖，前半段（15 m）開挖后進行襯砌支護，相關參數見表2。取隧洞沿線及軸線兩側60 m作為計算區域，共剖分1476000空間區域單元及1500661節點。

表2 物理力學參數表Table 2 Physical mechanical parameters

計算結果表明位移最大值42 mm出現在拱頂位置，支護效果明顯因此塑性破壞大面積出現于開挖后半段側壁處，見圖2。為量化圍巖穩定程度，采用Mohr-Coulomb準則建立隧道圍巖最小安全系數[6]，見式（3）。

當Fs＞1、Fs＜1、Fs=1時，分別表示該單元未破壞、發生剪切破壞和處于臨界狀態。式中，σ1、σ3為單元體平均最大、最小主應力，φ為材料內摩擦角，C為粘聚力。開挖橫截面各點安全系數分布見圖3。圖3表明頂拱區域安全系數大于1，而兩側壁開挖底部附近可能發生破壞。相較而言，襯砌施工后能夠提高圍巖安全系數。

3.3 涌水風險估算

主洞沿線地下水活動狀態主要為滴水滲水，局部呈線狀流水。第三、四控制段中有1310 m為突水風險重點洞段，占隧洞全長的7.9%。此外，V類圍巖斷層破碎帶極易因涌水進而產生突泥，可采用超前排水及支護施工進行風險減緩。算例規劃總報告計算主洞涌水量見表3。

圖3 圍巖穩定安全系數等值線圖（支護后）Fig.3 Safety Coefficients of surrounding rock stability(after shotcrete)

表3 主洞控制段涌水量Table 3 Water inflow of the main tunnel

3.4 運行期風險定性分析

滿足整體工程最大計劃調水規模時，輸水流量為70 m3/s，故定為隧洞設計流量。該輸水隧洞為1級建筑物。以50年一遇洪水標準設計，200年一遇洪水校核。考慮各建筑物布置下的水流銜接，隧洞采用明流無壓輸水。隧洞全線比降1:2500，由明渠恒定非均勻流水力學計算，洞內呈降水曲線，臨界水深2.54 m，正常水深4.88 m，洞內最高水深為4.95 m。考慮該工程為深埋長隧洞，控制全線凈空面積比約20%左右，因此輸水隧洞內部遭遇水力破壞風險較小。該調水工程由兩座水利樞紐工程聯合調度以滿足調水要求，第一處水庫優先供水，第二處則補充供水。該隧洞位于兩處水庫間。工程年最大調水量為水源區可調水量四分之一，計劃調入水量與當地地區水域聯合供水的保證率不低于95%。該工程為省內重大戰略性水利工程，因此供水短缺風險較小。

3.5 BORA分析

由單一風險分析，將輸水隧洞失效分為四個基本事故場景：（A）巖爆、（B）圍巖失穩、（C）涌水突泥和（D）運行失效。定性繪制安全柵框圖并標注各關鍵性事件編號，見圖4。從安全柵模塊引出的水平箭頭表示安全柵成功按照設計意圖執行功能，而由模塊下方垂直引出的箭頭則表明安全柵失效。對于各關鍵性事件，繪制故障樹以確定基本事件，并由貝葉斯網絡描述各影響因子，典型示例及編號見圖5。

圖4 輸水隧洞安全柵框圖Fig.4 The safe grids of the water transfer tunnel

圖5 故障樹（左）與貝葉斯網絡（右）Fig.5 Fault tree(left)and Bayesian network(Right)

依照本文第3節所述計算步驟，模型輸入數據來源于前文分析結果、算例規劃總報告及參考文獻[7-10]，過程及結果數據詳見表4。

表4 BORA分析（%）Table 4 BORAanalysis(%)

事件Event Pave Plow Phigh RIF ωi Si ∑ωiQi Pinst B02 12.1 1.6 22.6 1.55 18.66 A021 10 0.2941 47.20 C A022 10 0.2941 F A023 6 0.1765 86.15 F A024 8 0.2353 E B1 15.0 0.0 40.0 1.46 21.94 A023 10 0.5556 22.58 B A024 8 0.4444 E B2 0.0 C01 7.2 5.1 9.2 C02 15.6 7.9 23.3 0.76 11.93 C021 8 0.1905 A C022 6 0.1429 F A023 10 0.2381 B C023 10 0.2381 23.30 B C024 8 0.1905 0.00 A C1 85.0 82.6 88.0 1.02 87.11 A022 10 0.5556 F A023 8 0.4444 54.52 D C2 15.0 0.0 40.0 1.10 16.56 A023 10 0.6250 22.58 B A024 6 0.3750 E

BORA方法提倡為風險影響因子賦予相對權重時，由最重要至最不重要依次從10-8-6-4-2中取值。另外，當RIF評分不為A、C或F時，Qi(s)取值采用線性插值。事故場景風險定量分析見表5。

表5 失事概率表（%）Table 5 Accident probability table

表5第二列為由經驗和理論分析所得觸發事件發生概率，第三、四列為各安全柵失效概率，第五列為BORA分析所得該算例工程中各事故場景發生概率。結果表明，該輸水隧洞在施工期及運行期失事風險小，相關工程措施能夠有效減緩危險事故的發生，最大風險來源于突水涌泥災害。

4 討論與結論

本文在深埋輸水隧洞地質及水文壞境特殊性的考慮下，識別水工隧洞施工期及運行期各災害事件的影響因素，采用BORA方法進行了風險定量評價。該模型能夠反映各因子對風險事件的影響程度和實際工程措施對各風險事件的減緩作用。結果同時表明，良好的地質勘察是BORA分析的基礎，且能夠有效降低工程失效的風險水平。未來可考慮將模糊評判或機器學習等方法引入BORA分析，從而改進當前RIF打分方式及權重確定方法。

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