溃坝应急管理研究

2010-10-25骆辛磊陈文平郭俊军

中国水利 2010年8期

骆辛磊，陈文平，郭俊军

（湖南省水利厅，410007，长沙）

人类出自防洪或蓄水目的（如发电、灌溉和供水等），在大大小小的江河上筑起了数以万计的拦水坝，这些坝一般都经过工程技术人员按照规程规范进行设计建造而成，对其稳定牢固性都有预期把握。但是随着运用时间的加长，河流来水过程与产水大小的不确定性致使几乎所有的拦水坝都存在程度不同的溃决风险。大坝管理者不停地对其进行监测、维修和加固，以确保坝功能的正常发挥，同时也防止了溃坝不测事件的突然发生。尽管如此，在全球范围内（我国也不例外）每年仍然有或多或少的堤坝在某些特定的环境中发生溃决。一旦溃决，人员伤亡、财产损失都会十分惨重。

溃坝应急管理是风险管理的一种，有别于人们所习惯的常规管理。溃坝成因往往比较复杂，可以说没有一个完全相同的溃坝模式，而且溃决过程发展迅猛，所以要求人们对其进行深入研究和精心策划，才能取得最佳效果。

一、溃坝系统界定

这里所要讨论的“系统”，不单纯指大坝工程实体及其辅助服务系统，还应当把应对溃坝事件的指挥组织管理机构及其所制定的目标任务、原则方针、实施方案等包括在内；前者主要是硬设施部分，后者主要是软件部分，这种硬软兼有的人、事、物交融组合而成的系统，才是溃坝系统的真实写照，才能比较全面系统地反映溃坝全过程。

一座拦水大坝工程实体，通常是由坝身、涵管与溢洪道三大基本部件所组成。为之服务的辅助子系统主要指通信、交通、巡查检测及维修保养等部分，还有职责分明的日常管理人员。既然所讨论的对象是溃坝，必然还存在一个为应对溃坝危机而设立的抢险救护子系统，一般为临时设置，由更高一层（行政）业务负责人出面领导指挥。该子系统主要构成包括专家小组、抢险施工队伍和后勤保障、抢险物资供应链条。水库大坝日常管理班子与应急指挥领导机构之间的关系，一般在溃坝抢护救灾时期是合二为一的。若抢救任务不大，可能就用日常管理班子稍加扩充而成；若抢险救助任务很大，则应急指挥机构要另起炉灶，其日常管理班子将被纳入其中。

关于软件部分的内容，其目标任务主要有：①力争不溃，②把伤亡损失降到最小限度。

其原则方针主要有：①以人为本，人的生命第一；②防重于抢，抢救并重等。

其方法预案主要有：①荷载应力计算方法与公式，坝体稳定分析方法与公式等；②各种抢护预备方案；③各种避险救灾预案等。

其标准规程主要有：①各种识别标准，②各种评估标准，③设计规程，④施工规程等。

溃坝系统的组成及其各组成部分之间相互联系如图1。

还可以把系统总目标划分成一些分区目标和分段目标，预案中包括防范预案、处险预案、避险预案等。纪律制度主要是指在溃坝临危时段对所有抢护人员，特别是管理人员的约束规定。

凡系统都有其所处周边环境，凡动态系统都有其内在的变化动力，因此溃坝系统的全部，还要包括溃坝动力、溃坝环境和溃坝演变发展动态全过程（包括溃前、溃中与溃后三阶段）。从系统各组成元素之间联系可以看出，各组成元素之间在不同的时空环境存在大量的组织权衡协调问题，要使其有机配合联动取得相对最佳效果，全部要靠溃坝应急指挥机构来完成。

对溃坝系统的组成与联系识别不能看作可有可无的事情。在溃坝的匆忙慌乱中，考虑不周是经常发生的，由此所引起的不良后果是严重的。

二、溃坝动力分析

众所周知，任何一座土（石）坝即使千疮百孔，坑坑洼洼，若无外力作用也是不会自行垮塌的。是什么样的动力有可能引发一座庞然大物（坝体）出现溃决呢？毋庸置疑，造成挡水坝垮塌溃决的最基本外力乃是水力，其次是外界施加的地震力及其相类似外力。水是流动性的物质，它向外所展现出来的作用力因其所处位置状态不同而有好几种形式，如有静水压力、动水冲力和渗透推力之分。静水压力是指水在静止状态下所施加于束缚或阻挡它的物体的一种作用力，其大小 P=P0+γh，式中 P0为水面的大气压强，γ为水的容重，h为受水压处（点）的淹没深度。应当指出对于泥沙含量较高的江河水体，其容重（γ）要大于1，尤其是对于许多尾矿坝计算坝体承受流体静压时，更不能忽视其容重比1大得很多这一事实。显然，一座完整的土（石）坝在正常情况下光靠静水压力是压不垮的，所以传统的土（石）坝稳定性是采用校核边坡滑动安全系数大小来衡量的。动水冲力是指水体居高临下，出现流动而形成的冲刷力量，它是以动量的形式作用于坝体外表的。其坝面冲刷破坏速度取决于流量大小、下游坝坡坡度大小和坡面材料构造状况。尽管有时翻坝水深不一定很大，但护面预制混凝土块在下泄水流正面冲力和同时产生的脉动上举力作用下，即使重量很大的预制混凝土块也可能很快被揭开冲走。渗透推力来自水流通过松散土颗粒间隙中的水力坡降而形成，其大小遵循达西定律，即V=KJ（式中V为渗流过水断面的平均流速，J为渗流坡降为在渗流途径dL长度上的水头损失），K为土的渗透系数。

上述三种形式的作用力单独或同时出现作用于土（石）坝上所产生的坝体破坏态式，常具有以下几种情形。其一是高洪水位超过坝顶漫溢，水流便顺坡而下冲刷剥离坡面，如漫溢深度较大（如大于20cm），时间较长（如大于1h）则很有可能引发溃坝恶果。漫顶现象一般发生在大坝上游遭遇特大暴雨、来水过猛、超设计泄洪能力或可能因预设泄洪方式发生故障所致。也还有坝前库水面较宽，遭遇大风，掀起巨浪而形成翻坝水流所致。其二是拦水坝挡蓄高水位时所形成的渗透推力，可能在下游坝面产生局部裂缝、滑动现象，或可能在坝体内部淘空破坏，逐步扩大，直至坝体外部造成坍陷、跌窝，且同时出现混浊射流、孔口不断扩大，这种态式一般演变时间较长，也是一种溃坝前的不祥信号。其三是地震力直接作用于坝体，瞬间受力产生裂缝，出现滑坡和错位等破坏性现象，此时若水库水位较高，水流便会沿裂缝冲刷坝体，渗透水流便会从薄弱处溢出，这都是可能溃坝的现象。还有地震或暴雨往往也有可能使水库某些岸坡产生大塌方，瞬间形成浪荷载，突然加到坝体之上，这种瞬间冲击力也有可能引起溃坝恶果。还有一些尾矿坝，矿渣并未固结，只要充水稍受震动，就有可能使满满一库泥渣流陡然加到坝身上，整体推动坝身而溃决。凡此种种情况都是造成溃坝的水力作用表现形式。至于日长天久的风吹雨打、生物破坏等，对坝体不停地作用而产生的缓慢破坏，每年冬枯时可以修补，不必列入溃坝动力范围。

溃坝动力的出现，因地、因时、因周边环境的不同，产生的溃坝过程快慢和后果不同。溃坝动力不仅是一种破坏力量，而且也是溃坝系统演变的主动力量；溃坝系统因可能出现的外力形式不同而组成结构不同；也因出现外力的大小不同，系统演变速度和方向也会不同。如果能对每一种发生溃坝的动力及其相伴而存在的环境从定性到定量上有明确的认识把握，那么就有可能预测出溃坝发生的空间与时间；有了溃坝时空对应预测，就有了抢护和规避溃坝风险的相应操作时间和空间。当然，对于拦水坝溃决时间的预测，最主要的是要关注水库坝前水位的涨落快慢。库水位又与降雨多少、汇流快慢紧密相连，因此及时准确地作出库区内气象水文预报非常必要。对现代社会的科学技术水平而言，人类还是有能力做到上述相互关联的预测预报要求的。

三、溃坝环境区分

这里所指环境，应当包括两个方面：其一是坝体所在地理位置的自然环境和经济社会环境，其二是临溃时特殊气象气候及道路交通环境。坝体周边自然环境主要指地貌、地基地质及气候季节这些内容，地貌方面有山区、丘陵区和平原区之分，地基地质方面有土基与岩基之别，松散土基也有好坏之分，有较弱淤泥夹层还是坚硬原状黄土之分，岩基也有岩性和坚硬完整还是严重风化破碎之分，坝区植被有茂密原始和稀枯荒芜之分，气候主要指所处纬度高低与季节之分，这些自然环境的差异都会影响到溃坝速度与过程以及溃坝应急对策的选择。建造在平原上的水库大坝，一般坝线较长，坝身高度不大，水头较低，可一旦溃决，淹没区很大，损失也不小。建造在山区的水库大坝，往往深踞高山峡谷之中，一般坝身较高，形成的水位水头较高，坝身所承受的静水压力大，渗透推力也较大，坝端两头岸坡较陡，接触处产生裂隙渗漏常见。深山峡谷之中一般较少采用土坝或土石混合坝。坝区周边经济社会环境，主要指当地经济发达程度和科技实力强弱，由此而决定了当地交通状况、通信手段以及人们对溃坝后果的抢救能力和承受能力。

大坝临溃时的特殊气象气候和交通运输状况。历史上大量溃坝事件告诉我们，溃坝稀有事件往往发生在风雨交加、天黑夜深、道路狭窄、通信不畅、缺乏有效照明等极为不利之时，给护坝人员以措手不及的突然袭击，可能弄得手忙脚乱，昏头转向，因此要给予特别关注。

总之，溃坝所处时空环境，方方面面都将会影响到人们对溃坝事件所采取的对策措施。显然，凡是所在地域自然环境条件较好的坝体，不仅出险的可能性要小些，即使出了险，处置起来也较容易一些；凡社会经济发达地区，经济实力较强，对溃坝抢护措施可供选择的范围也会大得多。例如1975年8月，因台风暴雨特别集中而造成的板桥、石漫滩等水库溃决，当时若通信设施稍微完善一些，就会为下游居民躲避灭顶之灾提供一定的时间，就会少淹死数以万计的人员。又如2008年为解除汶川大地震所形成的堰塞湖可能溃决的风险，竟然能够采用现代大型运输直升机将单台重达十几吨的大型挖掘机40余台从空中吊运到唐家山堰塞体顶上，同时空运上百名武警水电战士到现场操作，从而快速开凿导洪渠，使降低堰塞湖水位成为可能，这充分表明现代经济社会技术实力雄厚对溃坝抢险的巨大作用。

区分不同的环境，采取相应的对策是每一座大坝的管理者应当认真细致考虑研究的问题。对环境认识得越深透，区分得越明确，溃坝应急对策就可能制订和实施得越有效。

四、溃坝运作管理

通过上述对溃坝系统、溃坝动力与溃坝环境的分析讨论，使我们进一步认识了溃坝系统的特点与复杂性。该系统不仅软硬兼有，人事物交融混合，而且系统及其组成子系统的边界模糊，难以绝然划开独立运作。系统的运作范畴属时空同在的多维动态系统。根据人们多年的实践经验，每遇溃坝事件发生，所要采取的运作管理内容主要有：①组织出险坝工抢护，②可能淹没地区人员避险，③灾害救援。显然，为要做好这三方面工作，需要对溃前、溃中与溃后全过程进行全面的组织协调，而不是仅仅停留在临溃现场这一个很小的时空范围内。有鉴于此，单凭个人或少数几个人的大脑记忆与思考是很难同时做好这三方面工作的。为此，笔者提出要借助现代科学技术（主要指系统工程与计算机）为每一座已建大坝创建专家系统，以此来应对溃坝事件。

专家系统（expert system）的基本概念和内容是对一些比较复杂的事件专门开发出一套应对的计算机程序，以弥补人类单个人的记忆、经验和技术能力的不足，且能实现快捷反应的目的。像溃坝这类突然发生、随机性强、影响因素众多的系统运作，就可以根据“以慢对快，以静待变”的策略思想，在平时组织有关专家设计编制出一套周全的应对程序，储存在光盘中，交由每一座大坝的运行管理者随时随地调出使用。专家系统中知识库的知识来自本专业领域（包括本大坝工程）的专家群体深思熟虑、反复切磋而提供的信息、技术和方法等多个方面，能够通过自身预设的推理路线，运用科学判断和优选办法把应对的方法措施以简明易懂的表达方式，如图文并茂、声形俱备等形式告知询问者，这样给出的各种意见比少数几个专家临场匆忙思考给出的指挥调度意见要有效和可靠得多，比企图从远程进行遥控指挥少了许多环节，更加直接灵活，可以反复从不同角度询问，及时获得更加切合实际的答案。

创建思路是首先对溃坝系统的边界进行界定，明确系统的组成元素与环境联系，然后成立一个由熟悉本专业的系统工程专家（3～5人）和熟悉计算机程序编制专家（2～3人）组成的创建工作小组开展工作。至于外围咨询专家可依据创建进程，采取短期聘用方式，以某一个单项内容开展研究、设计或试验等工作内容，还可采用书面或会议方式进行更广泛的咨询，听取更多专家意见。

专家系统结构内容大体有：①信息系统（如坝情、地情、水情、人情、物情及大坝周边经济自然环境等），②推理系统（如各种判断推理，各种构件承载能力计算推理，各种工程措施设计推理及可能应变推理等），③评估系统（如各种影响评估、效果评估、安全评估等），④图纸影像系统（如工程设计图纸、施工安装图纸、交通通信网络图纸、施工操作影像等），⑤计算机自身维护、操作、执行系统。

专家系统运行程序相互联系概念如图2所示：

初创时可先以一个具体水库大坝为对象，设计编制出一套能满足本大坝未来可能溃坝时的各种对策措施程序，然后以此为基础推向其他各式各样的水库大坝，逐步走向通用化。最后还可以针对日后实际发生的新情况、新问题，逐年加以补充修改完善。

专家系统内容丰富，把各种时空环境下的所有溃坝的各式各样问题的解决方案（即预案）事先设计编制于其中，各种方案之间联系紧密，环环相扣，为完成这样一个庞大复杂的系统设计与程序的编制，将会运用到几乎所有传统常规的科技知识（如水文学、水力学、土力学、数学等）、现代较新的科学技术（如系统工程、计算机、模糊数学、灰色系统等）以及已有设计研究成果（如大坝枢纽规划设计文献、图纸与资料、地理信息系统、风险图等）。为了获得一些经验数据，还可以开展有代表性的已溃坝实地回访调查。为降低初期创建开发的难度，事先可以把专家系统限定在问什么答什么的较低智能水平上。如有必要，还可以把溃坝专家系统扩充为整个大坝日常全面运行管理的功能软件。