羅倩鈺,胡德秀

西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院,陜西 西安 710048

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水資源短缺問題日益嚴(yán)峻，長距離跨流域調(diào)水工程是促進(jìn)我國北方地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源綜合利用的重要舉措。我國目前在建和擬建的大型跨流域調(diào)水工程有：山西引黃入晉工程、遼寧東水西調(diào)工程，陜西引漢濟(jì)渭工程等。自上世紀(jì)七十年代，風(fēng)險(xiǎn)分析已在水庫、大壩、堤防等水利工程以及水文與水環(huán)境方面得以推廣應(yīng)用。目前，多數(shù)針對水工隧洞的風(fēng)險(xiǎn)分析僅針對單一事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)量化，如：TBM施工對巖爆風(fēng)險(xiǎn)的影響[1]、圍巖流變作用風(fēng)險(xiǎn)[2]等。然而，深埋長距離輸水隧洞工程涉及的技術(shù)種類多，工程管理復(fù)雜且建設(shè)周期長，因此在建設(shè)與運(yùn)行全壽命階段存在著各類風(fēng)險(xiǎn)，且具有風(fēng)險(xiǎn)累積效應(yīng)。因此，本文在識別輸水隧洞工程主要風(fēng)險(xiǎn)及確立其評價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，引入BORA方法將眾多相互關(guān)聯(lián)的定性定量風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行量綱統(tǒng)一化處理及權(quán)重排序，并對工程措施風(fēng)險(xiǎn)減緩程度進(jìn)行量化評價(jià)，以達(dá)到對整體風(fēng)險(xiǎn)的評估，為類似工程風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。

1 風(fēng)險(xiǎn)識別

輸水隧洞施工期風(fēng)險(xiǎn)事件分析取決于前期勘察階段所提供的隧洞沿線地質(zhì)構(gòu)造及水文條件，可分為巖爆、圍巖失穩(wěn)、涌水突泥災(zāi)害及其他施工風(fēng)險(xiǎn)四類。

巖爆是由于巖體內(nèi)部積聚的彈性應(yīng)變能瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生的片狀剝落、彈射現(xiàn)象，為地下洞室開挖中常見現(xiàn)象。其發(fā)生與否與烈度大小的外因來源于工程沿線地形起伏、原始地應(yīng)力場及人工開挖。內(nèi)在因素則與巖性條件密切相關(guān)：礦物結(jié)構(gòu)致密，質(zhì)脆的硬巖中易發(fā)生巖爆。多種由洞室圍巖物理力學(xué)性質(zhì)計(jì)算所得巖爆判據(jù)已得到廣泛應(yīng)用，如Russenes法、Turchaninov法[3]、Griffith準(zhǔn)則等。

圍巖穩(wěn)定或失穩(wěn)狀態(tài)體現(xiàn)為洞室圍巖變形量及變形速率。早期地下洞室穩(wěn)定性多從定性角度出發(fā)，基于經(jīng)驗(yàn)類比提出圍巖分類的各項(xiàng)系統(tǒng)準(zhǔn)則，詳述于各水利水電工程勘察及設(shè)計(jì)規(guī)范。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展，基于數(shù)值解的定量分析方法逐漸廣泛應(yīng)用于圍巖穩(wěn)定性評價(jià)。

地下洞室突涌水影響因子來源可分為降雨量、地形地貌、地層巖性、地下水水文特性及人為施工。其中，斷層及貫通性大裂隙附近是預(yù)防突水的重點(diǎn)部位。此外，研究區(qū)域地下水對混凝土及鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性也應(yīng)納入涌水災(zāi)害考慮范圍。

其他施工風(fēng)險(xiǎn)可能來源于地溫及有害氣體災(zāi)害，應(yīng)做好相關(guān)監(jiān)測預(yù)報(bào)工作及通風(fēng)排氣等措施。隧洞沿線地表可能由于不穩(wěn)定巖體產(chǎn)生崩塌、滑坡，進(jìn)而對隧洞安全產(chǎn)生影響。

長距離調(diào)水工程運(yùn)行期風(fēng)險(xiǎn)主要取決于各建筑物系統(tǒng)運(yùn)行狀況。對于輸水隧洞，可分為水力破壞及供水水量兩類風(fēng)險(xiǎn)事件。一般而言，輸水隧洞多為無壓隧洞，但若遭遇超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來水，致使隧洞成為有壓或半有壓隧洞，則可能發(fā)生空蝕破壞及接縫處水力劈裂。另外，含沙水流可對洞壁材料造成沖磨破壞。供水水量短缺風(fēng)險(xiǎn)主要來源于水源地和受水區(qū)豐枯遭遇及整體輸水工程調(diào)度方式。

2 綜合風(fēng)險(xiǎn)分析

完整的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析包含五部分內(nèi)容：風(fēng)險(xiǎn)識別、風(fēng)險(xiǎn)估算、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)減緩和風(fēng)險(xiǎn)決策。在風(fēng)險(xiǎn)識別的基礎(chǔ)上，如何利用各項(xiàng)單一風(fēng)險(xiǎn)的分析結(jié)果建立系統(tǒng)評價(jià)模型，是估算輸水隧洞失事概率及后果的基礎(chǔ)。本文利用安全柵與操作風(fēng)險(xiǎn)分析方法（Barriers Operational Risk Analysis）對輸水隧洞進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)定量評價(jià)，其優(yōu)勢在于可明確表達(dá)技術(shù)、人為、與操作因素對風(fēng)險(xiǎn)事件的影響[4,5]。BORA方法起源于挪威一家鉆井油氣工程，目前在國內(nèi)鮮少應(yīng)用。

一個(gè)完整的BORA分析一般包含以下步驟：

（1）建立安全柵框圖，示例見圖1。安全柵指的是計(jì)劃用來防止、控制或緩解危險(xiǎn)乃至事故的物理及非物理方法；

圖1 安全柵框圖基本元素Fig.1 The basic elements of the safe grids

圖2 FLAC3D（左：總位移，右：塑性區(qū)圖）Fig.2 FLAC3D(Left:Displacement;Right:Plastic zone)

（2）評價(jià)安全柵，包含以下基本元素：原因，即激活安全柵功能的事件；安全柵對事故的影響；安全柵可靠性、可用性及堅(jiān)固性；

（3）建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)以描述不同風(fēng)險(xiǎn)影響因子（RIF）對各安全柵功能的影響；

（4）對各項(xiàng)RIF狀況打分s；（A代表在該項(xiàng)中危害水平最小，F(xiàn)最大）

（5）將RIF進(jìn)行權(quán)重排序得到ωi；

（6）確定安全柵失效概率。考慮事件A，可能代表一個(gè)安全柵失效，也可能為觸發(fā)安全柵失效的基本事件。BORA方法提倡，若由理論分析及相關(guān)數(shù)據(jù)庫得出Pr(A)ave，則事件A在某一實(shí)際工程的發(fā)生概率Pr(A)inst可表示為：

式中，n為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中與A匹配的RIF數(shù)量。對于每一項(xiàng)RIF，Qi值確定方法如下：

Pr(A)high及Pr(A)low代表專家評判最高與最低概率。

3 工程實(shí)例

引漢濟(jì)渭工程黃三段輸水隧洞位于南秦嶺中段、漢江以北的中低山區(qū)。地勢北高南低，沿線地形起伏較大。隧洞沿線橫穿14條較大規(guī)模斷層，傾角較陡。

3.1 巖爆風(fēng)險(xiǎn)估算

黃三段隧洞全長16.48 km，埋深區(qū)間洞段長度占比已知。工程區(qū)應(yīng)力場是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的地應(yīng)力場，回歸分析表明，最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力與深度的線性關(guān)系分別為σH=0.029H+9.385、σh=0.034H+2.976。

表1 巖爆問題評價(jià)表Table 1 Evaluation form of rock burst

輸水隧洞沿線可能產(chǎn)生巖爆的巖體（分布樁號略）及巖爆程度見表1。Turchaninov判別法提倡當(dāng)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)小于0.3時(shí)將無巖爆事故發(fā)生，大于0.5則一定發(fā)生巖爆。

3.2 圍巖穩(wěn)定性評價(jià)

連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分分析方法（Fast Lagrangian Analysis of Continuum）能夠模擬巖土體達(dá)到屈服極限后的變形破壞行為，適于模擬輸水隧洞大變形、失穩(wěn)、開挖及支護(hù)問題。本算例利用三維顯式有限差分法程序FLAC3D建立圍巖穩(wěn)定評價(jià)指標(biāo)。

該隧洞采用鉆爆法施工，算例采用半徑3.5 m圓形隧洞分段開挖，前半段（15 m）開挖后進(jìn)行襯砌支護(hù)，相關(guān)參數(shù)見表2。取隧洞沿線及軸線兩側(cè)60 m作為計(jì)算區(qū)域，共剖分1476000空間區(qū)域單元及1500661節(jié)點(diǎn)。

表2 物理力學(xué)參數(shù)表Table 2 Physical mechanical parameters

計(jì)算結(jié)果表明位移最大值42 mm出現(xiàn)在拱頂位置，支護(hù)效果明顯因此塑性破壞大面積出現(xiàn)于開挖后半段側(cè)壁處，見圖2。為量化圍巖穩(wěn)定程度，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則建立隧道圍巖最小安全系數(shù)[6]，見式（3）。

當(dāng)Fs＞1、Fs＜1、Fs=1時(shí)，分別表示該單元未破壞、發(fā)生剪切破壞和處于臨界狀態(tài)。式中，σ1、σ3為單元體平均最大、最小主應(yīng)力，φ為材料內(nèi)摩擦角，C為粘聚力。開挖橫截面各點(diǎn)安全系數(shù)分布見圖3。圖3表明頂拱區(qū)域安全系數(shù)大于1，而兩側(cè)壁開挖底部附近可能發(fā)生破壞。相較而言，襯砌施工后能夠提高圍巖安全系數(shù)。

3.3 涌水風(fēng)險(xiǎn)估算

主洞沿線地下水活動狀態(tài)主要為滴水滲水，局部呈線狀流水。第三、四控制段中有1310 m為突水風(fēng)險(xiǎn)重點(diǎn)洞段，占隧洞全長的7.9%。此外，V類圍巖斷層破碎帶極易因涌水進(jìn)而產(chǎn)生突泥，可采用超前排水及支護(hù)施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)減緩。算例規(guī)劃總報(bào)告計(jì)算主洞涌水量見表3。

圖3 圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)等值線圖（支護(hù)后）Fig.3 Safety Coefficients of surrounding rock stability(after shotcrete)

表3 主洞控制段涌水量Table 3 Water inflow of the main tunnel

3.4 運(yùn)行期風(fēng)險(xiǎn)定性分析

滿足整體工程最大計(jì)劃調(diào)水規(guī)模時(shí)，輸水流量為70 m3/s，故定為隧洞設(shè)計(jì)流量。該輸水隧洞為1級建筑物。以50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核。考慮各建筑物布置下的水流銜接，隧洞采用明流無壓輸水。隧洞全線比降1:2500，由明渠恒定非均勻流水力學(xué)計(jì)算，洞內(nèi)呈降水曲線，臨界水深2.54 m，正常水深4.88 m，洞內(nèi)最高水深為4.95 m?？紤]該工程為深埋長隧洞，控制全線凈空面積比約20%左右，因此輸水隧洞內(nèi)部遭遇水力破壞風(fēng)險(xiǎn)較小。該調(diào)水工程由兩座水利樞紐工程聯(lián)合調(diào)度以滿足調(diào)水要求，第一處水庫優(yōu)先供水，第二處則補(bǔ)充供水。該隧洞位于兩處水庫間。工程年最大調(diào)水量為水源區(qū)可調(diào)水量四分之一，計(jì)劃調(diào)入水量與當(dāng)?shù)氐貐^(qū)水域聯(lián)合供水的保證率不低于95%。該工程為省內(nèi)重大戰(zhàn)略性水利工程，因此供水短缺風(fēng)險(xiǎn)較小。

3.5 BORA分析

由單一風(fēng)險(xiǎn)分析，將輸水隧洞失效分為四個(gè)基本事故場景：（A）巖爆、（B）圍巖失穩(wěn)、（C）涌水突泥和（D）運(yùn)行失效。定性繪制安全柵框圖并標(biāo)注各關(guān)鍵性事件編號，見圖4。從安全柵模塊引出的水平箭頭表示安全柵成功按照設(shè)計(jì)意圖執(zhí)行功能，而由模塊下方垂直引出的箭頭則表明安全柵失效。對于各關(guān)鍵性事件，繪制故障樹以確定基本事件，并由貝葉斯網(wǎng)絡(luò)描述各影響因子，典型示例及編號見圖5。

圖4 輸水隧洞安全柵框圖Fig.4 The safe grids of the water transfer tunnel

圖5 故障樹（左）與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（右）Fig.5 Fault tree(left)and Bayesian network(Right)

依照本文第3節(jié)所述計(jì)算步驟，模型輸入數(shù)據(jù)來源于前文分析結(jié)果、算例規(guī)劃總報(bào)告及參考文獻(xiàn)[7-10]，過程及結(jié)果數(shù)據(jù)詳見表4。

表4 BORA分析（%）Table 4 BORAanalysis(%)

事件Event Pave Plow Phigh RIF ωi Si ∑ωiQi Pinst B02 12.1 1.6 22.6 1.55 18.66 A021 10 0.2941 47.20 C A022 10 0.2941 F A023 6 0.1765 86.15 F A024 8 0.2353 E B1 15.0 0.0 40.0 1.46 21.94 A023 10 0.5556 22.58 B A024 8 0.4444 E B2 0.0 C01 7.2 5.1 9.2 C02 15.6 7.9 23.3 0.76 11.93 C021 8 0.1905 A C022 6 0.1429 F A023 10 0.2381 B C023 10 0.2381 23.30 B C024 8 0.1905 0.00 A C1 85.0 82.6 88.0 1.02 87.11 A022 10 0.5556 F A023 8 0.4444 54.52 D C2 15.0 0.0 40.0 1.10 16.56 A023 10 0.6250 22.58 B A024 6 0.3750 E

BORA方法提倡為風(fēng)險(xiǎn)影響因子賦予相對權(quán)重時(shí)，由最重要至最不重要依次從10-8-6-4-2中取值。另外，當(dāng)RIF評分不為A、C或F時(shí)，Qi(s)取值采用線性插值。事故場景風(fēng)險(xiǎn)定量分析見表5。

表5 失事概率表（%）Table 5 Accident probability table

表5第二列為由經(jīng)驗(yàn)和理論分析所得觸發(fā)事件發(fā)生概率，第三、四列為各安全柵失效概率，第五列為BORA分析所得該算例工程中各事故場景發(fā)生概率。結(jié)果表明，該輸水隧洞在施工期及運(yùn)行期失事風(fēng)險(xiǎn)小，相關(guān)工程措施能夠有效減緩危險(xiǎn)事故的發(fā)生，最大風(fēng)險(xiǎn)來源于突水涌泥災(zāi)害。

4 討論與結(jié)論

本文在深埋輸水隧洞地質(zhì)及水文壞境特殊性的考慮下，識別水工隧洞施工期及運(yùn)行期各災(zāi)害事件的影響因素，采用BORA方法進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)定量評價(jià)。該模型能夠反映各因子對風(fēng)險(xiǎn)事件的影響程度和實(shí)際工程措施對各風(fēng)險(xiǎn)事件的減緩作用。結(jié)果同時(shí)表明，良好的地質(zhì)勘察是BORA分析的基礎(chǔ)，且能夠有效降低工程失效的風(fēng)險(xiǎn)水平。未來可考慮將模糊評判或機(jī)器學(xué)習(xí)等方法引入BORA分析，從而改進(jìn)當(dāng)前RIF打分方式及權(quán)重確定方法。

[1]吳世勇,周濟(jì)芳,陳炳瑞,等.錦屏二級水電站引水隧洞TBM開挖方案對巖爆風(fēng)險(xiǎn)影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,34(4):728-734

[2]張貴金,楊松林.深埋大直徑無壓引水隧洞基于流變的風(fēng)險(xiǎn)分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2005(1):15-22

[3]王元漢,李臥東,李啟光,等.巖爆預(yù)測的模糊數(shù)學(xué)綜合評判方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1998,17(5):493-501

[4]馬文·拉桑德.風(fēng)險(xiǎn)評估理論、方法與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013:305-311

[5]Aven T,Sklet S,Vinnem JE.Barrier and operational risk analysis of hydrocarbon releases(BORA-Release)Part I.Method description.Journal of Hazardous MaterialsA137,2006:681-691

[6]李樹忱,李術(shù)才,徐幫樹.隧道圍巖穩(wěn)定分析的最小安全系數(shù)法[J].巖土力學(xué),2007,28(3):549-554

[7]溫 健.工程地質(zhì)勘察質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)研究[D].北京:清華大學(xué),2013:52-58

[8]田莉梅,張 英,張景華.深部開采高地應(yīng)力區(qū)鉆孔卸壓數(shù)值模擬及應(yīng)用[J].金屬礦山,2017(4):31-35

[9]徐向東.隧道巖爆防治作用機(jī)理初探[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008,25(10):36-39,44

[10]唐浚哲.深埋富水隧道限量排水技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2015:40-45