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        雅礱江錦屏一級大壩運行安全風(fēng)險管控技術(shù)研究與應(yīng)用

        2022-08-24 11:33:04李嘯嘯馮永祥
        大壩與安全 2022年3期
        關(guān)鍵詞:雅礱江錦屏壩體

        李嘯嘯,馮永祥

        (雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,四川成都,610056)

        0 引言

        錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣和木里縣境內(nèi)雅礱江干流上,是雅礱江干流中下游水電開發(fā)的控制性水庫梯級。大壩為混凝土雙曲拱壩,最大壩高305.0 m,是目前世界已建成運行的第一高壩。錦屏一級水電站地處深山峽谷地區(qū),地質(zhì)條件復(fù)雜,具有特高拱壩、特高水頭、特高邊坡、高山峽谷、高地應(yīng)力和深部卸荷等“五高一深”的技術(shù)特點,工程規(guī)模和技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)超現(xiàn)行拱壩設(shè)計規(guī)范界定范疇,大壩建設(shè)難度與復(fù)雜性均超越現(xiàn)有認(rèn)知水平。如何保障大壩在高水頭、高地應(yīng)力和強震等復(fù)雜環(huán)境條件下長期安全穩(wěn)定運行,是目前大壩運行安全管理面臨的重大挑戰(zhàn)。

        雅礱江公司高度重視大壩安全管理工作,統(tǒng)籌考慮大壩工程安全與社會公共安全。通過識別分析錦屏一級大壩運行安全風(fēng)險,組織開展風(fēng)險管控關(guān)鍵技術(shù)研究,建立大壩運行安全風(fēng)險管理體系,有效實現(xiàn)風(fēng)險管控,為公司大壩安全管理科學(xué)決策提供了技術(shù)支持[1-2]。

        1 大壩運行安全風(fēng)險識別

        大壩運行安全風(fēng)險識別是風(fēng)險管理的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。風(fēng)險識別包括對風(fēng)險事件、引發(fā)因素和范圍的確定[1],大壩運行安全風(fēng)險識別主要任務(wù)是確定主要影響因素及潛在失事模式和路徑。

        1.1 主要風(fēng)險因素

        錦屏一級大壩運行安全風(fēng)險影響因素可概括為工程因素、人為因素和環(huán)境因素3個部分[1,5-7]。

        工程因素主要表現(xiàn)在大壩防洪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不足、壩體質(zhì)量較差等方面。大壩在勘察、設(shè)計、施工過程中,由于地質(zhì)條件勘察不明、設(shè)計不合理、局部質(zhì)量控制不嚴(yán)等,在外部不利動荷載作用下可能發(fā)生局部壩基變形、壩體開裂和邊坡滑坡等事故。

        人為因素主要表現(xiàn)在管理問題和非工程措施不完善等方面。在大壩安全管理工作中,監(jiān)測設(shè)施運行維護(hù)不到位會影響監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集,不能及時反映大壩運行性態(tài);泄洪設(shè)施維護(hù)不當(dāng)可能導(dǎo)致泄洪建筑物不能正常泄洪或閘門不能開啟,以致洪水漫壩及荷載超過設(shè)計荷載,并可能疊加其他缺陷因素導(dǎo)致壩體失穩(wěn);應(yīng)急預(yù)案編制不符合實際等。

        環(huán)境因素包括自然環(huán)境因素和社會環(huán)境因素。自然環(huán)境因素包括超標(biāo)準(zhǔn)洪水、特大暴雨、超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)地震、重大地質(zhì)災(zāi)害、上游大體積漂移物堵塞或撞擊泄洪建筑物等;社會環(huán)境因素包括戰(zhàn)爭、恐怖襲擊等[1]。

        1.2 失事模式和路徑

        分析國內(nèi)外水庫電站大壩失事案例,混凝土壩潰壩模式多表現(xiàn)為漫頂、大壩結(jié)構(gòu)破壞等(約占總潰壩案例的85%[8])。結(jié)合錦屏一級大壩實際運行情況,大壩潛在失事模式包括漫壩、拱肩破壞、壩體破壞和壩基破壞。在超標(biāo)準(zhǔn)洪水、地震、結(jié)構(gòu)施工及設(shè)計不足等因素下,失事路徑可主要概括為以下4種情況(具體原因及事件導(dǎo)致失事路徑可進(jìn)一步細(xì)化):(1)大壩泄洪設(shè)施故障或泄洪能力不足,水庫水位快速上升,造成漫頂;(2)大壩結(jié)構(gòu)應(yīng)力超限、止水破壞或大體積物體撞擊,造成壩體結(jié)構(gòu)破壞;(3)壩基受基巖疲勞破壞、揚壓力異常和軟弱面開裂等影響,造成壩基破壞;(4)拱肩巖體(邊坡)失穩(wěn),造成拱肩破壞。根據(jù)發(fā)展過程,上述失事模式和失事路徑可能產(chǎn)生不同等級的失事后果,嚴(yán)重的將導(dǎo)致大壩潰決。

        各種風(fēng)險影響下,錦屏一級大壩從出現(xiàn)險情到潰壩均存在中間發(fā)展過程,其中在遭遇超抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)地震和戰(zhàn)爭打擊的情況下,可能會出現(xiàn)快速潰壩風(fēng)險,可能的潰決形式是壩體與壩基產(chǎn)生錯動,在壩基形成過流通道,大幅降低壩體的穩(wěn)定性,加上壩體結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生的壩體開裂等,在壩上游強大的水壓力作用下,壩體局部出現(xiàn)滑動或缺口,最終導(dǎo)致壩體大范圍滑動、坍塌后發(fā)生大壩潰決。

        2 大壩運行安全風(fēng)險管控關(guān)鍵技術(shù)

        基于錦屏一級大壩風(fēng)險因素識別情況,雅礱江公司依托多課題研究成果,開展了大壩運行安全風(fēng)險管控關(guān)鍵技術(shù)研究,建立了包括多源信息感知、分析、預(yù)警、應(yīng)急處置的完善的風(fēng)險管控體系。

        2.1 信息感知

        錦屏一級大壩設(shè)有全面的安全監(jiān)測項目,在傳統(tǒng)儀器、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)上,探索研究GNSS、無人機和人工智能等技術(shù)以實時感知大壩運行性態(tài)和環(huán)境風(fēng)險因素等多源信息。

        (1)GNSS:針對錦屏一級大壩、庫區(qū)滑坡體(變形體)位移實時、動態(tài)、全天候監(jiān)測預(yù)警需要,以北斗/GPS雙星系統(tǒng)融合的高精度平面位移變形監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ),通過改進(jìn)北斗/GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法,建立環(huán)境自適應(yīng)模型,優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法,研發(fā)了GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)。其中,自主研發(fā)的高精度接收機實現(xiàn)了毫米級載波相位觀測、大容量存儲、多個通訊接口和多種傳輸協(xié)議功能;自主研發(fā)的高精度測量天線涵蓋了BD(B1、B2)和GPS(L1、L2)雙星四頻,滿足目前測量設(shè)備多系統(tǒng)兼容的需求;布設(shè)在監(jiān)控中心的信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示,最終實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理、管理、災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警等。

        (2)無人機+智能圖像識別:通過無人機進(jìn)行邊坡圖像采集,利用局部特征匹配算法(SIFT、SURF等),實現(xiàn)多圖層(地形坡度、植被發(fā)育、結(jié)構(gòu)面、巖體松動)數(shù)字信息融合的3D大場景重建;采用深度學(xué)習(xí)目標(biāo)識別網(wǎng)絡(luò)框架,在多圖層融合建模實現(xiàn)目標(biāo)物的識別、分類和分割(見圖1);在高清語義信息庫中,實現(xiàn)快速、智能分析邊坡安全隱患(危巖體分布、不穩(wěn)定區(qū)等),并對邊坡安全穩(wěn)定性進(jìn)行評價與預(yù)警。

        圖1 邊坡危巖體實例分割(智能圖像識別)Fig.1 Segmentation of the unstable rock mass in slope(intelligent image recognition)

        (3)流域水情自動測報:雅礱江流域水情自動測報系統(tǒng)由遙測站和中心站組成。中心站是系統(tǒng)的功能集成地,負(fù)責(zé)信息接收處理、數(shù)據(jù)庫管理及為水情預(yù)報和信息服務(wù)提供軟硬件平臺;遙測站布設(shè)在流域現(xiàn)場,包括水文(位)站、雨量站和自動氣象遙測站等,覆蓋范圍占雅礱江全流域的75.7%。該系統(tǒng)能準(zhǔn)確、及時地收集水雨情信息,完成長、中、短期水文預(yù)報,為現(xiàn)場水情測報、水庫調(diào)度等提供決策支持(見圖2)。

        圖2 水情自動測報系統(tǒng)工作流程Fig.2 The automatic hydrologicalforecasting syst em workflow

        (4)地震監(jiān)測:雅礱江公司按照法規(guī)要求建設(shè)了流域微震監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了流域梯級電站水庫地震臺網(wǎng)與國家臺網(wǎng)的統(tǒng)籌規(guī)劃、資源共享。系統(tǒng)由數(shù)字遙測地震臺站、數(shù)據(jù)傳輸信道、中繼站和臺網(wǎng)中心組成。錦屏庫區(qū)共設(shè)置20個臺站,監(jiān)測范圍覆蓋壩址下游5~10 km、壩址上游20 km和水庫兩側(cè)10 km區(qū)域,有效地震監(jiān)測下限為ML0.5級,震中定位精度優(yōu)于2 km。另外,在錦屏一級大壩上布置了22個強震觀測設(shè)備,對大壩等重要水工建筑物地震加速度進(jìn)行觀測,實現(xiàn)了地震影響的快速評估,為抗震減災(zāi)提供科學(xué)支持。

        2.2 風(fēng)險預(yù)警

        (1)風(fēng)險分級:雅礱江公司遵循“統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、分級管理,全面防范、重點監(jiān)控,持續(xù)改進(jìn)、不斷完善”的風(fēng)險管理基本原則和“全員參與、日常管理、及時準(zhǔn)確”的執(zhí)行原則,綜合大壩工程安全等級和大壩潰決后果等級,將風(fēng)險從高到低劃分為特別重大風(fēng)險、重大風(fēng)險、較大風(fēng)險和一般風(fēng)險4個等級,分別用Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級表示,對應(yīng)Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級突發(fā)事件。具體分級標(biāo)準(zhǔn)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1901—2018《水電站大壩運行安全應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》進(jìn)行設(shè)置。

        (2)分級預(yù)警:在對大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)開展測值可靠性研判、安全監(jiān)控模型建立、監(jiān)控指標(biāo)擬定、水工巡視檢查的基礎(chǔ)上,提出了錦屏一級大壩長期運行安全分級預(yù)警體系,將預(yù)警等級分為4級:Ⅰ級預(yù)警、Ⅱ級預(yù)警、Ⅲ級預(yù)警、安全運行(見圖3)。

        圖3 錦屏一級大壩運行安全風(fēng)險分級預(yù)警調(diào)控示意圖Fig.3 Hierarchical warning and control of the operation safety risk of Jinping I hydropower dam

        3 大壩運行安全在線監(jiān)控

        2015年,雅礱江公司聯(lián)合國家能源局大壩安全監(jiān)察中心,以錦屏一級拱壩為試點,開展了特高拱壩安全在線監(jiān)控平臺課題研究。該課題研究了在線監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)問題,研發(fā)了集在線監(jiān)測管理、在線快速結(jié)構(gòu)分析和在線安全綜合評判等功能于一體的特高拱壩安全在線監(jiān)控平臺。其中,在線監(jiān)測管理功能以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對數(shù)據(jù)評判、反饋和檢查等各方面進(jìn)行探索,建立了缺測數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)的自動識別和反饋系統(tǒng),并能實時或定期對監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況進(jìn)行評估;在線快速結(jié)構(gòu)分析功能設(shè)計了拱壩快速結(jié)構(gòu)分析工具的架構(gòu),建立拱壩缺陷快速建模技術(shù);在線安全綜合評判功能研究了快速通過監(jiān)測信息識別結(jié)構(gòu)異常的技術(shù),得到了量值異常、趨勢異常和協(xié)調(diào)性異常的研究成果,通過產(chǎn)生式規(guī)則法進(jìn)行多源信息融合評判。

        大壩運行安全在線監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)了對大壩運行安全信息的實時分析,以及對大壩運行性態(tài)的實時評判,大幅提升了電站現(xiàn)場、公司及國家不同層面的大壩安全管理技術(shù)水平,是大壩運行安全風(fēng)險管控的有效手段。目前,相關(guān)技術(shù)成果已在國家能源局大壩安全監(jiān)察中心監(jiān)管的大壩進(jìn)行推廣應(yīng)用,取得了預(yù)期效果。

        4 流域應(yīng)急管理

        在開展大壩運行安全風(fēng)險管控的同時,通過建立應(yīng)急管理體系,對現(xiàn)場突發(fā)事件進(jìn)行事前、事中、事后的全流程管理[2]。雅礱江公司緊密結(jié)合流域應(yīng)急管理工作特點,建設(shè)了流域應(yīng)急管理平臺,有效整合數(shù)字雅礱江、流域大壩信息和水情信息等多源信息,為應(yīng)急管理提供決策支持。

        為規(guī)范指導(dǎo)錦屏一級水電站防洪搶險應(yīng)急工作,組織編制了《雅礱江錦屏一級水電站水庫防洪搶險應(yīng)急預(yù)案》,提高了水庫防洪度汛工作中應(yīng)對突發(fā)事件的能力。預(yù)案編制以最大程度確保人民群眾生命安全、減少生命損失為首要目標(biāo),體現(xiàn)行政屬地及公司分級負(fù)責(zé)、各司其職的預(yù)案責(zé)任體系,堅持重預(yù)警、早準(zhǔn)備等預(yù)防為主的安全工作方針。每年汛前組織防汛搶險演習(xí),以專題討論會、訓(xùn)練、桌面演習(xí)和操作演習(xí)等形式開展,不斷對預(yù)案進(jìn)行改進(jìn)和完善。

        5 結(jié)語

        近年來,隨著風(fēng)險理念的發(fā)展,大壩安全管理正從工程安全管理向工程風(fēng)險管理發(fā)展。雅礱江公司高度重視錦屏一級大壩運行安全,開展了大壩運行安全風(fēng)險分析,有效識別了大壩失事路徑與影響因素,通過建立完善的風(fēng)險監(jiān)控管理體系,有效實現(xiàn)了大壩運行安全風(fēng)險管控。

        下一步,公司將圍繞大壩運行風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)險評估和風(fēng)險處理等難點問題進(jìn)行研究,特別是流域梯級水庫電站群安全運行風(fēng)險動態(tài)評估與控制方法,進(jìn)一步綜合監(jiān)測、檢測等多源信息和數(shù)值仿真反饋信息,實時評估梯級水庫群的動態(tài)風(fēng)險。

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