Ignio Esuder-BuenoInstitute for Wter nd Environmentl Engineering Universitt Politèni de Vlèni Vleni 46022 Spin* Guido MzzàRier sul Sistem Energetio—RSE SpA Miln 20134 Itly Adrián Morles-TorresiPress Risk Anlysis Vleni 46023 Spin Jesi T. Cstillo-RodríguezInstitute for Wter nd Environmentl Engineering Universitt Politèni de Vlèni Vleni 46022 Spin

大壩風(fēng)險(xiǎn)分析的計(jì)算方法：進(jìn)展和挑戰(zhàn)

Ignacio Escuder-BuenoaInstitute for Water and Environmental Engineering, Universitat Politècnica de València, Valencia 46022, Spain,*, Guido MazzàbRicerca sul Sistema Energetico—RSE SpA, Milan 20134, Italy, Adrián Morales-TorresciPresas Risk Analysis, Valencia 46023, Spain, Jesica T. Castillo-RodríguezaInstitute for Water and Environmental Engineering, Universitat Politècnica de València, Valencia 46022, Spain

a r t i c l e i n f o

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Received 11 April 2016

Revised form 27 June 2016

Accepted 1 August 2016

Available online 19 September 2016

大壩

風(fēng)險(xiǎn)分析

計(jì)算方法

安全管理

水工結(jié)構(gòu)

近年來，風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)日漸成為大壩安全管理的有效工具。本文系統(tǒng)總結(jié)了由國(guó)際大壩委員會(huì)大壩分析和設(shè)計(jì)計(jì)算專家委員會(huì)主辦的基準(zhǔn)研討會(huì)中與大壩風(fēng)險(xiǎn)分析主題相關(guān)的三方面研究成果。2011年，基準(zhǔn)研討會(huì)討論了估算重力壩滑動(dòng)破壞模式下的潰壩概率等問題；2013年，會(huì)議討論了大壩風(fēng)險(xiǎn)分析中后果評(píng)估在計(jì)算方面所面臨的挑戰(zhàn)；2015年，會(huì)議對(duì)土石壩滑動(dòng)和漫頂破壞的概率進(jìn)行了分析。從這三次會(huì)議關(guān)于大壩風(fēng)險(xiǎn)分析數(shù)值計(jì)算的研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大壩系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析，包括下游后果評(píng)價(jià)以及結(jié)構(gòu)模型的不確定性，風(fēng)險(xiǎn)分析方法都是非常有用的工具。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 引言

對(duì)于可能給當(dāng)?shù)鼐用窈铜h(huán)境造成潛在威脅的大壩結(jié)構(gòu)開展安全水平的可靠評(píng)估，具有至關(guān)重要的意義，將對(duì)相關(guān)區(qū)域產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)影響和社會(huì)影響。

在壩工領(lǐng)域，目前人們已經(jīng)普遍使用數(shù)值模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全水平的定量評(píng)估，這主要?dú)w功于“國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)大壩分析和設(shè)計(jì)計(jì)算專家委員會(huì)”(下文簡(jiǎn)稱“大壩分析和設(shè)計(jì)計(jì)算專家委員會(huì)”)所做的大量工作。然而，由于數(shù)學(xué)建模專家、大壩工程師和管理者之間在認(rèn)識(shí)上存在較大分歧，將數(shù)值模型應(yīng)用于實(shí)際工程問題曾經(jīng)歷過一段困難時(shí)期。數(shù)學(xué)建模專家是擅長(zhǎng)開發(fā)計(jì)算機(jī)模型的信息系統(tǒng)專家，大壩工程師則是傾向于使用傳統(tǒng)評(píng)估方法和基于其可靠經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員。大壩分析和設(shè)計(jì)計(jì)算專家委員會(huì)旨在彌合兩者間的分歧，并促進(jìn)計(jì)算機(jī)軟件在大壩工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。1988年，該委員會(huì)被國(guó)際大壩委員會(huì)指定為臨時(shí)特別委員會(huì)，并最終在2005年國(guó)際大壩委員會(huì)年會(huì)期間，正式成為國(guó)際大壩委員會(huì)的永久性專家委員會(huì)。

為指導(dǎo)和幫助大壩工程師正確使用計(jì)算機(jī)程序和數(shù)值模型，該專家委員會(huì)已經(jīng)推進(jìn)了廣泛的基準(zhǔn)計(jì)劃。目前，已經(jīng)成功舉辦了十三屆基準(zhǔn)研討會(huì)，第一屆于1991年在意大利貝加莫舉辦，上一屆于2015年在瑞士洛桑舉辦。該專家委員會(huì)的各種技術(shù)目標(biāo)主要包括：在實(shí)測(cè)大壩性狀與模擬過程之間建立緊密的聯(lián)系；發(fā)布用于教育目的的業(yè)內(nèi)實(shí)踐指南；改善用以解決與安全性相關(guān)的數(shù)學(xué)模型；評(píng)估用于優(yōu)化設(shè)計(jì)、儀器監(jiān)測(cè)、監(jiān)控和安全/風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序的計(jì)算機(jī)編程的潛在能力。2011—2015年，對(duì)于最后一個(gè)主題，陸續(xù)提出了三個(gè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估緊密相關(guān)的議題(見圖1)，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程的不同階段開展了大量的研究。本文將對(duì)基準(zhǔn)研討會(huì)的議題和所取得的主要成果進(jìn)行詳細(xì)的論述。

2. 2011年巴倫西亞研討會(huì)：重力壩滑動(dòng)破壞模式下的潰壩概率估算

2011年10月20—21日，第11屆大壩數(shù)值分析基準(zhǔn)研討會(huì)在巴倫西亞召開。本次會(huì)議主題C的目的是確定80 m高重力壩沿壩基滑動(dòng)失穩(wěn)模式下庫水位、安全系數(shù)和潰壩概率之間的關(guān)系。在對(duì)大壩和它的基礎(chǔ)進(jìn)行分析時(shí)采用了不同的模型以及可靠度分析技術(shù)，并公布了8個(gè)小組的計(jì)算成果[1]。在解決上述擬定問題時(shí)，所有參與者都按照以下步驟開展相同的工作。

2.1. 安全系數(shù)

首先，每個(gè)小組選擇一個(gè)二維模型，計(jì)算(滑動(dòng)破壞模式下)不同庫水位的安全系數(shù)。所有參與者至少需要選擇一種二維剛體極限平衡模型(LEM)。雖然更為成熟的、基于有限元分析的模型開發(fā)有了長(zhǎng)足進(jìn)展，但是剛體極限平衡模型仍被公認(rèn)為是分析大壩安全的最常用方法[2]。在剛體極限平衡分析模型中，大壩與基礎(chǔ)接觸的有效面積能提供傾覆抵抗力矩，通過減少這一面積來模擬水平裂縫的演變過程。有兩個(gè)研究小組在有限元分析模型中，借助變形體模型來評(píng)估裂縫的長(zhǎng)度。研究人員采用不同的方法模擬水平裂縫，并計(jì)算排水有效和排水失效兩種工況下的安全系數(shù)。對(duì)于排水有效這一工況的安全系數(shù)，各個(gè)小組得到的安全系數(shù)差異情況見圖2。

圖1.基準(zhǔn)研討會(huì)議題和風(fēng)險(xiǎn)分析各部分之間的聯(lián)系。

如圖2所示，在應(yīng)用可靠度分析方法之前，不同方法得到的安全系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的差異。這種差異性主要是由于選定的假設(shè)和模型設(shè)置所引起的，另一個(gè)重要因素是確定安全系數(shù)，即使采用相同的剛體極限平衡模型和相同的強(qiáng)度參數(shù)，也不一定能得到相同的結(jié)果。

2.2. 摩擦角和凝聚力

各小組確定所選的隨機(jī)變量(如摩擦角?和凝聚力c)的分布特性。選擇摩擦角(?)或摩擦系數(shù)(tan?)為隨機(jī)變量，會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果來看，選擇tan?為隨機(jī)變量并假定其為正態(tài)概率密度函數(shù)(PDF)得到的失效概率，似乎比選擇摩擦角(?)為隨機(jī)變量并假定其服從正態(tài)分布得到的失效概率更大一點(diǎn)。

另外，需要確定使用何種概率密度函數(shù)。本案例提供了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便使這一工作簡(jiǎn)化，但是在通常的案例中，即使有數(shù)據(jù)產(chǎn)生，其數(shù)值也很小。除了所提供的數(shù)據(jù)外，參與者還提出(或考慮)了幾種分布函數(shù)，如正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、瑞利分布和貝塔分布等。

在確定概率密度函數(shù)時(shí)，不僅需要考慮所選的分布函數(shù)的類型，還要考慮其適用性的物理含義。當(dāng)使用無界概率密度函數(shù)，如正態(tài)分布時(shí)，其計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)分布函數(shù)進(jìn)行截?cái)嗑统蔀榉治鲞^程的關(guān)鍵點(diǎn)，此時(shí)需要用工程經(jīng)驗(yàn)來幫助確定概率密度函數(shù)截?cái)嗨捎玫淖钚≈怠?/p>

2.3. 潰壩概率

參與者使用至少一種二級(jí)可靠度分析方法，和一種三級(jí)方法——蒙特卡洛模擬法，來確定滑動(dòng)破壞模式下重力壩的潰壩概率。關(guān)于這些可靠度分析方法的詳細(xì)內(nèi)容參見文獻(xiàn)[3]?？煽慷确治龇椒ǖ念愋鸵矔?huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。二級(jí)分析方法操作起來相對(duì)簡(jiǎn)單，如果所采用的變量數(shù)目較少，其用時(shí)也相對(duì)較短；而采用三級(jí)的蒙特卡洛模擬法得到的計(jì)算結(jié)果則更為精確，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，計(jì)算工作量也更大。在潰壩概率分析時(shí)，二級(jí)和三級(jí)可靠度分析方法經(jīng)常與剛體極限平衡分析模型結(jié)合起來使用。總的說來，三級(jí)可靠度分析方法得到的潰壩概率比用二級(jí)分析方法得到的潰壩概率更低。

圖2.在排水有效的情況下，參與者用不同方法得到的安全系數(shù)與庫水位之間的關(guān)系。

2.4. 事件樹模型

最后，許多小組綜合考慮了兩種排水條件下的結(jié)果，通過事件樹模型將各單獨(dú)的概率合并分析，獲得總的潰壩概率。用三級(jí)可靠度分析方法得到的結(jié)果見圖3。

從圖3可看出，不同的參與者獲得的計(jì)算結(jié)果差異顯著。產(chǎn)生這一差異的主要原因在于設(shè)定二維模型和確定隨機(jī)變量。比較剛體極限平衡模型和有限元模型使用三級(jí)的蒙特卡洛模擬法得到的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在排水有效的條件下，當(dāng)庫水位低于壩頂高程時(shí)，兩種模型的計(jì)算結(jié)果基本一致；當(dāng)庫水位高于壩頂高程時(shí)，使用有限元模型得到的潰壩概率值接近于1，而剛體極限平衡模型的預(yù)測(cè)值則低于10–2，這是因?yàn)樵趧傮w極限平衡分析模型中，線性應(yīng)力分布假設(shè)處于“不安全”側(cè)的原因。

綜上所述，所有參與者的計(jì)算結(jié)果，為大壩分析中不確定性的主要來源開辟了新的討論空間，如分析模型的類型、安全系數(shù)的確定和隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)分析等?？傊瑓?shù)的不確定性僅是問題的一部分，而且在整個(gè)分析過程中其他不確定性因素也明顯存在，需要進(jìn)行更深入的研究來處理這些不確定性因素。

3. 2013年格拉茨研討會(huì)：大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中后果估計(jì)的計(jì)算挑戰(zhàn)

2013年10月2—4日，第12屆大壩數(shù)值分析基準(zhǔn)研討會(huì)在格拉茨召開。本次會(huì)議主題C “大壩風(fēng)險(xiǎn)分析中后果估計(jì)的計(jì)算挑戰(zhàn)”(由Yazmin Seda-Sanabria、Enrique E. Matheu和 Timothy N. McPherson提出[4])的主要目的是確定當(dāng)位于市區(qū)上游3.5 km處的土石壩發(fā)生潰壩時(shí)其存在的潛在后果。

組織者要求參與者自主選擇用于解決問題的數(shù)值模擬類型和復(fù)雜程度，其中包括一維、二維和三維洪水模擬工具，人口風(fēng)險(xiǎn)(PAR)和生命損失(LOL)的估算技術(shù)，以及資產(chǎn)和后果評(píng)估模型等。在主題C中，需要解決對(duì)人類造成的威脅(如PAR和LOL)和對(duì)經(jīng)濟(jì)造成的直接影響問題。

會(huì)上介紹了8個(gè)參與者的計(jì)算成果，其完整論述見文獻(xiàn)[4]，現(xiàn)基于以下幾方面對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行比較。

圖3.使用三級(jí)可靠度分析方法得到的破壞概率和庫水位之間的關(guān)系。

3.1. 洪水特征

參與者采用了一系列模型，其中包括基于物理原理的潰壩模型(其中考慮了壩體材料信息)和基于以往大壩潰決案例的回歸方程。模型、方法和參數(shù)的選擇可以顯著影響洪峰流量的時(shí)間和量值。計(jì)算結(jié)果表明，使用回歸方程的模型比基于物理原理的模型洪峰來得更早。

此外，研究小組使用各種不同的技術(shù)來得到必要的洪水輸出數(shù)據(jù)，以便于進(jìn)行后果分析。大壩潰決水動(dòng)力仿真結(jié)果取決于輸入的數(shù)據(jù)組(如潰口流量、地形、糙率)和方法。參與者使用不同的方法估算糙率系數(shù)，結(jié)果卻出現(xiàn)了較大差異。

各方案中的最大洪泛區(qū)面積為30～47 km2。但比較參與者的計(jì)算結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)(兩兩比較)，大多數(shù)方案都有較大的相似性。盡管各方案在洪泛區(qū)面積上存在相似性，但其潰壩洪水到達(dá)時(shí)間卻不同，這主要取決于確定洪水到達(dá)時(shí)間所考慮的閾值(如洪水深度到達(dá)指定值的時(shí)間)。

3.2. 人口風(fēng)險(xiǎn)(PAR)

人口普查和土地利用數(shù)據(jù)由會(huì)議主題的編制者提供。不同參與者給出的洪泛區(qū)人口空間分布差異較大。其中，3位參與者為便于正確匯總洪災(zāi)人口普查區(qū)的受災(zāi)人口，把人口均勻分配在部分淹沒的人口普查區(qū)內(nèi)；另外3位參與者將人口重新分配到所提供的地塊數(shù)據(jù)中；還有1位參與者將地塊內(nèi)的居住人口和工作人口也計(jì)算在內(nèi)；最后1位參與者使用發(fā)達(dá)地區(qū)的不受外界干擾的程度來分配人口。

洪水深度低于2 m時(shí)，在風(fēng)險(xiǎn)人口方面，各方案呈現(xiàn)出一致的結(jié)果；但人口分布方面的這些差異導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)人口數(shù)處于15 000～30 000人之間。另外，還發(fā)現(xiàn)各參與者在確定洪水的嚴(yán)重性方面也存在較大差異(如根據(jù)暴露人口數(shù)量或?qū)ㄖ锏挠绊憗泶_定洪水的嚴(yán)重性等)。

3.3. 生命損失(LOL)

大多數(shù)參與者對(duì)生命損失的估算結(jié)果基本類似，估計(jì)約有2000人死亡。但是，其中1位參與者提供的生命損失估算結(jié)果與其他參與者差異較大，其估算死亡人數(shù)達(dá)到4000人，這一差異主要是由于所確定的洪水嚴(yán)重程度不同而導(dǎo)致的。

3.4. 直接經(jīng)濟(jì)損失

由于在經(jīng)濟(jì)后果估算中使用的方法不同(如GDP對(duì)保險(xiǎn)損失)，以及不同的資產(chǎn)價(jià)值假設(shè)，導(dǎo)致不同參與者給出的直接經(jīng)濟(jì)損失值差別較大，損失在4億～26億美元之間。

總的說來，此基準(zhǔn)研討會(huì)結(jié)果顯示，水力學(xué)方面的結(jié)果相似；但是，各小組得出的洪峰到達(dá)時(shí)間不同。如策劃者所述，這是由于潰口水位曲線的計(jì)算以及回歸方程和基于物理原理的公式存在差異所導(dǎo)致的。洪峰深度最大差異產(chǎn)生的原因，可能是由于將不規(guī)則網(wǎng)格產(chǎn)生的結(jié)果轉(zhuǎn)化成規(guī)則的網(wǎng)格輸出所造成的。

所有參與小組都給出了相似的PAR估計(jì)結(jié)果，但在洪峰到達(dá)時(shí)間和洪水嚴(yán)重程度估計(jì)上卻存在較大差異。經(jīng)濟(jì)后果分析也存在顯著的差異，這主要是因?yàn)閷?duì)直接影響的闡釋和資產(chǎn)價(jià)值的估計(jì)不同。

總之，盡管有生命損失和經(jīng)濟(jì)后果估算的指導(dǎo)準(zhǔn)則和引用文獻(xiàn)(例如文獻(xiàn)[5–7])，但由于使用的方法和定義以及參與者的假設(shè)范圍較廣，因此在潰壩后果估計(jì)中出現(xiàn)了某些方面的顯著差異。需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然存在這些差異，但生命損失和經(jīng)濟(jì)損失的結(jié)果仍然處于同一數(shù)量級(jí)。

4. 2015年洛桑研討會(huì)：邊坡失穩(wěn)和漫頂誘發(fā)土石壩潰壩的概率

2015年9月9—11日，第13屆基準(zhǔn)會(huì)議在洛桑召開，會(huì)議主要討論了土石壩潰壩的問題。雖然沒有實(shí)測(cè)的抗力數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)，但我們從一個(gè)西班牙大壩的案例中得到啟發(fā)，將重點(diǎn)放在考慮自然和認(rèn)知的不確定性方面以計(jì)算出邊坡失穩(wěn)和漫頂破壞模式的易損性曲線，并使用這些曲線來計(jì)算年潰壩概率[8]，而參與者給出了3種不同的解決方案([9–11])。下文主要將這些解決方案與議題策劃者給出的參考方案進(jìn)行對(duì)比并展開分析。

策劃方案是一座16 m高的均質(zhì)土壩。近年來，該土壩的下游壩坡已出現(xiàn)局部失穩(wěn)的問題，所以建議采用定量風(fēng)險(xiǎn)分析法來估算該壩的年潰壩概率。分析中主要考慮了兩種潰壩模式——漫頂和大壩失穩(wěn)。上述兩種潰壩模式中，庫水位被認(rèn)為是導(dǎo)致潰壩的主要驅(qū)動(dòng)力，下面從5個(gè)步驟展開討論。

4.1. 失穩(wěn)破壞模式的分析

為大壩下游邊坡擬定一個(gè)邊坡失穩(wěn)的極限模型，并確定該模型主要的隨機(jī)變量。這一步驟中，參與者使用了完全不同的邊坡失穩(wěn)分析方法，包括簡(jiǎn)單的極限平衡分析法和更全面的有限元分析法。此外，對(duì)穩(wěn)定水力條件和瞬態(tài)水力條件這兩種不同的水力條件進(jìn)行了假設(shè)比較。

為了考慮自然和認(rèn)知這兩種不確定性，建議在摩爾–庫侖破壞原則中采用摩擦角和凝聚力這兩個(gè)隨機(jī)變量，并向參與者提供了這些變量的主要統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

4.2. 參考易損性曲線的計(jì)算

通過使用上一步驟中確定的隨機(jī)變量的不確定性分布，計(jì)算壩坡失穩(wěn)的參考易損性曲線(庫水位與破壞概率之間的關(guān)系)。通過比較不同方法得到的易損性曲線(見圖4)可以發(fā)現(xiàn)，盡管參與者都采用了具有相同分布特征和幾何特征的隨機(jī)變量，但卻得出了不同的易損性曲線分布。這些結(jié)果表明，所做的假定和使用的模型都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。另外，蒙特卡洛模擬的次數(shù)也對(duì)參考易損性曲線的計(jì)算結(jié)果有顯著影響。

圖4.參與者所計(jì)算的滑動(dòng)易損性曲線對(duì)比。

在研討會(huì)期間，有人強(qiáng)調(diào)水力假設(shè)尤其重要。在本案例中，按照穩(wěn)定水力條件考慮可能會(huì)導(dǎo)致邊坡抗力被低估。在建立數(shù)值模型的任何情形下都應(yīng)注意所做的假設(shè)會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響。例如，兩個(gè)參與者使用同一軟件工具、相同的幾何形狀和相同的隨機(jī)變量，卻得到了極不相同的易損性曲線。

漫頂破壞模式的參考易損性曲線可以通過對(duì)數(shù)正態(tài)分布來直接確定，根據(jù)這些結(jié)果，所有參與者得出相同的結(jié)論——邊坡失穩(wěn)破壞模式明顯比漫頂更值得關(guān)注。

從兩種破壞模式的參考易損性曲線綜合考慮，可以繪制出綜合參考易損性曲線，代表該土壩在不同庫水位下的結(jié)構(gòu)性狀。

采用常見因素調(diào)節(jié)技術(shù)[12]對(duì)所有方案進(jìn)行兩種破壞模式的綜合分析。使用上限或下限，對(duì)該組合方法不會(huì)有很大的影響，其中邊坡失穩(wěn)破壞模式顯然是主要的破壞模式，因?yàn)橹挥性诟怕蕵O低的庫水位條件下才會(huì)發(fā)生漫頂。

4.3. 庫水位概率的計(jì)算

庫水位概率的計(jì)算是為了獲得庫水位和年度超越概率(AEP)之間的關(guān)系?；诩僭O(shè)的洪水和水庫數(shù)據(jù)，通過評(píng)估不同洪水事件中洪水在水庫中的路徑和底孔泄洪能力，對(duì)該曲線進(jìn)行了估算。對(duì)不同的庫水位，所有參與者都獲得了相似的超越概率曲線。參與者全部使用了相同的洪水和水庫數(shù)據(jù)，所用的洪水路徑也非常簡(jiǎn)單，所以在4種解決方案中洪水路徑的結(jié)果非常相似。

4.4. 計(jì)算潰壩概率和開展敏感性分析

使用前一階段計(jì)算的曲線，再結(jié)合參考易損性曲線來計(jì)算參考破壞概率。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，所獲得的年潰壩概率結(jié)果有較大的差異，差異范圍為1.8×10–1～4.1×10–3。這些差異主要是因?yàn)椴捎昧瞬煌囊讚p性曲線，說明用于分析該潰壩模式所作的假設(shè)很明顯是調(diào)節(jié)的結(jié)果。所得到的年潰壩概率值較高，主要是因?yàn)樾薷牧舜髩蔚目沽退臄?shù)據(jù)，以增加一定條件下的潰壩概率來減少樣本數(shù)量。

4.5. 評(píng)估認(rèn)知的不確定性

在這一階段，使用各隨機(jī)變量平均值的概率分布來確定認(rèn)知的不確定性，這些分布被用于獲得失穩(wěn)破壞模式的一系列易損性曲線。漫頂破壞模式的系列易損性曲線是直接在該議題的談?wù)摬邉澲写_定的。最后，將這兩個(gè)系列的易損性曲線進(jìn)行組合，從而獲得潰壩概率的輪廓線。僅有兩位參與者做了這一階段的工作(見圖5)。這兩條曲線的差異較大，與通過失穩(wěn)模型所獲得的易損性曲線差異一致。在兩種解決方案中，兩條潰壩概率的輪廓線表明，抗力參數(shù)分布中的小變化卻可以造成易損性曲線的大變化，這恰恰說明了單獨(dú)評(píng)估認(rèn)知中不確定性的重要性。

圖5.參與者所計(jì)算破壞概率輪廓線的對(duì)比。

主要差異產(chǎn)生的原因是失穩(wěn)破壞模式帶入的易損性曲線有差異造成的。該對(duì)比說明即使采用相同的幾何形狀和抗力參數(shù)，只要所做的假設(shè)不同，就可獲得極不相同的結(jié)果，尤其是水力條件假設(shè)具有極大的影響。因此，不確定性不僅來源于抗力參數(shù)，還有邊坡失穩(wěn)模型的選擇和大壩的水力性狀等。

目前已經(jīng)證實(shí)，在對(duì)假定條件可能造成的影響進(jìn)行分析時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)分析是一個(gè)有效的工具。此外，還可以從獲得的結(jié)果中看出該從何處著手來降低不確定性。因此，區(qū)分自然和認(rèn)知不確定性是大壩安全管理中的巖土工程分析的基礎(chǔ)工作。

5. 結(jié)語

目前已有用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的新技術(shù)，同時(shí)還能為大壩維護(hù)或修復(fù)決策提供相關(guān)的信息支持。2011年以來，國(guó)際大壩委員會(huì)一直致力于從計(jì)算角度來解決這個(gè)問題，還提供一些文獻(xiàn)資料用于了解和關(guān)注在風(fēng)險(xiǎn)分析和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)技術(shù)(如事件頻率、安全系數(shù)、潰壩參數(shù)等)中所作出的決策。

將此風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)合到專家委員會(huì)最近組織的三次基準(zhǔn)研討會(huì)中，為應(yīng)用這些技術(shù)提供了多種方法，包括風(fēng)險(xiǎn)分析所涉及的三個(gè)組成部分：荷載、系統(tǒng)響應(yīng)和影響?；鶞?zhǔn)研討會(huì)的高參與度以及會(huì)上所提出的大量解決問題的方案，足以顯示大壩利益共同體對(duì)可靠度方法和風(fēng)險(xiǎn)分析在大壩安全性應(yīng)用方面的關(guān)注?；鶞?zhǔn)研討會(huì)已經(jīng)有效地促進(jìn)了相關(guān)知識(shí)的交流與討論。

計(jì)算方法的最新進(jìn)展促進(jìn)了風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)，從簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)模型發(fā)展到復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算程序和方法。計(jì)算方法仍然有改進(jìn)提升的空間，如當(dāng)數(shù)據(jù)收集并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算時(shí)如何適當(dāng)解決認(rèn)知的不確定性等問題。

基準(zhǔn)研討會(huì)表明，即使是相對(duì)簡(jiǎn)單和眾所周知的工程問題與風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)結(jié)合時(shí)，仍應(yīng)按照工程判斷來開展分析討論，進(jìn)而獲得有意義的信息來開展大壩的安全管理工作。

基準(zhǔn)研討會(huì)的結(jié)果表明，當(dāng)數(shù)值模型應(yīng)用于大壩安全分析時(shí)，假設(shè)條件可以大幅度改變實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，當(dāng)給出結(jié)果時(shí)應(yīng)明確闡述和解釋所作的假設(shè)與結(jié)果之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從這層意義上來說，要對(duì)工程師日常設(shè)計(jì)實(shí)踐中所作的假設(shè)而產(chǎn)生的影響開展分析，風(fēng)險(xiǎn)分析已經(jīng)被證實(shí)是一個(gè)有用的工具，但也是最容易被忽略的。

下一步開展的工作包括：

(1) 開展認(rèn)知不確定性的影響分析，可以更好地理解認(rèn)知不確定性對(duì)負(fù)荷和阻力參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果所構(gòu)成的影響。

(2) 采用多重風(fēng)險(xiǎn)分析方法開展分析風(fēng)險(xiǎn)。通過全面的方法來估計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，包括所有潛在的風(fēng)險(xiǎn)(例如洪水、地震)及其相關(guān)性風(fēng)險(xiǎn)分析。

(3) 分析不同故障模式之間的相關(guān)性，可以理清現(xiàn)有故障機(jī)制間的相關(guān)性，以便在更好地描述風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)可以分析不同的假設(shè)(如假設(shè)用于共同的原因或者調(diào)節(jié))所造成的影響。

(4) 為了更好地評(píng)估大壩潰壩的后果，包括警告和疏散的不確定的有效性，應(yīng)對(duì)疏散人群產(chǎn)生的后果開展研究。

Acknowledgements

This paper was published with the support of the research project INICIA (Methodology for Assessing Investments on Water Cycle Infrastructures informed on Risk and Energy Efficiency Indicators, BIA2013-48157-C2-1-R, 2014–2016) funded by the Spanish Ministerio de Economia y Competitividad (Programa Estatal de Investigación, Desarrollo e Innovación Orientada a los Retos de la Sociedad).

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Ignacio Escuder-Bueno, Guido Mazzà, Adrián Morales-Torres, and Jesica T. Castillo-Rodríguez declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

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* Corresponding author.

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英文原文: Engineering 2016, 2(3): 319—324

Ignacio Escuder-Bueno, Guido Mazzà, Adrián Morales-Torres, Jesica T. Castillo-Rodríguez. Computational Aspects of Dam Risk Analysis: Findings and Challenges. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.005