基于事故樹理論的堤防潰口現場搶險方案錯誤實例分析

潘傳柏 馬玉潔 楊夢云

摘要：為了避免因一線技術人員現場搶險方案的錯誤判斷而耽誤搶險時間，或因技術錯誤和搶險方案制定不及時而導致潰口，根據防汛搶險實踐和相關潰口失事案例，應用事故樹分析法建立了現場搶險方案錯誤事故樹圖。依據事故樹分析基本原理，對堤防潰口的現場搶險方案錯誤實例進行了定性、定量分析。結果表明： 現場搶險方案錯誤共有7種事故模式，現場搶險方案的前瞻性、綜合性、針對性和有效性是防范現場搶險方案錯誤的側重點及主要控制方向。

關鍵詞：堤防潰口;事故樹理論;定性分析;定量分析;防汛搶險

中圖法分類號：TV871.3文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.005

文章編號：1006 - 0081（2021）08 - 0024- 04

0 引 言

目前，世界上最為常見的15種自然災害中，因江河洪水泛濫而導致的經濟損失及人身死亡事故長期居第一位。作為防御洪水的兩大主要防洪工程措施，在防洪減災中，水庫潰壩、堤防潰口并不鮮見。例如，荊州就先后于1980，1998年兩次發生堤防潰口事故。王運輝[1]就防汛搶險技術進行了研究，劉亞蓮等[2]根據事故樹理論就堤防失事風險進行了分析，但關于一線防汛搶險中現場搶險方案的研究卻鮮有論述。楊夢云[3-4]在重大險情潰口事故防范分析中，運用事故樹分析法構建了潰口或漫溢事故樹，并將搶險方案錯誤作為中間事件，以此對相關基本事件進行了定性、定量分析，但該項研究中僅分析了2個導致搶險方案錯誤的基本事件。防汛搶險實踐性很強，學界關于現場搶險方案的研究基本上仍然處在盲區，尤其是關于防汛搶險中現場搶險方案的定性、定量分析，一直是防洪減災研究中的空白。本文根據防汛搶險實踐和相關堤防汛期潰口失事案例，采用事故樹分析（Fault Tree Analysis，FTA）法，建立現場搶險方案錯誤事故樹圖，通過定性、定量分析，找出現場搶險方案容易出現錯誤的關鍵因素，可為及時、正確制定搶險方案并根據水雨情和現場情況進行實時修正或修改提供依據。

1 事故樹分析方法

1.1 基本原理

事故樹分析法的基本原理是把不希望發生的事件作為頂上事件，層層分析與頂上事件有關的所有原因事件，一直分析到不能再分解或沒有必要分析的基本事件為止[5]，通過邏輯門符號將各層中間事件和基本事件連接起來，構建事故樹圖。根據簡化計算結果，達到定性、定量分析的目的。

1.2 計算公式

1.2.1 最小割集與最小徑集

布爾代數法尤其適合于基本事件不太繁雜的分析。根據布爾代數的性質，可把任何布爾函數化為析取和合取兩種標準形式。

1.2.2 結構重要度

結構重要度系數可按式（3）計算：

式中：[IΦi]為第[i]個基本事件的結構重要度系數;[Kj]為最小割集總數;[nj]為第[i]個基本事件所在的最小割集[Kj]的基本事件總數。

1.2.3 頂上事件發生概率

用“與門”或“或門”連接的頂上事件發生概率可根據事故樹的結構，分別用式（4）、（5）求得。

用“與門”連接的頂上事件的發生概率PT為

用“或門”連接的頂上事件的發生概率為

式中：qi 為第i個基本事件的發生概率;PT為頂上事件發生的概率。

1.2.4 基本事件的概率重要度

概率重要度系數[Igi]用式（6）計算。

式中：[Igi]為第i個基本事件的概率重要度系數。

1.2.5 基本事件的關鍵重要度

關鍵重要度用式（7）計算。

2 現場搶險方案錯誤實例

2.1 荊州市公安縣黃四咀潰口

1980年公安縣黃四咀第4次洪峰，原有清水洞的堤腳附近先后發生了5處小型管涌，且清水洞流量逐漸減小直至斷流。1980年8月4日08：00，外江水位大幅下降0.7 m后，5處原發小型管涌的其中一處管涌旁又出現新的管涌;15：30正式上報縣三防指揮部，“險情名稱渾水洞，洞徑5 cm（麻渾）少量帶砂，處理意見：內反濾（圍井）不行外壓。”現場技術人員因意見分歧，最后未能及時制定搶險方案，在發現險情13 h后潰口[6]。

2.2 荊州市公安縣孟溪大垸嚴家臺潰口

1998年7月10日，公安縣虎渡河右岸孟溪大垸嚴家臺堤腳附近發現了2處小型管涌，現場處置方案為派守險勞力分班坐哨觀察;7月20日險情在水位平緩回落期的第1天第1次惡化后未做任何處置，現場處置方案仍是坐哨觀察;7月25日水位大幅快速上漲1.56 m后，原發險情附近出現新的管涌，原發險情第二次惡化，現場技術人員對新、舊2處管涌分別制定了導濾堆和圍井反濾方案，其后又將圍井導濾改為填黃土平臺內壓的措施;僅2 d之后，水位于7月27日快速回落0.83 m，但險情不僅未隨著水位的大幅回落而好轉，反而出現第3次惡化，導濾堆疑似淤堵失效，滲水帶沙，內壓的黃土蓋重也出現滲水，現場技術人員決定加高內壓的黃土平臺并將涌水帶沙的二級導濾堆一起封埋。28 d內險情3次惡化（圖1），8月7日0：00終致潰口。

2.3 現場搶險方案分析

根據公安縣黃四咀潰口技術調查情況報告，調查組于1980年10月13日對潰口險情做了技術鑒定，該處險情為“管洞水平穿堤”，屬穿堤管涌險情，當時雖有人提出圍井導濾和做外壓，但都未予以行動[6]，造成險情不斷惡化，以致潰口。但從調查報告全文看，上報時的處理意見為內反濾（圍井）不行外壓。具體實施前，現場兩種意見主要分歧在于：井內導濾材料到底是先砂后石，還是只用卵石不用砂。意見中忽視了現場搶險方案的時效性;而只用卵石不用砂的搶險方案更是有悖于管涌險情“導水抑沙”的搶護原則，未考慮到現場搶險方案的針對性和有效性，且搶險方案單一，沒有及時針對該“水平穿堤”管洞采取“堤外尋找洞口，用棉絮塞口，或做黏土外幫”等綜合性方案。

公安縣孟溪大垸嚴家臺潰口是經典案例之一。該處險情在第10天出現第1次惡化后，沒有及時采取實質性的搶險方案;同時未根據當時的水情、雨情預報，預估水位大幅上漲后險情可能的發展趨勢，沒有考慮現場搶險方案的前瞻性，而是被動坐守到1998年7月25日水位大幅快速上漲1.56 m后出現第二次惡化，導致原發管涌發展成管涌群，雖然實施了導濾堆和圍井導濾的搶險方案，但其后又將圍井導濾改為黃土平臺，使得搶險方案完全沒有針對性與有效性;以致于在該方案實施的第2天，雖然水位快速回落0.83 m，但險情不僅未隨著水位的大幅回落同步好轉，反而出現第3次惡化，而加高內壓蓋重平臺并將處置原發險情時實施的二級導濾堆一起封埋的搶險方案，更是再一次違背了管涌險情“導水抑沙”的搶險原則。該處險情在28 d內3次惡化，雖然反復警示，但在制定搶險方案時，既未考慮方案的前瞻性，也未考慮方案的針對性和有效性，終于在其后水位大幅上漲時潰口。

3 現場搶險方案錯誤事故樹的構建與分析

3.1 事故樹構建

從公安縣黃四咀潰口案例可以看出，現場搶險方案必須具有時效性、針對性和有效性。公安縣孟溪大垸嚴家臺潰口實例則進一步論證了現場搶險方案還應結合水雨情趨勢和險情狀態，需具有一定的前瞻性。而在管涌的搶護中，部分技術人員在外坡填土或以不透水土工布堵截，將漏洞險情的“外堵內導，堵導并舉，堵重于導”原則教條的套用在鉆孔、水井等類型的管涌險情上，存在著很大的盲目性，無明顯效果，既不合理，也不具可操作性，無疑違背了管涌險情“導水抑沙”的原則。根據實際案例，在潰口險情的搶險中，導致現場搶險方案錯誤的基本事件主要有針對性不強、時效性不強、缺乏有效性、可操作性不強、合理性不足、綜合性不夠、前瞻性不足等7項。根據FTA的基本原理，繪制事故樹，見圖2。

3.2 事故樹定性分析

3.2.1 最小割集

現場搶險方案錯誤事故樹的結構表達式為

由布爾代數的吸收合并、化簡運算后共得到7組最小割集[8]：

3.2.2 最小徑集

最小徑集用事故樹表示為

根據布爾代數的等冪、吸收運算，化簡后得到1組最小徑集：

從以上分析計算看，最小割集有7組，即導致事故的發生有7種途徑，或者說有7種事故模式。如果不考慮每個基本事件發生的概率，僅從事故樹結構上看，任何方面都不能掉以輕心。

本例中最小徑集只有1組，如果不考慮每個基本事件發生的概率，僅從事故樹結構上看，每個基本事件都不容忽視。

3.2.3 結構重要度

當事故樹結構較為簡單時，一般通常遵循結構重要度判斷“四原則”，循序判斷每一個基本事件結構重要度系數的大小。根據結構重要度判別“四原則”，IΦ（1）=IΦ（2）=IΦ（3）=…=IΦ（7）;與最小割集和最小徑集的分析一致。

3.3 事故樹定量分析

3.3.1 頂上事件發生概率

荊江分蓄洪區僅1998，1999年所轄300余km堤防分別有險情275，104處，現場防汛搶險方案錯誤導致最嚴重的后果是堤防潰口。限于篇幅，本文采用了最具代表性的實例，即荊江分蓄洪區建成后所在行政區域支民堤的2個潰口實例。在此通過向基層具有20～40 a以上一線現場搶險經驗的專家共45人發出4輪征詢，以其所經歷的歷年歷次洪峰險情，即包括但不限于潰口決堤的一線搶險經驗和教訓打分。基于德爾菲法（Delphi）對基本事件的發生概率進行專家評價后，得到針對性不強、時效性不強、缺乏有效性等7個基本事件 X1～ X7的發生概率如表1所示。

根據表1中基于德爾菲法（Delphi）的各個基本事件發生概率和搶險方案錯誤事故樹圖中的邏輯關系，以搶險方案錯誤作為頂上事件的發生概率為

3.3.2 概率重要度

從計算結果看：現場搶險方案前瞻性不足、綜合性不夠、針對性不強、缺乏有效性共4個基本事件（X7，X6，X1，X3）對頂上事件發生概率的影響較大。計算結果表明：當現場搶險方案前瞻性不足、綜合性不夠、針對性不強、缺乏有效性的發生概率下降50%時，搶險方案錯誤的發生概率為0.785 9;如果前瞻性不足等4個基本事件X7，X6，X1，X3的發生概率能夠得到有效控制，搶險方案錯誤的發生概率下降為0.408 6。

3.3.3 關鍵重要度系數

根據：

可計算出關鍵重要度系數：

關鍵重要度排序：

關鍵重要度計算結果表明： 關鍵重要度排序和概率重要度排序一致，進一步說明了應將現場搶險方案前瞻性不足、綜合性不夠、針對性不強、缺乏有效性等4個基本事件，作為降低搶險方案錯誤發生概率的主要控制方向。

4 結 論

（1）現場搶險方案錯誤共有7種事故模式，本事故樹結構中各基本事件發生概率不盡相同，但結構重要度相同，在制定現場搶險方案時，應注意控制并盡可能降低每一個基本事件的發生概率。

（2）對于潰口性險情，應及時根據當時的水、雨情預報情況，并結合險情狀態預估險情發展趨勢，適當考慮現場搶險方案的前瞻性，避免險情得到控制后又因水情、雨情的變化而失控;對重大險情應采取綜合性的搶險方案，做到內外兼顧，并行搶護，即使是同類險情，也應視險情所在的具體位置、出險處滲水的流量、出險處滲水的水色、堤外岸坡等具體情況，制定出具有針對性的一套或數套方案同時進行。現場搶險方案的前瞻性、綜合性、針對性和有效性是有效防范現場搶險方案錯誤的側重點及主要控制方向。

（3）在防汛搶險中，把事故樹分析法引入到現場搶險方案錯誤的定性與定量分析中，為現場搶險方案的評估提出了一種新的評價方法，但目前基本事件的發生概率尚缺乏統計資料，有必要建立現場搶險方案錯誤的基本事件發生概率數據庫。

參考文獻：

[1] 王運輝. 防汛搶險技術[M]. 武漢：武漢水利電力大學出版社，1999.

[2] 劉亞蓮，周翠英. 基于模糊事故樹理論的堤防失事風險分析[J]. 水電能源科學，2010，28（6）：86-88.

[3] 楊夢云. 防汛搶險中現場搶險方案的特點與制訂原則[J]. 中國農村水利水電，2012（11）：140-141，144.

[4] 楊夢云. 基于事故樹分析法的重大險情潰口事故防范分析[J]. 水電能源科學，2012，30（12）：55-57，19.

[5] 張景林，崔國璋. 安全系統工程[M]. 北京：煤炭工業出版社，2002.

[6] 公安縣黃四咀潰口事故調查組. 公安縣黃四咀潰口技術調查報告[R]. 荊州：荊州市長江河道管理局公安分局，1980.

[7] 楊夢云. 基于水位和水位—流量關系的險情狀態分析評估[J]. 水電能源科學，2020，38（12）：20-23.

[8] 景國勛，賈智偉，段振偉，等. 最小割集在系統安全分析方法中的應用[J]. 中國安全科學學報，2004，14（5）：99-102.

（編輯：江 文）