基于风险矩阵的大坝安全风险因素监测及预警

吕高峰

(1.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.国家水电站大坝安全和应急工程技术中心，浙江 杭州 310014)

我国已建成近10万座大坝，受大坝自身缺陷，以及地震、洪水等外部因素影响，部分大坝面临一定的安全风险。国外不少国家，如加拿大、澳大利亚、美国、荷兰等，正在逐步建立水库大坝风险评估管理体系和标准，我国也做了很多风险评估的相关工作[1]。大坝安全风险评估可充分考虑各种环境因素以及大坝结构本身所存在的种种不确定性对大坝安全运行的影响，能反映一旦大坝失事所造成的后果对大坝安全性的要求，能综合考虑大坝运行、社会、环境、经济、人员等方面的要求，因此，对大坝安全状况所做出的评价更符合实际要求[2]。针对风险评估的成果，可通过事件推演建立风险路径，对风险路径上的条件进行监测和预警，实现数字化动态管控。

1 风险评估基本原理

大坝安全风险评估通过分析与计算，确定各种风险发生的可能性，以及大坝发生风险事故后所造成的损失，由此得出大坝的风险等级，从而依据接受准则制定针对性的应对策略和控制方案。风险可以表示为后果和概率的函数[3]，即

R=f(P,C)

(1)

式中：R为风险；P为失事概率；C为对应的失事后果或风险损失程度。

下面以大坝安全为分析对象，开展大坝安全风险评估。

(1) 风险识别

风险识别用来识别可能引起大坝产生风险的风险源。风险源可以是内部的，也可以是外部的。外部的风险源包括地震、台风、强降雨、超标准洪水(含上游非正常泄水)等自然环境因素，也包括上游可能失事的大坝、养鱼的网箱、船只、滑坡体、泥石流沟等；内部的风险源包括组成大坝枢纽建筑物的大坝、泄水建筑物、引水发电建筑物、导流洞堵头(含底孔)、船闸、升船机、鱼道、过木建筑物、工程基础、闸门及启闭机等。

(2) 风险分析

风险分析指对各个风险源推演可能发生的风险事件。一个风险事件可能产生另一个更为严重的风险事件，建议依据实际情况进行风险事件推演，建立风险路径图，对每个风险事件进行可能性和风险损失分析，确定风险等级。大坝安全风险事件包括溃坝、漫坝、滑坡、泥石流、水淹厂房、堰塞湖、坝体坝基渗透破坏、坝体坝坡失稳、泄水及消能设施冲刷破坏、泄水建筑物进水口淤堵、泄水闸门启闭设备和电源故障等。

(3) 风险评价

对于不同等级的风险应分别采取接受风险、降低风险和规避风险等措施，制定风险源的日常管理措施和风险事件的应急应对措施。

2 基于风险矩阵的风险等级确定

2.1 后果级别

目前，国内普遍依据对环境影响、社会影响、伤亡和直接经济损失等情况评估确定风险损失严重程度。考虑到风险管控的本身是水电站大坝，漫坝、溃坝是造成更大损失的直接原因，对大坝运行的影响也作为评估风险损失严重程度的依据[4-5]，将损失等级分为5级(表1)。不直接造成伤亡或直接经济损坏的，以最大可能造成大坝事故的伤亡和经济损失来确定。

表1 风险损失严重程度评估依据

2.2 可能性级别

风险发生可能性等级分为5级，其对应的概率或频率值见表2。

表2 风险发生可能性评估依据

2.3 风险等级

依据风险损失严重程度(1～5级)和风险发生可能性等级(1～5级)确定的风险矩阵见表3，表中风险值为(1～5级)和风险发生可能性等级(1～5级)的乘积。依据确定的风险值对照表4风险值范围，确定风险等级[4-5]。不同的风险等级对应不同的预警等级、接受准则、应对策略和控制方案。

表3 风险矩阵R和风险值确定表

表4 各风险等级接受准则与应对措施

3 事件推演建立风险路径

通过风险评估，建立大坝面临的各类风险的路径。大坝运行安全风险主要包括构筑物类、金属结构类、设备设施类、管理类、环境类等，其中环境类包括地震、山洪、泥石流、山体滑坡等(表5)。近几年，我国大坝遭遇影响较大的，如汶川紫坪铺震损、白格堰塞湖、牛栏江堰塞湖、龙潭泥石流等重大大坝安全风险均属于环境类风险。环境类风险已经是目前影响我国大坝安全最为重要的一类风险。

表5 大坝工程运行主要风险项目

以李家峡水电站库区滑坡体和假定的监测为例，李家峡水电站位于黄河干流，青海省境内尖扎县和化隆县交界处，距西宁市112 km。坝址以上控制流域面积13 674 km2，水库正常蓄水位2 180 m，1 千年一遇设计洪水位2 181.3 m，1万年一遇校核洪水位2 182.6 m。水库总库容17.5×108m3，电站总装机容量2 000 MW，属一等大(1)型工程。大坝及泄洪建筑物、厂房等为1级建筑物。坝址区地震基本烈度为7度，设防烈度为8度。

以李家峡水电站工程库区的滑坡体为例：该滑坡群坝前右岸高350～400 m陡崖的顶部，距大坝1.2～2.5 km，岩性由黄土、红层和混合岩夹片岩组成，单个滑坡一般宽约180～350 m，长约170～1 000 m，厚度约10～30 m，体积约170×104～580×104m3。滑坡体前缘蠕滑，后缘拉裂、错坎、陷穴形迹显著。

通过事件推演(图1)，滑坡体可能造成涌浪或堰塞湖，堰塞湖处置不当可能造成漫坝。滑坡体造成涌浪事件的可能性为“中等”，损失等级为“较大”；滑坡体成堰塞体事件的可能性为“较低”，损失等级为“较大”；堰塞体处置不当造成漫坝事件的可能性为“较低”，损失等级为“重大”。

图1 李家峡滑坡体基于事件推演的风险路径图

4 监测预警及其实践

针对该滑坡体可能导致滑坡的原因进行分析，除地质条件外，强降雨、人工排水不当是重要的诱发因素。以风险事件涌浪为例进行分析，降雨量和地下水位对滑坡体产生涌浪的可能性影响见表6[6-8]。大坝及近坝库岸建立了大坝安全监控系统，设置了变形、渗流、应力应变、环境量(库水位、降雨量、气温)的实时监控系统，可以实时监测大坝和滑坡体的实时监测成果。同时，建立了水情测报系统，可以预测未来的降雨情况。

表6 李家峡水电站库区滑坡体产生涌浪的可能性监测 预警条件统计表

基于上述条件，对滑坡体产生涌浪条件的降雨量和地下水位进行自动化实时监测和预报，对滑坡体产生风险的可能性进行监控和预警，实现数字化动态管控。

通过已建成的大坝安全监测平台的在线监测数据，再集成气象(降雨、气温)预报、台风预警信息、洪水预报、实时地震信息，实现对各类大坝安全风险进行监测和预警。

5 结 语

基于风险矩阵的大坝安全风险评估，通过事件推演建立风险路径，对风险进行监测和预警，实现数字化动态管控。

5.1 总结大坝安全的风险源

风险源包含内部的，也包含外部的。外部的风险源包括地震、台风、强降雨、超标准洪水(含上游非正常泄水)等自然环境因素，也包括上游可能失事的大坝、养鱼的网箱、船只、滑坡体、泥石流沟等；内部的风险源包括组成大坝枢纽建筑物的大坝、泄水建筑物、引水发电建筑物、导流洞堵头(含底孔)、船闸、升船机、鱼道、过木建筑物、工程基础、闸门及启闭机等。

5.2 评估风险事件

基于风险评估，依据实际情况进行风险事件推演，提出风险路径图。大坝安全风险事件包括溃坝、漫坝、滑坡、泥石流、水淹厂房、堰塞湖、坝体坝基渗透破坏、坝体坝坡失稳、泄水及消能设施冲刷破坏、泄水建筑物进水口淤堵、泄水闸门启闭设备和电源故障等。

5.3 管控各风险事项

针对各类大坝安全事件可能产生的原因进行深入分析。分析内因和外因，重点分析地震、降雨、气温、监测监控等外部因素，通过监测预警条件的分析及各类数据的在线监测预测，实现大坝安全风险的数字化动态管控。