王子成，許后磊，趙志勇，張禮兵，陳 豪，陳亞軍，徐智勇

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；2. 華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214；3. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

目前我國(guó)水電建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展階段，大壩數(shù)量已超過(guò)9.8萬(wàn)座[1]，這些工程發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，但同時(shí)也給大壩下游帶來(lái)一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件分析管理大壩的動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)正成為解決大壩安全問(wèn)題的新途徑。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)大壩安全風(fēng)險(xiǎn)分析已做了一定的研究。孫瑋瑋等[2]利用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)大壩風(fēng)險(xiǎn)后果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；李升[3]總結(jié)了大壩潰壩概率分析、經(jīng)濟(jì)損失以及環(huán)境社會(huì)評(píng)價(jià)的方法，并開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了基于GIS的潰壩損失評(píng)估分析可視化；彭雪輝等[4]提出了針對(duì)我國(guó)水庫(kù)大壩的社會(huì)環(huán)境影響指數(shù)計(jì)算方法，以及社會(huì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。但綜合考慮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡視檢查和物探檢測(cè)三方面內(nèi)容并引入大壩安全綜合評(píng)價(jià)體系，結(jié)合潰壩損失，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)大壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析的研究尚無(wú)先例。鑒于此，本文以我國(guó)西南地區(qū)某特高拱壩為依托，對(duì)特高拱壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行了研究，以期提高特高拱壩安全風(fēng)險(xiǎn)管控水平。

1 特高拱壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了快速準(zhǔn)確地分析特高拱壩的動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)，掌控整個(gè)大壩安全風(fēng)險(xiǎn)狀況，特高拱壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、巡視檢查信息管理、物探檢測(cè)信息管理、安全綜合評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析等5大方面，其中，安全綜合評(píng)價(jià)包括評(píng)價(jià)模型管理、模型權(quán)重管理和綜合分析評(píng)判。

2 特高拱壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析實(shí)現(xiàn)途徑

2.1 特高拱壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析步驟

（1）根據(jù)特高拱壩荷載特征和安全監(jiān)測(cè)布置情況，建立與特高拱壩相適應(yīng)的動(dòng)態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)體系，該體系綜合考慮安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查和物探檢測(cè)數(shù)據(jù) 。

（2）確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合工程實(shí)際，綜合統(tǒng)計(jì)模型法、總量歷時(shí)特征值、速率歷時(shí)特征值、計(jì)算成果對(duì)比法、工程類比法、規(guī)范允許值等評(píng)判準(zhǔn)則綜合擬定的單測(cè)點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)，并確定測(cè)點(diǎn)級(jí)的安全等級(jí)。

（3）利用層次分析法[5-7]和模糊理論[8]確定評(píng)判模型各節(jié)點(diǎn)的權(quán)重矩陣以及隸屬度矩陣來(lái)形成綜合評(píng)判矩陣，最后再按最大隸屬度原則[9-10]，可得到大壩建筑物是否穩(wěn)定以及穩(wěn)定程度的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，即特高拱壩事故發(fā)生的可能性級(jí)別。

（4）確定特高拱壩潰壩對(duì)下游造成的人口和財(cái)產(chǎn)等損失值，并利用當(dāng)量法進(jìn)行量化統(tǒng)一，以此確定損失級(jí)別。

（5）根據(jù)特高拱壩事故發(fā)生的可能性級(jí)別和損失級(jí)別，利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣，最后確定特高拱壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 特高拱壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析步驟Fig. 1 Steps for dynamic safety risk analysis of superhigh arch dams

2.2 安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)是特高拱壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)，特別是隨著時(shí)間增長(zhǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)不斷增多，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系到系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析響應(yīng)的速度。

特高拱壩安全監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目主要包括變形、滲流和應(yīng)力應(yīng)變等，而每一種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目又包含多種監(jiān)測(cè)儀器類型。由于特高拱壩涉及監(jiān)測(cè)儀器類型多，而且現(xiàn)在大多實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻次較高，數(shù)據(jù)量會(huì)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。為了縮短安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的檢索時(shí)間，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，將每種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)分類存儲(chǔ)。針對(duì)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將每一類監(jiān)測(cè)儀器的相關(guān)數(shù)據(jù)分為儀器考證基礎(chǔ)信息、未整編的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和整編后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這樣每種監(jiān)測(cè)儀器都可以建立3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體，即考證基礎(chǔ)信息實(shí)體、未整編的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)體以及整編后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)體。

針對(duì)任意一種儀器，將與測(cè)點(diǎn)相關(guān)的信息存入考證信息表，將監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)存入原始表，將監(jiān)測(cè)整編成果存入整編表。

2.3 安全綜合評(píng)價(jià)體系

在特高拱壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)中，為確定特高拱壩事故發(fā)生的可能性級(jí)別，建立了從監(jiān)測(cè)點(diǎn)、儀器類型、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、基本部位、建筑物的五級(jí)評(píng)價(jià)體系，采用層次分析法對(duì)特高拱壩安全穩(wěn)定性的各種影響因素和判據(jù)進(jìn)行分析，確定權(quán)值并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，將權(quán)值分析結(jié)果應(yīng)用于模糊評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)模型每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能得出1個(gè)隸屬度矩陣，最后根據(jù)最大隸屬度原則得出安全評(píng)價(jià)結(jié)果，該隸屬度評(píng)價(jià)結(jié)果代表的是一種可能性。大壩失事可能性級(jí)別即安全評(píng)價(jià)集，依據(jù)《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL 258—2017），評(píng)價(jià)集分成A，B，C共3個(gè)等級(jí)，即安全可靠、基本安全、不安全；根據(jù)實(shí)際需要，可將安全可靠、基本安全、不安全分別表述為正常、關(guān)注、檢查。安全綜合評(píng)價(jià)體系見(jiàn)圖2。

圖 2 安全綜合評(píng)價(jià)體系Fig. 2 Comprehensive evaluation system of safety

（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)層分析，根據(jù)敏感性分析建立評(píng)價(jià)模型中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的評(píng)價(jià)方法（統(tǒng)計(jì)模型法、總量歷時(shí)特征值、速率歷時(shí)特征值、計(jì)算成果對(duì)比法、工程類比法、規(guī)范允許值）的權(quán)重矩陣：

式中：wn為第n種方法的權(quán)重值。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)值根據(jù)以上6種評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)集建立對(duì)應(yīng)的隸屬度矩陣：

式中：μnA，μnB，μnC分別為第n種評(píng)價(jià)方法對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集A，B，C的計(jì)算值。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)第i個(gè)測(cè)點(diǎn)綜合評(píng)判矩陣U1i：

（2）其他層級(jí)分析除監(jiān)測(cè)點(diǎn)層外，包括儀器類型、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、基本部位、大壩在內(nèi)的其他層分析流程類似，下面以基本部位層為例進(jìn)行說(shuō)明。

根據(jù)層次分析法建立評(píng)價(jià)模型中基本部位節(jié)點(diǎn)i的子節(jié)點(diǎn)間的權(quán)重矩陣。層次分析法主要涉及專家打分，通過(guò)邀請(qǐng)不同的專家（工程設(shè)計(jì)人員、施工人員、管理人員等）利用倒數(shù)標(biāo)度法對(duì)比層次結(jié)構(gòu)模型各節(jié)點(diǎn)的重要性進(jìn)行打分，構(gòu)造判斷矩陣，若通過(guò)一致性檢驗(yàn)，即可確定各節(jié)點(diǎn)權(quán)值。

式中：w3in為基本部位節(jié)點(diǎn)i第n個(gè)子節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值。

基本部位節(jié)點(diǎn)i的子節(jié)點(diǎn)的綜合評(píng)判矩陣構(gòu)造對(duì)應(yīng)的隸屬度矩陣：

式中：u3nA，u3nB，u3nC分別為基本部位節(jié)點(diǎn)i第n個(gè)子節(jié)點(diǎn)的綜合評(píng)判矩陣對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集A，B，C的計(jì)算值。

基本部位節(jié)點(diǎn)i綜合評(píng)判矩陣U4i：

由于大壩工程特別復(fù)雜，運(yùn)行工況各不相同，尤其是特高拱壩更為突出。工程界對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析方法沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的界定，不同專家學(xué)者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的理解也不盡相同，但這些分析方法中都會(huì)包含事故發(fā)生的概率以及損失的嚴(yán)重程度這兩個(gè)基本因素，即

式中：R代表風(fēng)險(xiǎn)；U代表事故發(fā)生的概率；S代表事故造成損失的嚴(yán)重程度。

特高拱壩的動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析是利用較為常用的風(fēng)險(xiǎn)矩陣[11]進(jìn)行分析，根據(jù)事故發(fā)生的概率和造成的損失來(lái)確定特高拱壩的安全風(fēng)險(xiǎn)。事故發(fā)生的可能性等級(jí)可由安全綜合評(píng)價(jià)中分析大壩的隸屬度矩陣和最大隸屬度原則確定。根據(jù)《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL 258—2017），大壩安全評(píng)價(jià)結(jié)果分為3個(gè)等級(jí)來(lái)反映潰壩的相對(duì)可能性，即安全可靠、基本安全和不安全。潰壩損失按損失程度可分為輕度損失、中度損失和重大損失，風(fēng)險(xiǎn)矩陣見(jiàn)表1。

特高拱壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析中的損失主要包括3個(gè)方面[12]，即生命損失、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)環(huán)境影響。由于三者單位不同，無(wú)法直接計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)損失的結(jié)果量化統(tǒng)一，可采用當(dāng)量法[13]確定潰壩損失級(jí)別。依據(jù)2007年6月1日起實(shí)施的《生產(chǎn)安全事故報(bào)告和調(diào)查處理?xiàng)l例》的相關(guān)規(guī)定，1人死亡相當(dāng)于300萬(wàn)元左右的經(jīng)濟(jì)損失或3人左右的重傷，為簡(jiǎn)化處理，1個(gè)當(dāng)量損失可表示1人死亡或3人重傷或300萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)損失。社會(huì)環(huán)境影響當(dāng)量值可劃分為5（輕度的）、13（中度的）、18（重大的）。

表 1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣Tab. 1 Risk matrix

式中：N1代表生命損失當(dāng)量；N2代表經(jīng)濟(jì)損失當(dāng)量；N3代表社會(huì)環(huán)境影響當(dāng)量；當(dāng)S≤13，13 ＜ S≤20，S ＞20時(shí)，分別代表輕度損失、中度損失、重大損失。

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)維管理特點(diǎn)，不同風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別可采取不同的應(yīng)對(duì)措施，其中，1級(jí)風(fēng)險(xiǎn)不必采取應(yīng)對(duì)措施，因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最低，若采取風(fēng)險(xiǎn)降低措施成本太高；2級(jí)風(fēng)險(xiǎn)可不必采取應(yīng)對(duì)措施，因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)等級(jí)適度，若采取風(fēng)險(xiǎn)降低措施成本較高；3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)宜采取應(yīng)對(duì)措施，大壩管理人員宜加強(qiáng)工程安全管理，采取工程或非工程措施降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；4級(jí)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該采取應(yīng)對(duì)措施，大壩管理人員應(yīng)加密安全監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查和物探觀測(cè)，在1年內(nèi)采取工程或非工程措施降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；5級(jí)風(fēng)險(xiǎn)必須采取應(yīng)對(duì)措施，大壩管理人員必須加密安全監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查和物探觀測(cè)，在半年內(nèi)采取工程或非工程措施降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2.4 動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析

3 系統(tǒng)研發(fā)及工程實(shí)例

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方法及技術(shù)路線，利用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)和Visual C#.NET編程技術(shù)，研發(fā)了特高拱壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)。

以我國(guó)西南地區(qū)某特高拱壩為例，進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析。該特高拱壩位于云南省西部南澗縣與鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段，為混凝土雙曲拱壩，最大壩高294.5 m，工程屬大（1）型一等工程。該拱壩首次建成了超大型300 m級(jí)高拱壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)約6 400個(gè)，涉及表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)、正垂線、倒垂線、應(yīng)變計(jì)等多種儀器類型，安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的級(jí)別及復(fù)雜程度目前國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)。根據(jù)工程運(yùn)行特點(diǎn)，同時(shí)考慮風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算分析效率，以該拱壩的重點(diǎn)關(guān)注部位建立了安全綜合評(píng)價(jià)體系進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析，這些重點(diǎn)關(guān)注部位包括4，9，15，22和29號(hào)壩段等。

3.1 測(cè)點(diǎn)級(jí)安全評(píng)價(jià)

該特高拱壩29號(hào)壩段布置有測(cè)點(diǎn)C4-A29-PL-02監(jiān)測(cè)拱壩壩頂變形，以2018年10月2日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型法、總量歷時(shí)特征值、速率歷時(shí)特征值、計(jì)算成果對(duì)比法、工程類比法、規(guī)范允許值6種評(píng)價(jià)方法，對(duì)某一時(shí)刻測(cè)值進(jìn)行安全分析，隸屬度矩陣為：

測(cè)點(diǎn)C4-A29-PL-02的評(píng)價(jià)集結(jié)果為：0.7，0.3和0，分別隸屬于正常、基本正常、異常，根據(jù)最大隸屬度原則，則測(cè)點(diǎn)C4-A29-PL-02測(cè)值正常。

3.2 安全綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)該特高拱壩安全監(jiān)測(cè)布置的特點(diǎn)，同時(shí)考慮各部位對(duì)整個(gè)大壩安全性的影響程度，系統(tǒng)選擇了部分重點(diǎn)壩段和部位建立安全綜合評(píng)價(jià)模型，通過(guò)選擇監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡視檢查和物探檢測(cè)的日期。一般情況安全監(jiān)測(cè)的頻次要比巡視檢查和物探檢測(cè)高，當(dāng)選取的日期當(dāng)天無(wú)巡視檢查和物探檢測(cè)資料時(shí)，取所選日期最近的巡視檢查和物探檢測(cè)資料數(shù)據(jù)來(lái)參與分析。點(diǎn)擊“分析評(píng)判”，即可快速分析出大壩的安全評(píng)價(jià)等級(jí)和隸屬度矩陣。圖3顯示了該特高拱壩在2018年10月2日安全綜合分析結(jié)果，其隸屬度矩陣為[0.983，0.013，0.005]，根據(jù)最大隸屬度原則，可得該特高拱壩當(dāng)天的安全評(píng)價(jià)等級(jí)為正常。另外，為了便于用戶查看特高拱壩的安全評(píng)價(jià)模型各節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)，系統(tǒng)以思維導(dǎo)圖的方式直觀展示評(píng)價(jià)結(jié)果，如圖4所示。

圖 3 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig. 3 Comprehensive evaluation results

圖 4 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果展示Fig. 4 Show of comprehensive evaluation results

3.3 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

選取特高拱壩在2018年10月2日的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查和物探檢測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合當(dāng)量法計(jì)算的損失等級(jí)進(jìn)行綜合分析，動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果如圖5所示。分析表明，該壩當(dāng)天風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是1級(jí)，處于最低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，不必采取應(yīng)對(duì)措施，這與該拱壩實(shí)際運(yùn)行情況相一致。

圖 5 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果Fig. 5 Dynamic risk analysis results

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）針對(duì)安全監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)繁多的特點(diǎn)，將每一類監(jiān)測(cè)儀器的相關(guān)數(shù)據(jù)分為儀器考證基礎(chǔ)信息、未整編的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和整編后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)3種，構(gòu)建了適應(yīng)不同監(jiān)測(cè)類型和大量安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）提出了一套基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡視檢查和物探檢測(cè)的特高拱壩安全綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)特高拱壩事故發(fā)生可能性進(jìn)行分析，結(jié)合事故造成的損失，研發(fā)了特高拱壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)。

（3）以我國(guó)西南地區(qū)某特高拱壩為例，進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析。系統(tǒng)對(duì)2018年10月2日的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查和物探檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，分析結(jié)果顯示當(dāng)天風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是1級(jí)，處于最低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，符合實(shí)際情況，表明該系統(tǒng)為特高拱壩動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控分析和科學(xué)管理提供了一個(gè)良好的輔助工具。