西南某特高心墻堆石壩潰壩概率研究

2023-04-11 02:40:10李大成張露澄鐘啟明

水力發電 2023年3期

李大成，張露澄，馬黎，鐘啟明，3，吳迪

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽 550081；2.南京水利科學研究院，江蘇南京 210029；3.水利部水庫大壩安全重點實驗室，江蘇南京 210029)

0 引言

目前，我國有水庫大壩9.8萬余座，總庫容超9 000億m3[1]。大壩建設特點為總量多、類型多、小壩多、土石壩多、老舊壩多、病險庫多。據水利部大壩安全管理中心普查資料統計，1954年至2021年，我國共潰壩3 558座，年均潰壩52座，年均潰壩率5.3×10-4。通過對3 558個潰壩案例進行分析，可將潰壩原因歸納為3大類，分別是自然因素(洪水漫頂)、工程因素(滲透破壞)和人為因素(設計施工缺陷、管理不當等)。21世紀以來，我國大力推進水管體制改革和依法依規管理、大規模開展病險水庫除險加固、強化水庫應急管理工作，使年均潰壩率降至5×10-5以下，進入世界低潰壩率國家行列。在這一時期，極端天氣導致的超標準洪水和各類滲流問題成為水庫潰決的主要原因。同時，水庫調度不當、盲目和非法超蓄、閘門操作失靈、無人管理等運行管理問題長期存在，當耦合庫水位等運行條件發生改變時，極易導致潰壩事故。

目前，我國已建、在建和擬建的高度在200 m以上的特高土石壩數量居世界首位[2]，這些特高土石壩主要集中在西部山區，具有高海拔、高地震烈度、高邊坡、復雜地質條件等特點[3]。這些特高土石壩庫容龐大，大多為流域梯級開發中具有年調節作用的控制性水庫甚至是龍頭水庫，一旦發生潰壩，洪水將在高山峽谷中迅速演進，如果無法有效攔蓄，將淹沒下游平原地區，對人民生命財產和環境帶來不可估量的損失[4-5]。因此，必須高度重視高土石壩安全風險問題。

根據國際大壩委員會(ICOLD)的定義，風險是指對生命、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[6]。因此，潰壩風險分為潰壩概率和潰壩后果兩部分。本文重點研究高心墻堆石壩的潰壩概率問題。以我國西南地區擬建的某特高心墻壩為研究對象，本文采用破壞模式、后果和危害程度分析(Failure modes，effects and criticality analysis，FMECA)法確定大壩主要潰壩模式和潰壩路徑，基于反映時序邏輯的事件樹分析法計算其潰壩概率。

1 工程概況

某特高心墻壩位于我國西南山區，根據其可行性研究報告，該樞紐工程由礫石土心墻堆石壩、泄洪消能建筑物(右岸洞式溢洪道、右岸泄洪洞、放空洞)、引水發電系統、地下廠房等主要建筑物組成。壩體共分8個區，自上游至下游依次為上游堆石Ⅰ區、上游堆石Ⅱ區、過渡區、反濾料Ⅱ區、反濾料Ⅰ區、防滲礫石土心墻、反濾料Ⅰ區、反濾料Ⅱ區、過渡區、下游堆石Ⅰ區、下游堆石Ⅱ區、上下游護坡。

根據GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》[7]，庫區基本全處于0.20g范圍。據此，庫區Ⅱ類場地50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.20g，反應譜特征周期為0.45 s，相應地震基本烈度為Ⅷ度。

該工程等別為一等大(1)型，對下游多個梯級電站具有調節補償作用，是年調節水庫。因此，為了提出防止潰壩和對其進行應急管理的措施，有必要研究大壩的潰壩模式和潰壩概率。

2 大壩風險要素識別

根據某特高心墻壩工程布置、水文氣象、地形地貌等基本情況，結合設計資料，查找分析大壩主要風險要素，包括工程風險要素、環境風險要素、人為風險要素。

工程風險要素識別主要是查找可能導致潰壩的工程自身缺陷。工程自身缺陷包括工程地質缺陷，如近壩庫岸不良地質體滑坡或崩塌等；工程質量缺陷，如壩體施工質量缺陷或壩坡偏陡可能導致滑坡，壩頂高程不足可能導致洪水漫頂，閘門破壞或啟閉失效可能導致洪水漫頂等。

環境風險要素識別主要是查找可能導致潰壩的外力因素。外力因素包括洪水、地震等。

人為風險要素識別主要是查找大壩安全管理的薄弱環節和社會安全事件。大壩安全管理的薄弱環節包括管理缺失或不規范、缺少必要的安全監測設施與應急電源、無防汛搶險道路與通信設施、操作失誤、盲目與非法超蓄等。社會安全事件包括人為破壞(戰爭、恐怖活動)等。

識別某特高心墻壩工程可能發生破壞的風險要素，結果具體如下。

2.1 大壩

(1)壩頂。可能破壞原因有：①壩體沉降不均導致壩頂路面出現裂縫；②沉降過大導致壩頂超高不足而漫頂。

(2)防浪墻。可能破壞原因有：①壩體沉降不均導致防浪墻開裂；②近壩庫岸堆積體崩塌造成涌浪導致防浪墻失效；③地震作用導致防浪墻破壞。

(3)礫石土心墻。可能破壞原因有：①填筑質量差，水力坡降大于允許比降，產生滲透破壞；②高壩不均勻沉降導致心墻接觸部位滲透破壞；③無控制下的庫水位驟升導致礫石土心墻發生水力劈裂；④洪水漫頂沖刷致使心墻暴露，發生傾倒破壞或剪切破壞；⑤地震作用引起心墻剪切錯動，導致滲透破壞；⑥強震作用引起心墻失穩，導致結構性破壞。

(4)接觸黏土料。可能破壞原因有：①填筑質量差，水力坡降大于允許比降，產生滲透破壞；②高壩不均勻沉降導致接觸黏土料與岸坡出現大剪切變形，防滲失效引起接觸侵蝕破壞；③地震作用導致接觸黏土層出現大剪切變形，致其失效，引起接觸侵蝕破壞。

(5)反濾料。可能破壞原因有：①填筑質量差，水力坡降大于允許比降，產生滲透破壞；②反濾料不能滿足反濾要求，導致堆石料細粒流失，堆石料變形加劇，形成管涌通道或引起過大沉降；③高壩不均勻沉降導致反濾料與礫石土心墻接觸部位滲透破壞；④地震作用導致心墻失效，滲漏水加劇沖刷反濾料致其流失，引起滲透破壞。

(6)過渡料。可能破壞原因有：①過渡料不能滿足反濾要求，導致反濾層流失，接觸部位出現集中沖刷；②地震作用導致心墻失效，滲漏水沖刷過渡料致其流失，導致滲透破壞。

(7)堆石I區。可能破壞原因有：①堆石料沉降過大，壩頂超高不足；②堆石料沉降過大，變形協調問題突出，與反濾料接觸面發生滲透破壞；③下游堆石料滲透系數偏低導致排水不暢，引起壩體浸潤線抬升；④鋼筋抗震加固效果不理想，地震作用導致堆石料失穩破壞。

(8)堆石II區。可能破壞原因有：①堆石料沉降過大，壩頂超高不足；②地震作用導致堆石料失穩破壞。

(9)塊石護坡。可能破壞原因有：①填筑質量差導致局部滑坡；②地震作用導致局部滑坡。

(10)混凝土蓋板。可能破壞原因有：①澆筑質量差，致使壩基滲漏加劇；②高壩變形協調問題導致墊層破壞，開裂、漏水；③地震作用導致蓋板開裂、漏水。

(11)混凝土擋墻。可能破壞原因有：①填筑質量差，導致下游蓋重區失穩；②地震作用導致擋墻開裂破壞。

(12)防滲帷幕。可能破壞原因有：①施工質量差，導致防滲帷幕透水性較強，滲漏加劇；②地震作用導致防滲帷幕變形、開裂。

(13)壩基。可能破壞原因有：①洪水漫頂沖刷壩基；②高壩不均勻沉降導致壩頂超高不足，導致漫頂破壞；③壩基滲透變形導致壩頂超高不足或防滲體系破壞。

(14)左右岸壩肩。可能破壞原因有：①高邊坡失穩；②繞壩滲漏；③地震作用下壩肩滑坡。

2.2 右岸溢洪洞

(1)引渠。可能破壞原因有：①施工質量差，引渠底板、連接段存在滲流通道，導致滲透破壞；②地震破壞。

(2)洞身。可能破壞原因有：①沖刷破壞；②滲漏破壞；③混凝土基礎遭掏刷，導致結構破壞；④地震作用導致坍塌。

(3)閘門。可能破壞原因有：①閘門無法開啟或開啟不足；②地震破壞；③閘門破壞庫水無控下泄。

(4)泄洪消能。可能破壞原因有：①泄槽與挑流鼻坎凹段高度不足，水漫溢墻；②沖刷破壞；③滲漏破壞；④結構破壞；⑤地震導致破壞。

2.3 右岸泄洪洞/放空洞

(1)閘門。可能破壞原因有：①閘門無法開啟或開啟不足；②地震破壞；③閘門破壞庫水無控下泄。

(2)洞身。可能破壞原因有：①沖刷破壞；②滲漏破壞；③結構破壞；④地震導致破壞。

2.4 引水發電系統

(1)進口邊坡。可能破壞原因有：①滑坡；②地震作用導致坍塌。

(2)閘門。可能破壞原因有：①閘門無法開啟或開啟不足；②地震破壞；③閘門破壞庫水無控下泄。

(3)洞身。可能破壞原因有：①沖刷破壞；②滲漏破壞；③結構破壞；④地震導致破壞。

3 潰壩模式分析

對識別的大壩風險要素，采用破壞模式分析確定大壩的潰壩模式和潰壩路徑。破壞模式是指在大壩風險要素作用下，導致大壩最終破壞的路徑。本文利用FMECA法[8-9]分析某特高心墻壩各建筑物可能的破壞模式及其后果和危害程度，在此基礎上得到主要潰壩模式與潰壩路徑。

3.1 破壞模式分析

采用FMECA法，分析某特高心墻壩大壩和泄水建筑物的可能破壞模式、后果和危害程度，結果見表1。限于篇幅，本文僅列出危害程度高的破壞模式。

表1 某特高心墻壩破壞模式、后果和危害程度分析

由表1可知，危害程度高的破壞模式為：①壩體沉降過大；②泄水建筑物閘門故障；③強震作用下壩體結構破壞；④強震作用下泄水建筑物閘門卡阻；⑤恐怖襲擊導致心墻破壞；⑥心墻變形不協調而產生裂縫；⑦心墻與岸坡接觸部位大剪切變形；⑧防滲帷幕破壞。

在工程運行中需要重點關注上述部位及其破壞模式，及時采取工程或非工程措施預防上述破壞模式。

3.2 主要潰壩模式與潰壩路徑

根據統計資料分析[10-11]，土石壩最終的潰壩模式均可以歸為漫頂潰壩和滲透破壞潰壩2類[12]。根據上述破壞模式分析結果，可以得到某特高心墻壩主要潰壩路徑，具體如下。

3.2.1 漫頂潰壩

(1)潰壩路徑L1。壩體沉降過大→洪水→庫水位抬升→壩頂超高不足→不能及時加高壩頂→漫頂→沖刷壩體→干預無效→礫石土心墻暴露、發生傾倒破壞或剪切破壞→潰壩。

(2)潰壩路徑L2。洪水→泄水建筑物閘門故障導致無法泄洪→庫水位抬升→壩頂高程不足→不能及時加高壩頂→漫頂→沖刷壩體→干預無效→礫石土心墻暴露、發生傾倒破壞或剪切破壞→潰壩。

(3)潰壩路徑L3。強震→大壩變形不協調→壩體結構破壞→堆石區松動、心墻產生裂縫→壩頂高程不足→不能及時加高壩頂→漫頂→加速沖蝕心墻→干預無效→潰壩。

(4)潰壩路徑L4。強震→泄水建筑物閘門卡阻導致無法泄洪→庫水位抬升→壩頂高程不足→不能及時加高壩頂→漫頂→沖刷壩體→干預無效→礫石土心墻暴露、發生傾倒破壞或剪切破壞→潰壩。

(5)潰壩路徑L5。恐怖襲擊→壩體結構破壞→心墻產生潰口→壩頂高程不足→不能及時加高壩頂→漫頂→沖刷壩體→干預無效→礫石土心墻暴露、發生傾倒破壞或剪切破壞→潰壩。

3.2.2 滲透破壞潰壩

(1)潰壩路徑L6。心墻內部變形不協調→心墻裂縫→水力劈裂→反濾保護效果不佳心墻未能自愈→沖蝕心墻土料→滲透破壞→干預無效→潰口向兩側擴展→潰壩。

(2)潰壩路徑L7。大壩不均勻沉降→心墻與岸坡接觸部位大剪切變形→接觸沖刷→形成滲流通道→滲透破壞→干預無效→礫石土心墻暴露、發生傾倒破壞或剪切破壞→潰壩。

(3)潰壩路徑L8。防滲帷幕破壞→壩基滲透破壞→壩體失穩→干預無效→潰壩。

4 潰壩概率計算

根據破壞模式分析結果，結合洪水/地震重現期，構造事件樹，利用事件樹法[13-14]計算大壩潰壩概率。

4.1 事件樹法

4.1.1 基本概念

事件樹法是一種時序邏輯分析方法，該方法以初始事件為起點，按照事件的發展順序，對可能的后續事件逐步進行分析，直至系統事故或破壞為止。事件發生順序存在著一定的因果邏輯關系，當對每一事件賦予相應的發生概率時，就可以估算系統故障發生的總體概率。事件樹法可用于各類大壩的潰壩概率計算。

4.1.2 計算方法

某種荷載狀態下某條潰壩路徑的潰壩概率Pi，j為

(1)

式中，Pi，j為第i種荷載狀態、第j種潰壩模式的潰壩概率；p(i，j，k)為第i種荷載狀態、第j種潰壩模式下第k個環節發生的概率；i為荷載狀態，i=1，2，…，n；j為潰壩模式，j=1，2，…，m；k為潰壩路徑中的某一環節，k=1，2，…，s。

當潰壩模式數量m較少時，某種荷載狀態下的潰壩概率Pi按式(2)計算，否則，Pi可取式(3)的上限或者上限和下限的均值。

Pi=P(A1+A2+…+Am)

(2)

(3)

式中，Pi為第i種荷載狀態的潰壩概率；A1、A2、…、Am為第i種荷載狀態下的m個潰壩模式。

潰壩概率P為

(4)

式中，Pi為第i種荷載狀態的潰壩概率；n為荷載狀態數量。

根據洪水/地震重現期區間構造事件樹，然后根據破壞模式確定破壞路徑，根據破壞路徑構造各分支事件樹，求出不同破壞模式下的破壞概率。

各荷載狀態發生概率f等于各重現期區間內的頻率之差，計算結果見表2。

表2 各荷載狀態發生概率計算

某荷載狀態下，潰壩概率的計算方法見表3。

4.2 某特高心墻壩潰壩概率計算

4.2.1 漫頂潰壩概率計算

潰壩路徑L1～L5中各環節的失事概率由專家經驗法得到，失事概率為各環節失事概率的乘積。根據式(1)，潰壩概率是第i種荷載狀態的發生概率與失事概率的乘積。潰壩路徑L1～L5潰壩概率計算過程見表4～8。

表4 潰壩路徑L1潰壩概率計算過程

表5 潰壩路徑L2潰壩概率計算過程

表6 潰壩路徑L3潰壩概率計算過程

表7 潰壩路徑L4潰壩概率計算過程

表8 潰壩路徑L5潰壩概率計算過程

用式(2)計算5種潰壩路徑下的潰壩概率，計算結果見表9。由表9可知，潰壩路徑L4發生的概率最大，即強震作用下泄水建筑物閘門卡阻導致無法泄洪而潰壩的概率最大。其他4種潰壩路徑中，強震作用下壩體結構破壞(L3)、泄水建筑物閘門故障(L2)、壩體沉降過大導致壩頂超高不足(L1)、恐怖襲擊導致心墻破壞(L5)的潰壩概率依次減小。