顧小兵，肖浩波

(1.水利部水利水電規(guī)劃設計總院，北京 100120；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；3.長江勘測設計規(guī)劃研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

我國水庫工程規(guī)劃設計階段等級劃分是根據(jù)工程規(guī)模、效益和在經(jīng)濟社會中的重要性，按庫容、防洪、治澇、灌溉、供水、發(fā)電等指標綜合確定。一般來說，庫容規(guī)模決定水庫工程防洪標準，庫容越大防洪標準越高。這種做法與發(fā)達國家有所不同，如美國現(xiàn)行水庫工程規(guī)模劃分和防洪標準選擇是綜合庫容、壩高及大壩失事風險等級來確定的，一定程度上體現(xiàn)了大壩風險管理理念。水庫工程為社會提供極大經(jīng)濟和生態(tài)效益的同時，也有可能因大壩失事給下游地區(qū)造成人員傷亡和財產(chǎn)損失風險。2021年水利部提出“人員不傷亡、水庫不垮壩、重要堤防不決口、重要基礎設施不受沖擊”“四不”新要求。在水庫工程規(guī)劃設計階段開展大壩風險等級評估，探索量化考慮水庫潰壩后果的影響，對規(guī)劃設計方案可能存在風險進行預判分析，可有效降低工程安全風險和社會不良影響，從而達到科學規(guī)劃、合理設計、控制風險的目的。

1 水利水電工程行業(yè)風險評估標準發(fā)展現(xiàn)狀

工程風險評估是一項系統(tǒng)性、專業(yè)性、科學性和綜合性很強的工作，各行業(yè)特點與風險評估方法適應程度不同，應用發(fā)展水平也有一定差距。交通、鐵路、市政等行業(yè)開展工程建設風險評估相對成熟，2010年交通運輸部發(fā)布了《關于在初步設計階段實行公路橋梁和隧道工程安全風險評估制度的通知》(交公路發(fā)〔2010〕175號)，風險評估制度開始在公路橋梁和隧道工程的初步設計階段試行。水利水電工程往往具有投資規(guī)模大、建設周期長、工程技術復雜、制約因素多等特點，風險評估發(fā)展緩慢。基于國家標準GB/T 27921—2011《風險管理 風險評估技術》，水電行業(yè)發(fā)布了GB/T 50927—2013《大中型水電工程建設風險管理規(guī)范》，指導大中型水電工程的規(guī)劃、設計及施工期風險管理。2014年水利部組織有關單位編制《水庫大壩風險等級劃分標準》及《水庫大壩風險評估導則》，限于大壩風險分析的體系架構和技術路線尚需進一步完善，兩部標準均未發(fā)布實施。水利部在2018、2019年連續(xù)發(fā)布《水利部關于開展水利安全風險分級管控的指導意見》(水監(jiān)督〔2018〕323號)及《水利部辦公廳關于印發(fā)水利水電工程(水庫、水閘)運行危險源辨識與風險評價導則(試行)的通知》(辦監(jiān)督函〔2019〕1486號)，指導意見和導則均側重于運行管理階段工程安全風險防控。近年來，為規(guī)范流域梯級水庫群全生命周期安全風險評估與防控，國家能源局發(fā)布了NB/T 10882—2021《梯級水庫群安全風險防控導則》。

2 規(guī)劃設計階段水庫大壩風險評估方法

運行管理階段風險評估基于工程歷史運行或實測資料，側重對建設運行中工程性狀的實際風險分析；對于規(guī)劃設計階段尚未建成的水庫工程，更多是根據(jù)相關規(guī)劃設計資料，分析工程方案的潛在風險。國內(nèi)外現(xiàn)有的大壩風險分析方法大多基于概率論或模糊邏輯的，更適用于在建或已建工程風險評估?，F(xiàn)有風險評估研究及標準多數(shù)應用于運行管理階段，可用于規(guī)劃設計階段工程風險評估的參考資料較少。GB/T 50927—2013和NB/T 10882—2021這兩部標準均提出了規(guī)劃設計階段工程風險等級劃分標準，但與之相應的評估方法卻未作具體規(guī)定，所列專家經(jīng)驗法、可靠性分析法并不能很好適用于其規(guī)定的潰壩概率與后果損失分析。大壩風險是對其負面影響可能性和嚴重性的度量。目前，潰壩概率、潰決模式及潰壩后果分析仍是采用多學科交叉方法研究的復雜問題，不便于實操。為便于規(guī)劃設計階段大壩風險量快速評估，本文采用基于專家經(jīng)驗的定性和半定量方法來計算潰壩概率和潰壩后果，評估方法采用的風險因素和參數(shù)依據(jù)相關規(guī)劃設計資料概化處理。

3 規(guī)劃設計階段水庫大壩風險評價模型

本研究的評估基于規(guī)劃設計的前期資料，不考慮工程建設、項目管理等方面風險，單從估算漫壩概率結合大壩所處工程環(huán)境、壩體結構等方面獲得潛在致潰概率指數(shù)；在不進行潰壩洪水分析與洪水風險圖制作情況下，單從下游保護人口、基礎設施分布及社會經(jīng)濟發(fā)展程度等方面，結合庫容與壩高獲得潛在潰壩損失指數(shù)，進而求取潛在潰壩風險指數(shù)。

3.1 潛在致潰概率指數(shù)評價模型

水庫潰壩機理復雜，影響因素眾多，基于可靠度等理論精確推求潰壩概率難度很大，依靠專家經(jīng)驗又有一定的主觀性。目前對潰壩模型研究有一定的進展，運行管理階段大壩潰決概率計算一般采用歷史資料和事件樹法或兩者相結合的辦法。參考其思路方法，本文分析了規(guī)劃設計階段大壩致潰主要影響因素，研究提出了潛在致潰概率指數(shù)P估算方法。潛在致潰概率指數(shù)P通過考慮壩型影響系數(shù)D與壩區(qū)致險系數(shù)K，在估算漫壩概率指數(shù)F基礎上獲得。計算公式為：

P=F×D×K

(1)

(1)估算漫壩概率指數(shù)F

估算漫壩概率指數(shù)F通過估算漫壩概率F′的分級獲得。超標標準洪水是導致漫壩主要因素之一，估算漫壩概率F′為大壩合理使用年限N年內(nèi)超標準洪水發(fā)生概率，是通過大壩校核洪水標準TR推求的大壩合理使用年限N內(nèi)年平均超標準洪水發(fā)生概率，計算公式為：

(2)

按最不利工況估算合理使用年限內(nèi)大壩年平均漫壩概率值見表1。

表1 估算合理使用年限內(nèi)大壩年均漫壩概率值

通過式(2)求得估算漫壩概率F′。根據(jù)估算漫壩概率按表2插值獲取估算漫壩概率指數(shù)F，其取值范圍對應為0～5。

表2 估算漫壩概率指數(shù)取值

(2)壩型影響系數(shù)D

壩型與潰決模式和潰壩后果密切相關，壩型影響系數(shù)D主要考慮大壩壩型差異。土石壩漫壩后潰壩可能性較大，擬定壩型影響系數(shù)為1.0(按漫壩潰壩率100%計)，也符合同條件下土石壩潰壩風險大于混凝土壩的普遍認識。考慮到土石壩與混凝土壩在壩高提級指標比值上大約是0.7倍關系，擬定混凝土壩型影響系數(shù)為0.7(混凝土壩可能漫而不潰，潰壩概率降低)。

(3)壩區(qū)致險系數(shù)K

壩區(qū)致險系數(shù)K主要考慮大壩所處工程環(huán)境，如壩址地質(zhì)條件K1、區(qū)域地震情況K2、上游梯級及庫區(qū)影響K3等。不同工程的致險工程環(huán)境因素不同，根據(jù)具體情況，考慮因素可以適當增減，考慮因素的權重也可以經(jīng)驗判定。典型致險工程環(huán)境因素見表3。表中常規(guī)的、一般性致險工程環(huán)境因素致險系數(shù)取1.0(期望值)。優(yōu)于常規(guī)或一般致險工程環(huán)境因素的情況，致險系數(shù)取0.5(優(yōu)于期望值)；劣于常規(guī)或一般致險工程環(huán)境因素的情況，致險系數(shù)取1.5(低于期望值)。壩區(qū)致險系數(shù)K采用如下線性加權和法構造：

K=ω1×K1+ω2×K2+ω3×K3

(3)

式中，ωi—各類工程環(huán)境因素Ki的權重系數(shù)，根據(jù)具體工程判斷確定，∑ωi=1。

(4)潛在致潰概率指數(shù)P

表3 典型致險工程環(huán)境因素

通過式(1)求得潛在致潰概率指數(shù)P。由于估算漫壩指數(shù)F的取值范圍為0～5，在壩型影響系數(shù)D和壩區(qū)致險系數(shù)K的影響下，潛在致潰概率指數(shù)P總體分布范圍約在0～5間，超出和低于該區(qū)間的極端數(shù)值分別以上下限值5和0替代。研究將潛在致潰概率指數(shù)按可能性由小到大依次劃分為“幾乎不可能”“不太可能”“可能”“很可能”和“非常可能”5級，見表4。

表4 潛在致潰概率指數(shù)分級

3.2 潛在潰壩損失指數(shù)評價模型

潰壩損失包括生命損失、經(jīng)濟損失及社會與環(huán)境影響多方面。通常潰壩損失計算需要一定比例和范圍洪水淹沒區(qū)地形圖，將人口信息、經(jīng)濟信息分別展布到洪水計算格網(wǎng)圖上，形成人口信息格網(wǎng)與經(jīng)濟信息格網(wǎng)，并與洪水特性格網(wǎng)疊加計算相關損失，結果的影響因素眾多且存在很大的不確定性，基礎資料收集的工作量和難度很大。研究基于相關前期資料，分析潰壩損失主要構成，提出規(guī)劃設計階段潛在潰壩損失指數(shù)L估算方法。潛在潰壩損失指數(shù)L通過考慮潰壩能量系數(shù)E與估算下游損失系數(shù)S(兩者均為無量綱值)基礎上獲得。計算公式為：

(4)

(1)估算下游損失系數(shù)S

水庫大壩潰壩損失往往是災難性的。目前，國際上尚無統(tǒng)一的災難分級標準。對于災難等級的評定，大多數(shù)國家采用單種災度評估和綜合災度評估兩種方法來確定社區(qū)的受災嚴重程度。規(guī)劃設計階段只能通過前期基礎資料概化估算下游損失。本研究嘗試采用綜合災度評估方法，下游損失影響因素包括水庫防洪效益指標項中保護人口及保護區(qū)當量經(jīng)濟規(guī)模(城市保護區(qū))，此外，下游一定范圍可能受影響的重要基礎設施等也納入考量并統(tǒng)計。當然，不同工程的下游損失影響因素不同，根據(jù)具體情況，考慮因素可以適當增減，同樣考慮因素的權重也可以經(jīng)驗判定。估算下游損失系數(shù)S采用如下線性加權和法構造：

S=φ1×S1+φ2×S2+φ3×S3

(5)

式中,S1、S2、S3—生命損失、經(jīng)濟損失和社會與環(huán)境影響的嚴重程度估算量(無量綱值)。估算生命損失S1采用下游保護人口數(shù)的0.001倍計(單位：人)，暫未考慮下游人口密集度、地形條件等影響；估算經(jīng)濟損失S2采用0.01倍下游保護人口年GDP值計(單位：億元)，具體估算時需考慮地區(qū)經(jīng)濟差異；社會與環(huán)境影響S3根據(jù)下游影響范圍及交通、輸電、輸水、油氣線路及廠礦企業(yè)等基礎設施重要性確定。主要下游損失影響因素見表5。

表5 下游損失主要影響因素

φi為各類下游損失影響因素Si的考慮權重系數(shù)，根據(jù)具體工程判斷確定，∑φi=1。李雷、王仁鐘等研究認為，現(xiàn)階段，取S1=0.737、S2=0.105、S3=0.158比較合理，符合我國現(xiàn)階段國情與經(jīng)濟社會發(fā)展水平。

(2)潰壩能量系數(shù)E

潰壩洪水的洪峰流量、運動速度、破壞力遠遠大于設計洪水，其破壞能力與水庫庫容、壩前水頭、潰決過程及壩址下游河道的兩岸地形有密切關系。潰前庫容越大，壩前水頭越高，破壞力也越大。潰壩實際損失取決于潰壩洪水危險性及大壩下游的人口、財產(chǎn)等。水庫規(guī)模越大，壩高越高，設計和建設標準越高，工程質(zhì)量越好，運行管理越規(guī)范，潰壩風險越低。水庫潰壩的重要原因之一。在不考慮下游地形條件下，研究潰壩洪水危險性通過水庫庫容和大壩高度來反映。因壩高與庫容乘積HV數(shù)值較大，通過對其求對數(shù)獲得該數(shù)量級值，代表潰壩能量系數(shù)E，公式如下:

E=logHV

(6)

式中,H—壩高風險系數(shù)，m；V—庫容風險系數(shù)，百萬m3；E—潰壩能量系數(shù)，無量綱值，取值范圍為(0，5)，超出和低于該區(qū)間的極端數(shù)值分別以上下限值5和0替代。

(3)潛在潰壩損失指數(shù)L

通過式(4)求得潛在潰壩損失指數(shù)L，其取值范圍為(0，5)。研究將潛在潰壩損失指數(shù)按嚴重性由小到大依次劃分為“一般”“較大”“重大”“特別重大”和“災難性”5級，見表6。

R=P×L

(7)

表6 潛在潰壩損失指數(shù)取值

3.3 潛在潰壩風險指數(shù)評價模型

根據(jù)國際大壩委員會的定義，潰壩風險是潰壩概率與潰壩后果的組合。規(guī)劃設計階段大壩潛在風險指數(shù)R為潛在致潰指數(shù)P與潛在損失指數(shù)L的乘積。計算公式為：

關于風險指數(shù)分級，各國社會經(jīng)濟環(huán)境不同劃分標準也各不相同。規(guī)劃設計階段，我國水庫工程等級劃分為5等；《水庫大壩安全評價導則》將大壩安全狀況分為3類；國家安全事故等級劃分標準為4級；目前水利水電行業(yè)已發(fā)布標準將水庫大壩風險分為極高風險、高風險、中風險和低風險4級。參考國家突發(fā)公共事件應急預案以及國家防洪抗旱應急預案的規(guī)定，結合潰壩損失嚴重性等級劃分結果，研究將潛在風險指數(shù)評價標準劃分為5級，即Ⅰ級(特別嚴重)、Ⅱ級(嚴重)、Ⅲ級(較重)、Ⅳ級(一般)和Ⅴ(輕微)，依次用紅色、橙色、黃色、藍色和綠色表示，見表7。

表7 潛在風險指數(shù)等級判斷標準

4 假定案例測算及分析

運用上述風險指數(shù)快速評估方法對假定部分參數(shù)的8座規(guī)劃設計水庫進行測試評估，以測試方法的可行性和操作性，通過測評結果分析其規(guī)律性和合理性。風險指數(shù)測評結果見表8。

表8 假定規(guī)劃設計階段水庫大壩風險評估測試結果表

表中1#壩是山區(qū)高壩大庫的典型樣本，壩區(qū)致險系數(shù)較高，但估算的潛在致潰概率指數(shù)并不太高，符合高壩大庫建設標準高，實際潰壩率并不高的失事數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果。由于其下游失事影響對象的重要性較高，從而得出潛在潰壩風險指數(shù)較高，判定潛在風險等級為Ⅱ級。該樣本中下游損失影響因素和壩區(qū)致險系數(shù)取值均在上限值，實際規(guī)劃設計中壩址下游損失影響多個因素中也不可能均為上限值，且通過工程措施或方案優(yōu)化后，壩區(qū)致險系數(shù)不會均處于上限值，尤其是具備可降風險措施條件的風險項。

表中6#壩是山區(qū)高壩小庫的典型樣本，7#壩是平原大庫的典型樣本，8#壩是平原中小庫的典型樣本，三者壩區(qū)致險因素系數(shù)各不相同，總體系數(shù)值較高，估算的潛在致潰概率指數(shù)中小型水庫大于大型水庫。由于三者下游失事影響對象的重要性均較高，從而得出潛在潰壩風險指數(shù)較高，判定6#壩、7#壩潛在風險等級為Ⅲ級，8#壩潛在風險等級為Ⅱ級，進一步說明在極端不利工況條件及潛在失事影響嚴重性高的情況下，中小型水庫尤其是平原型中小型水庫潰壩失事風險相對較高，即小庫高壩及城市型水庫的潰壩風險尤為突出。

5 結論與建議

水庫大壩規(guī)劃設計不僅關注大壩建筑物自身結構安全，同時要關注大壩建設對下游的公共安全風險。我國部分大壩在運行管理階段，根據(jù)潰壩洪水開展了風險分析及應急預案編制工作，但缺少在規(guī)劃設計階段開展大壩潛潰壩風險評估的研究，大壩安全等級也未與下游風險水平建立直接聯(lián)系。近年來，業(yè)內(nèi)對水庫大壩增加風險管理的呼聲越來越高，也曾組織開展過相關標準的編制工作，但尚未運用于大壩安全風險評價實踐。

風險分析是一項非常復雜的工作，包括技術、經(jīng)濟、社會等諸多方面的因素，如何探索出適應于我國國情的、科學的對策與相應的技術措施，尚有許多問題待解決。規(guī)劃設計階段大壩風險評估通過風險預估分析，為工程規(guī)劃設計方案提供輔助決策參考，適應新階段水利高質(zhì)量發(fā)展需要。基于水庫工程規(guī)劃設計前期資料，探索研究并提出一種在規(guī)劃設計階段快速評估大壩風險的分析方法，供行業(yè)風險評估相關研究參考。