土石壩施工期安全風險—成本風險綜合評價

李宗坤，宗克強，張兆省，皇甫澤華

(1.鄭州大學水利與環境學院，河南鄭州450001； 2.河南省前坪水庫建設管理局，河南鄭州450002)

0 引 言

土石壩作為攔截江河、抬高水位或形成水庫的擋水建筑物，因其造價低、結構簡單、適應能力強等優點，成為了工程中應用最廣泛的壩型[1]。但是因其施工環境復雜，施工周期相對較長，且相對運行期的大壩而言，施工期的土石壩各項功能尚未完善，各類參數指標尚未達到設計要求，抵抗汛期洪水的能力更低[2- 4]。據資料統計[5]，我國由于洪水漫頂導致潰壩所占比例為51%，國外由于洪水漫頂導致潰壩所占比例為39%。因此，開展土石壩施工期度汛風險研究具有重要意義。

土石壩施工周期中，汛期是潰壩事故發生的高頻時段，出于對壩體安全及進度要求方面的考慮，在汛期來臨之前，圍堰或者壩體根據度汛方案需要填筑到防洪度汛高程[6- 8]，需要考慮度汛安全和施工成本兩建設目標，對此學者們均進行了不同程度的研究。李宗坤等[9]采用Monte-Carlo計算機模擬方法，研究了土石壩在施工期的漫壩安全風險；孫開暢等[10]提出了基于Rackwitz-Fiessler方法的漫頂風險模型算法，迭代求解了土石壩漫頂風險率；王瑞雪等[11]采用層次分析法將影響土石壩建筑成本的風險因素進行了重要性排序，并提出了控制成本風險的措施；王卓甫等[12]采用離散化方法，得到了施工成本風險計算公式，研究了土石壩施工成本的風險性；胡志根等[13]通過效用函數和熵函數研究了導流方案的耦合風險以及壩體失事后的效用損失，提出了施工導流系統綜合風險合理分配機制。

上述研究所涉及到的風險評價大多僅從單方面進行研究，未考慮安全風險與成本風險之間的內在聯系；或者僅考慮了安全風險和壩體失事后損失成本的相關性，并未考慮預防大壩漫頂加高擋水建筑物產生的投入成本。因此，本文以實際工程為出發點，在度汛安全風險的基礎上全面考慮壩體度汛期間的成本風險，建立安全風險—成本風險綜合評價模型，分析計算土石壩施工期的綜合風險，可為土石壩施工期的風險管理和控制提供科學依據和新思路。

1 安全風險—成本風險綜合評價模型

施工期土石壩的施工階段根據擋水建筑物及泄水建筑物的不同可分為圍堰擋水階段、臨時壩體擋水階段和未完建壩體擋水階段3個階段[14-16]。圍堰擋水階段為以圍堰為主要擋水建筑物的施工階段；臨時壩體擋水階段為從壩體修筑到圍堰高程開始至導流建筑物封堵、下閘蓄水前的施工階段，此階段由壩體臨時擋水；未完建壩體擋水階段為從導流建筑物封堵開始至永久泄水建筑物正常運行的施工階段。本文基于施工階段的劃分來研究土石壩施工期各階段的綜合風險。

2000年國際大壩委員會(ICOLD)北京會議為風險進行綜合定義：風險是對生命、健康、財產和環境負面影響的可能性和嚴重性的度量，是潰壩可能性和產生后果的乘積[17-18]。因此，本文采用度汛安全風險和成本風險分別來描述潰壩的可能性及潰壩后果的嚴重性，綜合考慮兩者的內在聯系和矛盾特性，建立綜合評價模型。

1.1 安全風險分析

土石壩施工期度汛的安全風險主要取決于汛期上游洪水位和擋水建筑物的高度，采用調洪演算可得到各設計洪水頻率下的上游洪水位，以此為依據加高的擋水建筑物，其度汛安全風險即為各設計洪水頻率。

(1)建立上游洪水位集。調洪演算的基本公式有兩個，即水量平衡方程和泄量庫容關系，具體如下

(1)

q=f(Z)

(2)

式中，q1、q2為時段初、時段末的出庫流量；Q1、Q2為時段初、時段末的入庫流量；V1、V2為時段初、時段末的水庫庫容；Δt為計算時段；q為出庫流量；Z為上游洪水位。通過調洪演算，可得各設計洪水對應的上游洪水位集Z={Z1，Z2，…，Zn}。

(2)建立擋水建筑物頂部高程集。按SL274—2001《碾壓式土石壩設計規范》規定，擋水建筑物頂部高程為水庫靜水位與擋水建筑物頂部超高之和，即

H=Z+y

(3)

式中，H為擋水建筑物頂部高程；Z為水庫靜水位；y為擋水建筑物頂部超高。在水庫靜水位以上擋水建筑物頂部超高由式(4)確定，即

y=R+e+A

(4)

式中，y為擋水建筑物頂部超高；R為最大波浪在壩坡上的爬高；e為最大風壅水面高度；A為安全加高。再由上游洪水位集可得擋水建筑物頂部高程集H={H1，H2，…，Hn}。

(3)安全風險分析結果。度汛安全風險為調洪演算時各設計洪水的洪水頻率，可由式(5)確定，得安全風險集P={P1，P2，…，Pn}。

(5)

式中，T為設計洪水重現期；P為安全風險。

不同重現期設計洪水相應上游洪水位、擋水建筑物頂部高程及安全風險等結果見表1。

表1 安全風險分析結果

1.2 成本風險分析

在度汛期間，圍堰或壩體根據度汛方案需要填筑到防洪度汛高程。土石壩施工期度汛的成本風險包括為預防大壩漫頂加高擋水建筑物產生的投入和大壩漫頂潰壩后所產生的損失兩部分，前者是一定會發生的，因此可定義為確定性成本；后者發生與否與是否發生潰壩事故(具有不確定性)有關，因此可定義為不確定性成本。

(1)確定性成本。確定性成本為度汛期間加高擋水建筑物所需的成本。根據擋水建筑物加高部分的工程量占壩體總工程量的比例以及壩體總投資可估算出擋水建筑物加高部分的確定性成本， 即

(6)

式中，Cd為確定性成本；Vh為加高擋水建筑物工程量；Vt為壩體總工程量；Ct為壩體工程總投資。

(2)不確定性成本。不確定性成本是指在發生潰壩事故的情況下對已建壩體造成的損失。其中，潰壩發生率為安全風險，已建壩體造成的損失為擋水建筑物加高前已完成投資的成本，即

Cu=P×Cn

(7)

式中，Cu為不確定性成本；Cn為壩體已投資成本；P為安全風險。

(3)成本風險分析結果。成本風險

C=Cd+Cu

(8)

式中，C為成本風險,C={C1，C2，…，Cn}；Cd為確定性成本；Cu為不確定性成本。

不同安全風險水平下的成本風險結果見表2。

表2 成本風險分析結果

1.3 安全風險—成本風險綜合分析

根據上述安全風險分析和成本風險分析的理論成果以及國際大壩委員會對風險的綜合定義，可建立安全風險—成本風險綜合分析集R={R1，R2，…，Rn}。具體為

R=P×C

(9)

式中，R為綜合風險；P為安全風險；C為成本風險。

2 實例分析

采用本文風險評價模型對前坪水庫圍堰擋水階段進行風險綜合分析，選取該階段防汛加高圍堰所依據的設計洪水，篩選最佳度汛方案。該階段度汛任務、施工進度、投資情況及擋、泄水建筑物的工作情況如表3所示。壩體最終總填筑工程量為1 254萬m3，總投資64 578萬元。

表3 各施工階段具體情況

2.1 安全風險分析

根據設計洪水以及水庫泄流能力等資料進行調洪演算，并根據規范和實際情況考慮擋水建筑物頂部超高，可得不同設計洪水對應的上游洪水位、擋水建筑物頂部高程及安全風險，如表4所示。

表4 圍堰擋水階段安全風險計算結果

2.2 成本風險分析

在安全風險分析結果基礎上，結合大壩施工及投資情況，由式(6)、(7)、(8)可計算出不同安全風險水平下的成本風險，如表5所示。

表5 成本風險計算結果

2.3 安全風險—成本風險綜合分析

(1)綜合風險計算結果。根據安全風險分析和成本風險分析計算結果，由式(9)可得安全風險—成本風險綜合分析結果，如表6所示。

(2)計算結果對比分析。將各度汛方案對應的綜合風險進行對比分析，見圖1。可知，圍堰擋水階

表6 圍堰擋水階段綜合分析結果

段的安全風險隨度汛標準的提升而降低；成本風險隨度汛標準的提升而升高；綜合風險在洪水標準低于100年一遇時，隨度汛標準的提升而降低，在洪水標準高于100年一遇且低于150年一遇時，隨度汛標準的提升而升高，在100年一遇度汛標準時綜合風險達到最低。經調洪演算，本工程施工期100年一遇水位為387.69 m，相應庫容為1.76億m3，根據SL303—2004《施工組織設計規范》，壩前庫容超過1.0億m3的土石壩壩體施工期臨時度汛洪水標準不低于100年一遇，滿足規范要求。故按照100年一遇設計洪水加高圍堰至391 m為最佳度汛方案。

圖1 圍堰擋水階段綜合風險

3 結 論

本文根據現有的設計洪水、庫容、泄流建筑物泄量等資料，綜合考慮土石壩施工期安全、成本兩建設目標間的內在聯系，分析了度汛期間的安全風險，繼而得出了不同安全風險水平下的成本風險，最后建立了安全風險與成本風險綜合評價模型。將此模型應用于前坪水庫圍堰擋水階段度汛方案優劣比選，選取了度汛標準為100年一遇設計洪水的度汛方案，在保證安全度汛的同時，合理的規劃了工程投資，取得了良好的社會和經濟效益，并為施工期土石壩度汛風險的管理和控制提供了一種新的思路。