基于風險分析的從化區茂墩水庫安全監測設施

劉志全

(廣州市從化區水利技術中心,廣州 510900)

0 引 言

修建水庫可產生多重效益,但水庫在攔蓄洪水的同時也伴有低概率、高危害的潰決風險。 許多水庫承擔著重要防洪任務,一旦潰決將對下游群眾生命財產安全造成極大危害。 目前,監控設備在設計時缺乏針對性,通常都是平均分布,所布設的地點并非真實存在病害或險情,有的還與實際存在的病害或險情差異較大,造成了監控結果不能反映出異常狀態,監控設備也不能對潛在的安全風險進行有效監控,很難精確反映大壩的局部安全狀態[1-2]。 對監控設備進行科學合理的配置,充分發揮監控設備的作用,對水庫的安全生產具有重要的意義。

近年來,許多國家采用多種水庫風險管理技術方法,并收到了較好的效果[3]。 風險管理技術將應用風險分析的原理和方法,發現巖石壩體的危險部位,并有目標地設置監控設備,進行安全監控[4]。 通過對危險部位進行定期觀察和數據分析,可以更好地反映巖石壩體危險部位的實際情況,有助于水庫壩體的風險防治,減小崩壩的危險程度,提升投資的使用效率。

本文以失效模式與效應分析為評估手段,識別大壩各種破壞形式的危險等級,并對各種破壞形式的嚴重程度和結果進行評估。

1 基于風險分析的水壩安全監測設計

1.1 基于風險分析的監測原則及風險等級劃分

為了監督工程施工,不僅需要考量當前設備的投運狀態,還需要考量修建水壩所產生的安全因素。 因此,在進行安全監測時,應遵守以下基本原則：監督計劃與危險水平的程度相符。 從水庫運行的實際危險角度出發,對危險程度高的水庫宜安排觀察點,對危險程度低的水庫可以不安排或減少觀察點[5]。 堅持與已有監控設備配合使用,最大限度發揮已有監控設備的作用,降低新增監控設備的投資和資源消耗。 監督機構的設置要有一定的代表性和綜合性。 監控設備要能最大限度反映相關位置的危險性,并簡化監控設備數目,提升監控設備效率[6]。 將監控的頻率和危險程度結合起來,對高危區周邊的監控設備,加強監控。 圖1 為以了解風險為基礎的監控設計工作步驟圖。

圖1 監控設計工作步驟圖

資料數據收集是指收集大壩的原材料,如基礎材料、加固和安全評估報告以及安全監測數據。 現場檢查是對水庫中存在的安全隱患和危險點進行徹底調查,并對所收集數據中所體現出來的突出問題進行調查,對危險因素進行辨識[7]。 風險分析的基礎是區分風險元素,基于元素分析來求解風險程度和對風險類型做出判斷。根據評價結果,對監控系統進行優化,并對監控系統中應增加或改建的監控系統進行建議[8]。在此基礎上,根據最優的監控設備布局,對監控設備進行風險評估,以評估監控效果,進而提出下一步的監控設備布局。 圖2 為風險等級劃分圖及取值對應的具體內容。

圖2 風險等級劃分圖及取值對應的具體內容

對通過風險辨識得到的損壞類型及其過程進行分析,考慮到該分析評價作為決策基礎,因此該評價不需要太復雜,只要對破壞模式進行簡單排名,并對其進行風險分類即可[9]。 故障模式和效果分析方法包括故障模式的影響和關鍵度的分析,同時還具備辨識和評價功能,其目標是認識系統的構成要件,明確各個結構的作用,了解所有部件的故障方式及其對系統功能的影響。故障模型影響評估應明確界定體系的界限,并對評估的范圍和限制進行評估[10]。 在該界限內,一切關系都要清楚。 如一個水壩一般由壩體、溢洪道及泄洪、取水和其他一切運輸設施、為確保大壩和蓄水池的正常運作而必需的一切其他設備和構造、庫區及其周圍的天然景觀、邊坡、上游地區、大壩下游地區、渠道及通信設備、電力供應、潰壩淹水地區等組成。

利用大壩決口概率及其所造成的結果相乘來確定風險。 風險指數計算表達式如下：

式中：M為風險指數;P為失效模式可能值;Q為失效模式后果值。

按照級別的通用劃分原則,本次研究分為4個級別。M值在1～7 之間,危險程度為1 級;M值在8～14 之間,危險程度為2 級;M值在15～21之間,屬于3 級危險;M值在22～30 之間,危險程度為4 級。 測壓管水頭在滲流場中占總滲流水頭的百分數計算表達式如下：

式中：?i為編號為i的測壓管水位;H1、H2為上下游水位。

1.2 基于風險評估的大壩監測設計

基于風險評估的大壩監測設計是在分析潛在失效模式和危險等級的基礎上決定的,監測工程和分布量可用于監測故障路徑和整個發展過程。 在每一種損壞形式的基礎上,應考慮其破壞形式的特異性來確定監測設施,如漫頂、滲透破壞等等。 在考慮洪水漫頂風險的基礎上,設置水雨情觀測裝置。 當在較高安全風險時,應加設防洪報警系統。 根據壩體的滲透損傷情況,可設置滲透壓和滲透率監測點等。 表1 為水壩安全監控工程的項目分類表。

表1 水壩安全監控工程項目分類表

從表1 可知,在漫頂風險中,上下游水位、降水量、現場檢查等都是必須設置的監控項目,而在1 級危險的情況下,可以不設置洪水預測監控。 在滲流失穩危險方面,必須設置的內容以上游水位為主;在危險等級2 以上的情況下,需增設滲透壓和滲透率監測站,在危險等級4 的情況下,需加強對裂隙的監測。 在壩肩失穩危險方面,必須設置上游水位;1 級和2 級危險時,應設置壩肩表面位移,而3 級和4 級危險時,必須設置壩肩面位移。 在結構失穩危險方面,1 級和2 級危險時,應設置滲透壓力監測,3 級和4 級危險時,應設置裂縫和內部變形監測。

根據危險區域布局來決定危險區域設置,對于危險性低的區域,可以減少或不設置設備。 以茂墩水庫為例,該水庫為均質±壩,由于大壩反濾體滲流量較大,為防止地基發生漏水,除對大壩及壩基進行防滲加固處理外,需增設滲透壓和滲透率監測站,重新設置測壓井及集滲溝流量計等安全監測設施。 此外,還應該與危險程度相聯系來決定觀察的頻率。 如當水壩出現明顯管涌等滲透破壞候,其危險程度較高,因此應加大觀察的頻率;還可以考慮使用一種自動化收集方法,實現對水壩的實時觀察。 同時,對于水壩重點部位還要進行現場檢測,在危險程度不高的部位,如壩體的變形趨于平穩時,只要依據規范中的基礎條件進行監測即可。

2 基于風險評估的水庫工程案例分析

2.1 工程概況

茂墩水庫位于從化區琶江(二)河上游茂墩水,1966 年3 月建成投入使用。 水庫集雨面積12.9km2,灌溉面積0. 084×104hm2,正常蓄水位97.50m (1956 黃海高程系統),相應庫容1 100×104m3;設計洪水位(P=2%)99. 01m,相應庫容1 241.31 × 104m3; 校核洪水位(P= 0. 1%)99.87m,相應庫容1 339.10×104m3,是一座以灌溉為主、兼顧供水和發電的中型水庫,屬于Ⅲ等中型水利水電工程,主要建筑物為3 級,次要建筑物為4 級。 主要建筑物有大壩、溢洪道、塔式輸水涵管和壩后一、二級電站。

原大壩壩頂高程 102. 00m, 最大壩高29.00m。 大壩于1997 年進行加高,加高后壩頂103.45m,最大壩高30.45m,壩頂寬5. 0m,壩頂長135.0m。 迎水坡用塊石護坡,坡比1：2. 75～1：3.25;背水坡坡比1：2.5～1：3.0,設墊褥式反濾層,并有戧臺二道,寬1.5m。 溢洪道布置在大壩左側的山丘處,溢流堰為駝峰堰,堰頂寬4.5m,堰前用長35m 的扭曲面與上坡銜接,底為1：10 反坡,堰后為二級陡坡段,坡比分別為1：3.6～1：8。陡坡段之后是挑流消能,鼻坎挑射角15°。 溢洪道設計最大單寬流量23.6 m3/s。 駝峰堰頂高程95.2m,堰頂設鋼閘門,門高2.5m,啟閉機啟門力10t。 輸水涵進口高程77.5m,涵管內徑1. 29m,采用鋼筋砼圓管型式,最大輸水能力2. 1m3/s。輸水涵管主管直通一級電站,主管分出3 個叉管,分別為魚塘養殖管、自來水廠供水管和水庫排洪管。 壩后分一級電站和二級電站,總裝機容量485kW。

2.2 基于風險評估的監測設計結果分析

在常態下,水庫潰壩多為洪水期間由壩基滲流或接觸型滲流等損傷引發,而較少因溢洪道泄流程度不夠、閘門失效等原因出現滑移引發。 本次研究對可能出現的危險程度進行分析,結果見表2。

表2 風險評估結果

表2 顯示,水壩漫頂風險整體風險指數為5,風險等級較低,為1 級;而滲透破壞導致的風險指數較高,為15 或者20,屬于3 級風險,主要體現為兩側壩肩滲透嚴重。 此時,其失效可能性為3 或者5,失效后果嚴重性為4 或者5。 而因水壩變形導致的結構失穩風險指數為5,風險等級為1,風險總體較低。

圖3 為縱斷面測壓管水位過程線對比圖。從各縱向剖面上觀察,滲透壓力的空間變化規律是不一致的。 從大壩測壓管道上觀察,新管1 比其他兩個管道的水位要高4.2m 左右,表明這一段的滲透危險大于其他位置。 但新管2 設置在大壩左側,管道的水平面約76. 8m,比大壩上游低,導致大壩的滲透壓較高。 從大壩基部測壓管道的水位上觀察,滲透壓相當,管道水位均在77.6m 以上。

圖3 高程超過80m 的縱斷面測壓管水位過程線對比圖

圖4 為高程超過90m 的縱斷面測壓管水位過程線對比圖。 從圖4 可知,舊管1、舊管2 的水位均低于庫水位,水位約86. 5m,滲透壓相差不大。 而新管4 水位則高于前兩種管道,水位約97.6m,其發生滲透的風險較高。

圖4 高程超過90m 的縱斷面測壓管水位過程線對比圖

表3 為測壓管水位數據的對比分析。 由表3可知,背水坡處一排的管水位較高,其最高平均位勢為86.32%,而最低位勢為9.31%,表明此段的坡降大部分出現在大壩內,其坡降約0.2,并且排水棱作用良好。 針對背水坡處二排的測壓管,在接近壩腳處,其旁側壓管的位勢范圍在44%左右,這是一個非常高的位置,而且在該截面集滲溝中出現滲水出逸情況,很有可能存在滲漏破壞。

表3 測壓管水位數據的對比分析

3 結 論

目前,壩工生產經營逐步轉向風險經營,常規的監控方式已經無法滿足壩工生產經營的要求。 因此,在壩工生產經營中引入風險監控是一種發展方向。 在風險分析的基礎上,本文論述了水壩安全管理問題、風險分級方法,并分析了監測設計的優化技術。 結果顯示,滲透破壞造成的風險指標較高,為16 或20,為3 級風險,具有較高的風險。 新增加的滲漏監控設備所反映出的整體危險程度均較高,表明監控資料的重要性也就越大。