基于脆弱度的水庫大壩風險評價

谷春雨

(遼寧西北發電有限責任公司東源電廠，遼寧 本溪 117200)

1 工程概況

碧流河水庫是遼寧南部地區最大的水庫，位于遼東半島中部大連市和營口市的交界處，距離大連市約175km[1]。水庫始建于20世紀70年代，集水面積1785km2，最大庫容9.34億m3。碧流河水庫是一座以城市供水為主，兼具防洪、發電、養魚、灌溉、旅游等多種功能的多年調節大(Ⅱ)型水利樞紐工程[2]。水庫主體工程由1座主壩、3座副壩、3處泄水建筑物(溢洪道、輸水洞、放水底孔)以及壩后式水電站組成。碧流河水庫是大連市的重要供水水源，自建成投入運行以來，已經累計向大連市供水25億m3。由于大壩建成時間較長，大壩的日常維護和管理任務艱巨[3]。因此，對碧流河水庫大壩的風險進行量化評估具有重要意義和價值。

2 基于脆弱度的大壩風險指數計算模型

2.1 大壩脆弱度

脆弱度即水庫大壩的脆弱程度，指大壩的安全缺陷程度或發生事故的程度[4]。與大壩潰決可能性不同，脆弱度關注的是大壩安全檢查過程中發現的隱患，并整理為大壩的脆弱程度。由于大壩的安全隱患或可以誘發安全隱患的因素是復雜的和多維度的，所以首先需要對大壩單個缺陷的脆弱度進行計算，根據彭雪輝等人的研究成果[5]，其計算公式如下：

(1)

式中，Vi—單個缺陷脆弱度；C—不安全等級系數，實際缺陷取10，潛在缺陷取5；S1—大壩現狀與標準之間差別，取值為0～1之間；S2—特征關聯度，通常默認為1；S3—臨時措施無效程度，通常默認為1；AEF—年超越率。

基于計算獲得的單一缺陷脆弱度，通過加權計算，即可獲得大壩系統破壞的脆弱度綜合指數，其計算公式如下：

(2)

2.2 后果系數和等級劃分

潰壩后果是大壩風險研究的重要內容。一般而言，潰壩后造成的損失主要有生命損失、經濟損失以及社會和環境損失三方面。在本次研究中，生命損失的計算利用我國學者李雷、周克等人提出的李-周法[6]；經濟損失中的直接損失用分類損失法計算，間接損失利用系數折算法進行計算，折算系數取0.65[7]；社會和環境影響計算根據王仁鐘等人的研究成果進行[8]。

根據彭雪輝、李雷等人的研究成果，將潰壩后的損失進行分級，根據王仁鐘的研究成果，將生命損失、經濟損失以及社會和環境損失的權重設定為0.737、0.105和0.158，并由此獲得潰壩后果系數以及綜合級別，結果見表1。

表1 后果綜合分級與后果系數

2.3 風險指數表示方法

基于水庫的脆弱度綜合系數和潰壩后果綜合指數，計算獲取大壩風險指數，其計算公式如下：

F=V總×10SJ

(3)

式中，F—大壩風險指數；V總—脆弱度綜合指數；SJ—潰壩后果綜合指數。

3 風險計算與評價

3.1 大壩缺陷脆弱度綜合指數計算

鑒于碧流河水庫設施工、運行方面的具體資料十分有限，研究中主要依據大壩的安全鑒定報告以及現場巡查記錄，通過和相關專家進行討論，獲得大壩的實際缺陷和潛在缺陷，然后依照模型中的脆弱度計算方法進行碧流河水庫大壩的脆弱度計算，結果見表2。

3.2 后果系數確定

參照該領域的研究成果和相關工程經驗，以碧流河水庫管理局提供的安全鑒定報告、除險加固報告等資料，對水庫的后果系數進行粗略計算。

對于生命損失，利用我國學者李雷、周克等人提出的李-周法，對碧流河水庫的風險人口、洪水強度以及預警時間等參數進行設定，計算出水庫的生命損失，具體計算步驟如下：首先，根據碧流河水庫的安全鑒定報告，以及碧流河水庫管理局所提供的資料確定水庫的風險人口，并將其作為水庫生命損失的主要依據之一；其次碧流河水庫屬于山區水庫，壩高在30～70m之間，屬于中壩，本次研究中以水庫庫容作為洪水強度計算的主要依據，并利用內插法計算獲取洪水強度[9]；再次，關于洪水警報，相關學者的研究成果認為[10]，在預警時間小于15min時為無預警；預警時間在15～60min之間時為部分預警；在預警時間大于60min時，可以得到充分預警。本次研究選擇預警時間為15min和60min兩個時間節點進行生命損失計算，并將其均值作為生命損失的依據。按照上述步驟，碧流河水庫生命損失的計算結果見表3。由于生命損失為165人，屬于特別重大級別。

表2 碧流河水庫大壩的脆弱度計算結果

表3 水庫生命損失計算結果

關于經濟損失的計算，碧流河水庫管理局提供了所涉及的下游地區經濟損失計算的農作物面積，重要交通基礎設施以及居民點房屋損失面積等數據。根據當地城鎮居民家庭的經濟特征以及當地類似災害造成的損失調查資料，綜合后取每人9000元作為人均損失的指標，按照上述思路，計算獲得碧流河水庫的財產損失在3.21億元，為特別重大級別。

在社會與環境影響方面，碧流河水庫保護下游人口近11萬人，農作物面積將近13萬畝，周邊還有眾多交通干線和設施。利用王仁鐘等人的研究成果，計算出碧流河水庫的社會和環境影響指數為28.56，屬于特別重大級別。

按照生命損失、經濟損失以及社會和環境損失的權重設定為0.737、0.105和0.158，獲得潰壩后果系數以及綜合級別為3級。

3.3 風險指數計算

在確定了脆弱指數和后果系數之后，利用式(3)即可計算出碧流河水庫的風險指數，其詳細結果見表4。由表格中的結果可知，碧流河水庫脆弱指數為5.16，說明其工程現狀與設計標準比較接近，因此其發生潰壩的可能性不大，但是其潰壩后果系數為3，屬于特別重大級別，說明一旦發生潰壩，將會對下游的生命、經濟、社會以及環境造成巨大的影響。從風險指數計算結果來看，其風險水平為中等，加以加強對水庫的日常維護和管理。

表4 碧流河水庫風險指數計算成果

4 結語

本文以遼寧省碧流河水庫大壩為例，提出了基于脆弱度的大壩風險評價模型。該模型減少了大壩風險分析過程中的不確定性，與以往的風險評價方法相比更具有操作性和實用性，可以將每次現場檢查轉化為一次大壩脆弱性分析，使大壩的管理維護效果和運行狀態得到及時反饋，因此研究成果本身有助于水庫管理者有針對性的進行水庫大壩管理。當然，影響大壩系統的破壞因子錯綜復雜，特別是潰壩后果中的生命損失、財產損失以及社會環境影響三方面的統計計算十分復雜。本文研究僅依靠專家學者推薦的方法對其進行粗略計算，在后續研究中需要對潰壩后果分析方法進行深入研究和完善，以進一步提高工程應用價值。