羅麗紅

(貴州水投水庫(kù)管理有限責(zé)任公司,貴陽(yáng) 550000)

0 引 言

高壩施工后期的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系到大壩河流下游的安全,許多學(xué)者為此進(jìn)行了相關(guān)研究。如唐浩杰［1］針對(duì)大渡河金川水電站導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,采用Rocfall軟件,對(duì)導(dǎo)流洞進(jìn)口開(kāi)裂區(qū)各項(xiàng)安全指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值模擬,并提出了危巖裂縫灌漿或采用整體主動(dòng)支護(hù)對(duì)開(kāi)裂區(qū)加固的防護(hù)方案。王兆強(qiáng)等［2］依靠Matlab對(duì)Monte-Carlo法施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化,加快了風(fēng)險(xiǎn)模擬程序的計(jì)算速度,同時(shí)增加了模型的可操作性及準(zhǔn)確性。常運(yùn)超等［3］通過(guò)聯(lián)合Monte-Carlo方法和Copula函數(shù),計(jì)算大壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn),采用洪峰流量等因素的計(jì)算分析,優(yōu)化大壩圍堰的建筑方案。

本文對(duì)提前蓄水下閘的發(fā)電情況下高壩施工后期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,研究目的是構(gòu)建科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)收益分析模型,為水利工程管理決策提供理論支持。

1 高壩蓄水提前下閘的施工后期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃

1.1 高壩施工后期的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)概率研究

風(fēng)險(xiǎn)是涉及工程建設(shè)和運(yùn)行管理的重要問(wèn)題,水電工程施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)是施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的重要參考。為了保護(hù)水工建筑物能夠在正常環(huán)境下進(jìn)行施工,建筑管理規(guī)劃中常常通過(guò)全段圍堰或者分段圍堰的方式來(lái)分離建筑基坑和水流,阻擋水流之后再通過(guò)導(dǎo)流建筑物將水流泄向下游。高壩等水利水電工程工期一般長(zhǎng)達(dá)5～20年,在施工過(guò)程中會(huì)面臨多次汛期的威脅,同時(shí)高壩施工的圍堰和導(dǎo)流建筑物的建設(shè)通常受到地形地貌、地質(zhì)水文環(huán)境以及氣象降雨條件等因素的影響。而工程的建設(shè)具有不可重復(fù)性,高壩建設(shè)中的導(dǎo)流規(guī)劃兼具施工成本控制和度汛風(fēng)險(xiǎn)的綜合決策管理。因此,本次研究將通過(guò)計(jì)算高壩施工后期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)概率,對(duì)工程的度汛安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

高壩施工分為前期、中期和后期。在工程后期,高壩導(dǎo)流建筑物的泄洪能力比中期和前期大大降低,因此在面臨汛期時(shí),水位快速上升加大了安全風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)主要是導(dǎo)流建筑物的承壓能力不足以及壩前水位超過(guò)大壩的臨時(shí)圍堰工程引發(fā)的汛期漫壩。導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)的主要影響因素來(lái)源于天然降雨,洪水的不可控制性導(dǎo)致導(dǎo)流建筑物承壓力的不確定性。后期導(dǎo)流泄洪主要依靠壩體底孔導(dǎo)流、壩體缺口導(dǎo)流以及隧洞導(dǎo)流等方式完成,蓄水量和水面高度的變化同時(shí)也是導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)的重要影響因素。除了上述不確定性因素造成的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)之外,在高壩施工后期階段,仍然需要考慮許多其他條件。

本次研究模擬導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)時(shí),必須考慮到所有這些風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)高壩在給定水位建造但尚未完工時(shí),考慮到高壩前的最大水位可能高于大壩的臨時(shí)水位,并且第一期能夠下閘并蓄水,直到施工完成,并具有一組蓄水邊界條件。施工中洪水峰、量之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)性,通常采用Copula函數(shù)來(lái)構(gòu)造二者的聯(lián)合分布,并用于模擬重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的施工洪水過(guò)程?；谝陨嫌绊懸蛩?本次研究將首先對(duì)導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行建模,公式如下:

Pa=max(Sa≥La-1)|a,b,Fa,Rb,Wx,Wy

(1)

式中:P為洪水超過(guò)擋水高程的概率;a為汛期的月份;S、L分別為壩前最高水位和擋水高程;b為蓄水階段;F、R分別為下泄流量和水位上升最大速率;Wx、Wy分別為導(dǎo)流洞閘門(mén)設(shè)計(jì)擋水水頭和導(dǎo)流洞閘門(mén)的操作水頭。

在高壩工程的早期蓄水階段,經(jīng)常采用分期蓄水,并在不同的蓄水時(shí)間內(nèi)以不同的水位排泄。當(dāng)工程在蓄水過(guò)程中完成時(shí),可通過(guò)一定高度的引水和排水系統(tǒng)關(guān)閉水閘。在蓄水后期,將使用上層引水結(jié)構(gòu)排水。因此,在修建或分流高壩時(shí),項(xiàng)目的排水能力由聯(lián)合排水系統(tǒng)決定,并受到上游面和出口水力參數(shù)等不確定因素的影響。本文將蒙特卡羅方法應(yīng)用于隨機(jī)洪水和泄流能力,并通過(guò)洪水路徑計(jì)算最大流量。通過(guò)比較最大壩高和臨時(shí)壩高,并計(jì)算洪水超出高程的可能性,以模擬導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 高壩提前蓄水下閘的風(fēng)險(xiǎn)收益綜合評(píng)價(jià)分析

提前蓄水下閘表示在高壩建設(shè)過(guò)程中,當(dāng)水庫(kù)未完工時(shí)將引水排水系統(tǒng)關(guān)閉,將剩余的水儲(chǔ)存在水庫(kù)中。除了下游排水外,其余的水可以節(jié)約到原始工作水位(死水位或最低發(fā)電水位),使項(xiàng)目提前盈利。

在建設(shè)過(guò)程中,受到水文、施工進(jìn)度、自然流量、低流量、引水工程關(guān)閉和水庫(kù)淹沒(méi)等許多因素的影響。因此,為了保證工程的安全和主體結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行,建立適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件是至關(guān)重要的。儲(chǔ)水時(shí)間和蓄水方案的選擇將直接影響水電工程的效用和效率。就正在建設(shè)的水電站而言,有必要提高未來(lái)的防洪和投資效率,同時(shí)也有必要提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。在這些優(yōu)勢(shì)中,對(duì)滿(mǎn)足建筑過(guò)程中的蓄水需求既有積極影響,也有消極影響。積極影響是在水庫(kù)中及時(shí)儲(chǔ)存水幫助高壩的建設(shè)期和使用期快速轉(zhuǎn)換,而消極影響是蓄水提高了施工過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)和導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)。正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)都決定著項(xiàng)目的整體利潤(rùn),而整體利潤(rùn)是決定項(xiàng)目和項(xiàng)目可行性的關(guān)鍵決策標(biāo)準(zhǔn)。

因此,本文針對(duì)新建高壩水電站項(xiàng)目,對(duì)該項(xiàng)目的危害、初期發(fā)電產(chǎn)生的成本以及早期蓄存和發(fā)電的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)分析和測(cè)量,并對(duì)項(xiàng)目的總體利潤(rùn)和成本進(jìn)行評(píng)估。

高壩提前蓄水發(fā)電的收益由蓄水量、發(fā)電量?jī)蓚€(gè)因素決定。而蓄水量受到蓄水時(shí)間、入庫(kù)頻率等因素影響,發(fā)電量受到入庫(kù)水量、水頭和流量等因素的影響。本次研究中,蓄水量通過(guò)擬定蓄水收益時(shí)間和起始時(shí)間來(lái)計(jì)算,而發(fā)電量則通過(guò)以1天為單位模擬每天的發(fā)電過(guò)程。本次研究對(duì)于高壩提前蓄水的收益和導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)管理方法模型流程見(jiàn)圖1。

2 高壩提前蓄水的收益和導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型的實(shí)例應(yīng)用研究

為了分析本文所構(gòu)建的高壩提前蓄水的收益和導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)管理方法模型,本次研究將對(duì)西南某水電工程進(jìn)行案例分析。該水庫(kù)最大壩高255m,高壩流域內(nèi)年平均流量621m3/s,不同高程中設(shè)置了底孔、中孔、表孔。水庫(kù)正常蓄水位2 434m,死水位2 350m。本次選擇2021年汛期中的7月份為例,分析高壩施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)和發(fā)電收益。圖2為7月份整月以75%為來(lái)水頻率進(jìn)行蓄水的流量過(guò)程。

圖1 高壩提前蓄水的收益和導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)管理方法模型流程

圖2 7月份的提前蓄水過(guò)程及流量

由圖2可知,水庫(kù)7月上半旬入庫(kù)流量不斷增加,在15日當(dāng)天達(dá)到最高入庫(kù)流量2 430m3/s,而在7月下半旬中入庫(kù)流量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。水庫(kù)的提前蓄水量在第14日達(dá)到最高,蓄水1 361m3/s。

在7月份的高壩建設(shè)中,本次研究通過(guò)方法中的風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算模型,分析當(dāng)月的高壩壩體高程修建和導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)變化,見(jiàn)圖3。從圖3可以看出,隨著高壩壩體高度的增加和當(dāng)月入庫(kù)流量的變化,7月份的高壩導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)隨著時(shí)間增加而下降。在高壩高程最低為2 395.28m時(shí),施工中的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)最高,漫壩的概率為0.579%;在高壩高程最高2 399.64m時(shí),施工中的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)最低,漫壩的概率為0.206%。

圖3 7月份的高壩高程和導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)

本次研究將9月份的提前蓄水發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析,見(jiàn)圖4。從圖4中可以看出,在原本的設(shè)計(jì)方案中,蓄水從6月初開(kāi)始,在8月底達(dá)到死水位。通過(guò)機(jī)組調(diào)試之后,9月份進(jìn)行第一條機(jī)組的提前發(fā)電,通過(guò)蓄水量計(jì)算得出提前時(shí)間段的每日發(fā)電量及每日所獲取的發(fā)電效益。

根據(jù)以上導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)和壩前水面高度數(shù)據(jù),本次研究將模擬兩個(gè)提前蓄水發(fā)電方案,分析兩種方法的風(fēng)險(xiǎn)成本和發(fā)電收益。方案1的提前蓄水下閘時(shí)間提前至6月1日,而方案2的提前蓄水下閘時(shí)間提前至6月15日。

圖4 9月份水庫(kù)的提前蓄水水頭和日發(fā)電量

根據(jù)以上提前蓄水的方案設(shè)計(jì)和方法中的發(fā)電量分析,本次將模擬兩種方案的發(fā)電收益和成本。風(fēng)險(xiǎn)損失估計(jì)包括人口損失估計(jì)和直接經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)。風(fēng)險(xiǎn)成本即是漫頂?shù)某杀?也是后期維護(hù)的成本。該成本的影響因素包括水深、流速、洪峰到達(dá)時(shí)間、洪水災(zāi)害特征、危險(xiǎn)區(qū)分類(lèi)、人口分布和警報(bào)時(shí)間。而趕工成本則由項(xiàng)目合同中的相應(yīng)費(fèi)用表示。

在計(jì)算收益前,首先通過(guò)德?tīng)柗品ê挽貦?quán)法結(jié)合主客觀權(quán)重進(jìn)行收益成本的權(quán)重計(jì)算。根據(jù)模型可以得出,方案1在提前蓄水中的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)增加至0.64%,相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)成本上升3 614.64萬(wàn)元、趕工成本467.41萬(wàn)元,而發(fā)電收益25 700萬(wàn)元。同時(shí),方案2的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)上升0.42%,相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)成本為2 495.75萬(wàn)元、趕工成本為316.94萬(wàn)元,而發(fā)電收益僅為11 731萬(wàn)元。

將收益成果和成本進(jìn)行計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化處理,得出收益成本規(guī)范化結(jié)果,見(jiàn)圖5。從圖5中可以看出,兩種提前蓄水發(fā)電方案中,方案1的收益為1時(shí),方案2的收益僅為0.433;而成本計(jì)算中,方案2的風(fēng)險(xiǎn)和趕工兩種成本標(biāo)準(zhǔn)化處理為1時(shí),方案1的成本分別為0.715和0.694。因此,方案1的提前蓄水發(fā)電生產(chǎn)決策更加合適。

圖5 兩種方案下高壩提前蓄水發(fā)電的風(fēng)險(xiǎn)成本和發(fā)電收益

3 結(jié) 論

本次研究通過(guò)高壩提前蓄水的收益和導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型,優(yōu)化水利工程建筑施工中的決策。以西南某水庫(kù)2021年7月樣本的蓄水過(guò)程流量數(shù)據(jù)和9月分發(fā)電數(shù)據(jù)為例,分析發(fā)現(xiàn)水庫(kù)7月上半旬入庫(kù)流量不斷增加,水庫(kù)的提前蓄水量在第14日達(dá)到最高,蓄水1 361m3/s。在模型分析中,水庫(kù)的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)隨著壩體高程的增加而減少,在高壩高程最低為2 395.28m時(shí),施工中的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)最高,漫壩的概率為0.579%;在高壩高程最高2 399.64m時(shí),施工中的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)最低,漫壩的概率為0.206%。同時(shí),本次研究根據(jù)模型進(jìn)行提前蓄水發(fā)電的方案模擬。結(jié)果表明,本次研究構(gòu)建的高壩提前蓄水收益和導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型,可以有效模擬提前蓄水的成本和收益結(jié)果,并能準(zhǔn)確計(jì)算導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)概率。