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        基于價值工程理論的流域防災體系加固決策研究

        2010-04-03 01:39:30梁國錢杜晨程
        浙江水利科技 2010年2期
        關(guān)鍵詞:洪水位潰壩堤防

        梁國錢,杜晨程,陳 斌

        (1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江水利水電??茖W校,浙江 杭州 310018)

        以流域為考察對象,其防洪工程主要由水庫、堤防等各防洪單元構(gòu)成。在制定流域防洪規(guī)劃時,遇到的問題之一是,在投資有限的條件下,各防洪單元建設(shè)或者除險加固的優(yōu)先順序如何?怎樣才能取得最大的防洪費用效益比?為此本文提出以風險分析為基礎(chǔ),采用價值工程理論進行決策分析的方法。

        風險分析的特點在于,不僅考慮各防洪單元 (大壩、堤防等)本身的破壞形式、破壞嚴重程度,還與影響區(qū)域內(nèi)居民的數(shù)量、經(jīng)濟發(fā)展程度有關(guān)。換言之,洪災風險就是堤壩潰決概率和潰決影響的綜合。如某些防洪單元雖然病害較嚴重,但下游人口居住稀少;而另外一些防洪單元雖然病害程度相對較輕,但一旦失事,將嚴重危及人民的生命財產(chǎn)安全。這些差異,在建設(shè)(加固)決策中應得到充分考慮。為此首先進行不同類型防洪單元的失事風險分析。

        1 各防洪單元的失事概率分析

        1.1 水庫大壩

        目前,國內(nèi)外有關(guān)大壩風險分析的理論已初步建立[1-2]。研究成果主要集中于以下幾個方面:①潰壩模式和潰壩路徑分析;②潰壩概率估計;③大壩潰決影響評價;④水庫大壩的風險標準確定。針對一座大壩而言,其風險等于潰壩概率Pf和潰決后果L的乘積,即:

        式中R為風險指數(shù),Pf為不同潰決模式下潰壩概率Pm之和 ,即:

        大壩失事模式包括漫頂失事、壩體變形失事、滲透破壞失事以及地震失事等。如漫頂失事概率P1可由下式計算:

        P1=P(H>D)

        式中H為壩前洪水水位,D為壩頂高程。根據(jù)調(diào)洪演算原理,上式可以轉(zhuǎn)化為溢洪道泄水建筑物設(shè)計最大泄水流量q0與溢洪道建筑物最大下泄流量qm的關(guān)系:

        具體的各失事模式失事概率計算可參見文獻[1]和文獻 [2],此不贅述。

        1.2 堤 防

        根據(jù)江河洪水災害和堤防失事破壞的調(diào)查資料分析,堤防的失事破壞類型主要有:①漫頂破壞失事;②滲透破壞失事;③失穩(wěn)破壞失事共3類。漫頂失事是由于堤防高度不達標或超標洪水引起的,評價時涉及堤防工程等級的確定、設(shè)計洪水頻率及堤防超高的規(guī)定、設(shè)計洪水位的計算等問題。滲透破壞失事主要包括管涌(水在土孔隙中的流速增大引起土的細顆粒被沖刷帶走的現(xiàn)象)和流土(在滲透力作用下,土體中的顆粒群同時起動而流失的現(xiàn)象)。綜合分析其破壞機理,堤防工程滲流破壞的內(nèi)部因素主要與堤身堤基的材料特性及力學特性有關(guān),如堤身堤基填筑材料的級配、黏粒含量、干密度、飽和度以及滲透系數(shù)等因素有關(guān)。失穩(wěn)破壞失事根據(jù)其表現(xiàn)形式又可分為滑坡、崩岸等,影響岸坡穩(wěn)定的主要內(nèi)部因素為岸坡條件,即:土體的組成、土體的物理力學性質(zhì)、滲透特性等。高水位作用和降雨影響是岸坡穩(wěn)定的主要外部因素。

        根據(jù)相關(guān)研究成果[3-4],堤防漫頂破壞的風險率的數(shù)學模型可表示為

        式中:H為防洪堤臨水面洪水位,h0為堤壩高程;f(h)為洪水位概率密度函數(shù)。洪水位概率密度函數(shù)也即洪水位頻率曲線函數(shù),堤防工程中的洪水頻率曲線線型可采用極值Ⅰ型分布或P-Ⅲ型分布。

        堤防滲透破壞風險率的數(shù)學模型可表示為

        式中FJ為給定洪水位H時,滲透坡降J大于臨界滲透坡降Jk的概率,FJ(H)f(H)為洪水位的概率密度函數(shù);H1為計算堤防失穩(wěn)風險時規(guī)定的最低洪水位值;H2為計算堤防失穩(wěn)風險時規(guī)定的最高洪水位值。

        堤防岸坡滑動失穩(wěn)破壞風險率的數(shù)學模型可以表示為

        上述堤防失事概率計算公式可進一步具體化,參見文獻[3]和文獻[4]。

        2 失事?lián)p失估計

        洪災損失主要包括3個方面:生命損失、經(jīng)濟損失及社會環(huán)境影響。引入洪災后果綜合評價函數(shù)L,綜合考慮生命、經(jīng)濟和社會環(huán)境所占的權(quán)重Si及其嚴重程度系數(shù)Fi,采用線性加權(quán)和法進行構(gòu)造。S1、S2、S3取值分別為0.737、0.105和0.158[1]:

        生命損失嚴重程度系數(shù)F1采用Dekay&Mc Cleddand法確定[5]:

        LOL≈0.73PAR0.36exp[-0.739WT+(3.790-2.223WT)FC]

        式中,LOL為生命損失,PAR為風險人口,WT為預警時間,Fc為洪水強度。

        經(jīng)濟損失嚴重程度系數(shù)F2按下式計算:

        式中x為經(jīng)濟損失數(shù)額,元。

        社會環(huán)境影響系數(shù)綜合風險人口系數(shù)、重要城市系數(shù)、重要設(shè)施系數(shù),文物古跡、藝術(shù)珍品及稀有動植物系數(shù),河道形態(tài)影響系數(shù)、生物及其生長棲息地系數(shù)、人文景觀系數(shù)、污染工業(yè)系數(shù)等因子,按下式計算

        式中f為社會與環(huán)境影響指數(shù),

        其中N為風險人口影響因子;C為重要城市影響因子;I為重要設(shè)施影響因子;h為文物古跡、藝術(shù)珍品及稀有動植物影響因子;R為河道形態(tài)影響因子;l為生物及其生長棲息地影響因子;L為人文景觀影響因子;P為污染工業(yè)影響因子。

        3 風險估計

        單個防洪單元的洪災風險可由式(1)計算。現(xiàn)僅考慮水壩、堤防2類防洪單元。假定在一給定的流域中,有若干座大壩,同時根據(jù)保護對象劃分了若干段堤防,則還需考慮各防洪單元間的影響。如:串聯(lián)水庫中上游水庫潰壩,則可能會對下游水庫產(chǎn)生直接影響,有連續(xù)潰的可能性;水庫潰壩會導致堤防失事的概率較大,堤防失事對水庫大壩的影響則較小。在做風險估計時,必須充分考慮各類風險疊加的影響。從技術(shù)上看,風險疊加的計算并無難處。

        4 價值工程模型

        價值工程(ValueEngineering),也稱價值分析(ValueAnalysis),是一門新興的現(xiàn)代管理科學,也是一種把技術(shù)與經(jīng)濟相結(jié)合的應用理論。它起源于20世紀40年代的美國。其創(chuàng)始人設(shè)計工程師L.D麥爾斯在第二次世界大戰(zhàn)期間,在美國通用電氣公司采購部門工作。在實踐工作中,逐步發(fā)現(xiàn)用一些不太短缺的材料能夠有效地替代短缺材料同樣可以獲得相同的功能,由此總結(jié)出一套解決采購問題的行之有效的方法。當時稱之為價值分析,價值工程由此起源。后來,價值分析這種方法推廣應用到其他領(lǐng)域(如生產(chǎn)和管理領(lǐng)域),并逐漸豐富和發(fā)展完善,成為現(xiàn)在統(tǒng)稱的價值工程。根據(jù)價值工程的基本公式

        價值由功能和成本二因素決定。以風險的降低值為功能,建設(shè) (加固)投資為成本,可建立功能函數(shù)。按價值排序,即可得到各防洪單元建設(shè)(加固)的優(yōu)先排序。

        5 應用舉例

        破溪是錢塘江流域江山港的一條小支流,主流長8 km,平均河寬6 m,流域面積42.15 km2。上游建有2座小型水庫—蘇州堂內(nèi)庫與蘇州堂外庫,均為黏土心墻壩,庫容分別為144萬m3和18萬m3。水庫以下3 km處,河道從四都鎮(zhèn)鎮(zhèn)中心穿過,而后匯黃基坂中干渠水,注入江山港。該流域蘇州塘水庫—四都鎮(zhèn)段如圖1所示。

        圖1 梯級水庫與四都鎮(zhèn)的相對位置圖

        將2座水庫各作為1個防洪單元,堤防部分分3個防洪單元,即:嚴溪口段防洪堤,位于樁號4+188~4+570 m左岸,長度992 m;四都鎮(zhèn)區(qū)樁號2+669~3+358 m左、右岸各為一防洪單元,長度689 m。

        按1~4節(jié)所述方法計算各防洪單元風險值。其中,內(nèi)庫潰壩考慮對外庫的影響,外庫潰壩考慮對堤防的影響。由于該河段堤防實際均為擋土墻,僅考慮漫堤和滑坡2種破壞形式,滑坡破壞主要導致公路中斷、沿河房屋坍塌等。為簡化計算,同時假定加固后各防洪單元的洪災風險均為0。受篇幅所限,以下僅列出外庫的風險計算過程。根據(jù)安全技術(shù)認定結(jié)論,蘇州堂外庫存在大壩壩體迎水坡太陡,壩體不穩(wěn)定、溢洪道堰體及導墻不穩(wěn)定、壩下涵管漏水并進口段有橫向裂縫、大壩壩體壩基存在滲漏嚴重等問題,為此對各類潰壩概率進行估計,具體見表1~4。

        表1 大壩滲透破壞引起的潰決概率估算表

        表2 壩下埋管滲透破壞引起的潰決概率估算表

        表3 大壩滑動引起的潰決概率估算表

        表4 洪水不能安全下泄引起的潰決概率估算表

        根據(jù)表1~4,設(shè)計洪水下,所有潰決模式發(fā)生的概率P(A1+A2+…+A4)為:

        max(P1,P2,…,Pn)=0.000675≤P(A1+A2+…+A4)

        校核洪水下,所有潰決模式發(fā)生的概率P(A1+A2+…+A4)為:

        max(P1,P2,…,Pn)=0.000315≤P(A1+A2+…+A4)

        上述2項相加,得

        0.00099≤P(A1+A2+…+A4)≤0.002332

        根據(jù)式(5)計算潰壩損失,經(jīng)洪水演進計算知鎮(zhèn)區(qū)堤防將漫頂,但水深小于0.3 m[6]。由此算得潰壩后果綜合評價系數(shù) L=0.803,進而求得風險值

        Pf,mim=0.0008≤R≤0.00187=Pf,max

        按Pf,max,各防洪單元的風險分析見表5。根據(jù)流域防洪規(guī)劃,各防洪單元的加固投資額同列于表5。

        表5 各防洪單元加固價值分析表

        由表5可見,蘇州塘內(nèi)庫的安全運行在該流域防洪工程中具有關(guān)鍵作用。根據(jù)大壩安全認定結(jié)果,只需對溢洪道導墻進行加固,使泄洪能力得以正常發(fā)揮,即可極大地提高防洪效果。據(jù)此擬定該流域防洪工程規(guī)劃排序,最優(yōu)先為蘇州塘內(nèi)庫,次優(yōu)先蘇州塘外庫除險加固,再次為四都鎮(zhèn)區(qū)段防洪堤 (左岸)。

        6 結(jié) 語

        流域的防洪規(guī)劃是一個復雜的社會經(jīng)濟系統(tǒng),受多方面因素的制約。本文通過將防洪體系劃分為若干個防洪單元,在風險分析的基礎(chǔ)上,采用價值工程理論進行除險加固的優(yōu)先排序,可作為決策的參考依據(jù)之一。所述方法也可視為流域防洪體系風險管理的框架。但是,當流域規(guī)模較大時,雖可增加防洪單元的數(shù)量,系統(tǒng)總體仍相當復雜,模型優(yōu)化問題將有待進一步解決。

        [1]傅瓊?cè)A,段智芳.群壩風險評估指數(shù)排序方法的探討[J].中國水利水電科學研究院學報,2006(2):107-110,150.

        [2]彭雪輝,李雷,王仁鐘.大壩風險分析及其在沙河集水庫大壩的應用[J].水利水運工程學報,2004(4):21-25.

        [3]朱勇華,郭海晉,徐高洪,等.防洪堤防洪綜合風險研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2003(7):11-14.

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