小型震损水库溃坝风险分析研究
2014-11-28王丽学赵宁
王丽学 赵宁
摘要：为研究小型震损水库溃坝风险，对水库的溃坝路径、溃坝概率、溃坝后果进行分析，建立风险评价模型，最终确定其风险指数。在简单介绍此模型的基础上，通过实例说明其在水库风险分析中的应用，确定模型的实用性及便捷性。
关键词：事件数法；溃坝后果综合评价函数；溃坝概率；溃坝后果；风险指数
中图分类号：TV698.1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）06-0055-04
风险最早于19世纪末在西方经济学领域提出，现以广泛应用于自然灾害、社会学、建筑学、经济学等领域。风险分析是辨别并分析潜在损失发生的可能性以及后果严重性的一种过程，其目的在于事先给出分析对象的风险预报。溃坝风险分析的一般步骤为：识别溃坝风险-计算溃坝概率-分析溃坝后果-确定风险系数-提出建议。
1 识别溃坝风险
对震损水库进行风险分析，首先要把可能引起水库大坝破坏的所有危险找出来，然后确定哪些危险有可能发生，哪些危险较严重。从对历史溃坝资料的分析中得出大坝溃坝的主要原因，从而分析大坝的溃坝模式和溃坝路径，为下一步进行的溃坝概率和溃坝后果分析提供方向。
2 计算溃坝概率
根据小型震损水库坝体的特点，在确定溃坝模式与溃坝路径后，依据大坝安全鉴定、现场检查结果及专家的经验，由专家对溃坝路径中每个环节的事件发生概率进行赋值，溃坝路径下每一个环节发生概率的乘积即为此溃坝模式下的溃坝概率Pm。因此，小型震损水库总概率Pf，可近似采用不同模式下的溃坝概率之和来表示，即：
Pf=Pm （1）
3 分析溃坝后果
小型震损水库大坝的溃坝后果影响主要包括3个方面：生命损失、经济损失、社会及环境影响。溃坝后果的综合评价主要依靠综合评价函数L来确定。这个函数体现了溃坝生命损失、经济损失、社会及环境影响的综合影响，即：
L=W1C1=W1C1+W2C2+W3C3 （2）
式中：W1，W2，W3分别为生命损失、经济损失和社会与环境影响的权重系数，根据Saaty建议的1～9标度法（AHP法），结合小型震损水库的自身特点，最终确定生命损失、经济损失、社会及环境影响的严重程度系数分别为0.737，0.105，0.158；C1，C2，C3分别为生命损失、经济损失和社会环境影响的严重程度系数，根据函数y=（lgx）a计算。
3.1 生命损失及生命损失严重程度系数
3.1.1 生命损失的确定 溃坝损失最严重的是生命损失，除导致死者无辜的失去生命外，还造成幸存者心理恐慌、社会不安定等，其影响难以用经济指标来度量。结合小型水库坝体的特点，小型震损水库的生命损失可采用如下公式计算：
LI=0.075PAR0.56exp（-0.759Wr+3.790Fc-
2.223Wr×Fc） （3）
式中：LI为潜在生命损失；WT为警报时间，指从接到撤离通知至洪水到达前的时间段；PAR为风险人口，根据各种溃决条件下溃坝洪水所导致的淹没区中的人口确定；Fc为洪水强度，高坝、山区等高洪水风险区Fc=1，低坝、平原地区等低洪水风险区Fc=0。
3.1.2 生命损失严重程度系数的确定 生命损失的上限为100 000人，可分为5档：1～10，10～100，100～1 000，
1 000～10 000，10 000～100 000。函数y=（lgx）a赋值如表1所示。
从表1中可以看出，a=0.1与a=0.2均满足要求，为了强调生命损失的重要性，判定a=0.1因子，即小型震损水库生命损失严重程度系数Z1：
Z1=y1=（lgx）0.1 （4）
3.2 经济损失及经济损失严重程度系数
3.2.1 经济损失的确定 溃坝经济损失包括直接经济损失和间接经济损失。直接经济损失包括水库工程损失所造成的经济损失和溃坝洪水直接淹没造成的可用货币计量的各类损失；间接经济损失指直接经济损失以外的可用货币计量的损失，主要包括由于采取各种措施而增加的费用。根据我国的经济模式，可以确定经济损失=直接经济损失+间接经济损失=1.63×直接经济损失。
3.2.2 经济损失严重程度系数的确定 经济损失的上限可以定为100亿元人民币，分为10万元、100万元、1 000万元、10 000万元、100 000万元、1000 000万元5档。将函数稍做变化，得
y=
lga （5）
根据不同地区经济损失重要性，模型中a的取值应有所区别。以四川安县小型震损水库为例，四川省位于我国西部，结合其经济结构模式，判定a=0.4因子，即小型震损水库经济损失严重程度系数Z2为：
Z2=y2=
lg0.4 （6）
3.3 社会与环境影响及其严重程度系数
社会环境影响是一个非常广泛的概念，往往只能依据专家判断给出一个模糊的判断。如表2所示，将大坝溃决所造成的社会环境影响进行分类，从8个方面去定量分析。
社会与环境影响系数Z可采用等权乘积法表示：
Z=R×C×S×X×H×Q×I×W （7）
社会影响严重程度系数Z3可表示为：
Z3=y3=（lgz）a （8）
4 确定风险系数
溃坝对生命、经济、社会与环境造成的风险R为溃坝概率Pf与相应溃坝后果L的乘积，即：
R=PfL （9）
式中：Pf为溃坝概率，一般是很小的数；L为溃坝后果综合评价函数，其值小于1。为直观起见，式（9）中乘以放大倍数1 000后，求得小型震损水库的溃坝总概率和溃坝后果严重程度系数。可按下式计算水库的风险指数R0：
R0=1 000PfL （10）
1） 当R0<0.1时，溃坝概率小于10-4，风险很低，无需采取除险措施。
2） 当R0>1.0时，水库风险极高，不可容忍，需立即采取除险措施降低风险。
3） 当0.1≤R0≤1.0时，风险不可忽视，需根据溃坝风险大小依次进行风险处理。
5 工程实例
丰收水库位于东经104.17°、北纬31.30°，地处安县秀水镇红桂村境内，水库大坝位于老罐窝，属凯江水系雎水左岸一分支流，距安县县城20 km。坝址海拔高程615～650 m，水库来水一部分为坝址以上集雨面积0.8 km2的当地径流，另一部分通过二大渠从雎水河引水，设计总库容196.0万m3，为年调节水库，是一座以灌溉为主、兼有养鱼综合效益的水库工程。丰收水库30年一遇洪峰流量20.4 m3/s，洪水总量20.1万m3，500年一遇洪峰流量29.9 m3/s，洪水总量33.0万m3。
“5·12”地震时，丰收水库处于正常蓄水位运行状态，“5·12”地震发生后，坝体产生了一系列震生裂缝，平行于坝轴方向最大的纵裂缝贯通长度166 m，缝宽50～60 cm，可见深度3.3～3.9 m，其余的纵缝均呈断续状延伸至与最长纵缝相近的范围；在坝顶及上、下游坝坡产生了一系列的横裂缝；坝顶砼砌块碎裂，坝顶最大沉陷变形量为0.69 m。
5.1 识别溃坝路径
根据初始事件、破坏模式和破坏原因或机理，建立正常事件、洪水事件和地震事件破坏路径（见表3），进而构成事件树。
5.2 计算溃坝概率
估算加固前溃坝总概率Pf=0.000 916（见表4）。
5.3 分析溃坝后果
首先，确定风险人口PAR。水库位于秀水镇镇内，秀水镇人口约4.5万人。
根据前面的理论公式与赋值原则，得出溃坝后果各项指数，详细数据见表5。
5.4 计算风险指数
确定丰收水库的风险指数R=PfL=0.000 916×0.770 8=0.000 741 509 6，放大1 000倍以后R0=1 000×PfL=0.741 509 6∈（0.1，1.0），风险较小，可暂缓加固。
6 结论
通过分析小型震损水库溃坝概率及溃坝后果，提出小型震损水库溃坝风险评价模型，并依据此模型分析四川安县丰收水库的溃坝风险，经计算分析，其风险较小，可以延缓加固。
参考文献
[1] 何晓燕，孙丹丹，黄金池.大坝溃决社会及环境影响评价[J].岩土工程学报，2008，11（11）：1 752-1 757.
[2] 李雷，王仁钟，盛金保.溃坝后果严重程度评价模型研究[J].安全与环境学报，2006，6（1）：1-4.
[3] 严磊.大坝运行安全风险分析方法研究[D].天津：天津大学，2011.
R0=1 000PfL （10）
1） 当R0<0.1时，溃坝概率小于10-4，风险很低，无需采取除险措施。
2） 当R0>1.0时，水库风险极高，不可容忍，需立即采取除险措施降低风险。
3） 当0.1≤R0≤1.0时，风险不可忽视，需根据溃坝风险大小依次进行风险处理。
5 工程实例
丰收水库位于东经104.17°、北纬31.30°，地处安县秀水镇红桂村境内，水库大坝位于老罐窝，属凯江水系雎水左岸一分支流，距安县县城20 km。坝址海拔高程615～650 m，水库来水一部分为坝址以上集雨面积0.8 km2的当地径流，另一部分通过二大渠从雎水河引水，设计总库容196.0万m3，为年调节水库，是一座以灌溉为主、兼有养鱼综合效益的水库工程。丰收水库30年一遇洪峰流量20.4 m3/s，洪水总量20.1万m3，500年一遇洪峰流量29.9 m3/s，洪水总量33.0万m3。
“5·12”地震时，丰收水库处于正常蓄水位运行状态，“5·12”地震发生后，坝体产生了一系列震生裂缝，平行于坝轴方向最大的纵裂缝贯通长度166 m，缝宽50～60 cm，可见深度3.3～3.9 m，其余的纵缝均呈断续状延伸至与最长纵缝相近的范围；在坝顶及上、下游坝坡产生了一系列的横裂缝；坝顶砼砌块碎裂，坝顶最大沉陷变形量为0.69 m。
5.1 识别溃坝路径
根据初始事件、破坏模式和破坏原因或机理，建立正常事件、洪水事件和地震事件破坏路径（见表3），进而构成事件树。
5.2 计算溃坝概率
估算加固前溃坝总概率Pf=0.000 916（见表4）。
5.3 分析溃坝后果
首先，确定风险人口PAR。水库位于秀水镇镇内，秀水镇人口约4.5万人。
根据前面的理论公式与赋值原则，得出溃坝后果各项指数，详细数据见表5。
5.4 计算风险指数
确定丰收水库的风险指数R=PfL=0.000 916×0.770 8=0.000 741 509 6，放大1 000倍以后R0=1 000×PfL=0.741 509 6∈（0.1，1.0），风险较小，可暂缓加固。
6 结论
通过分析小型震损水库溃坝概率及溃坝后果，提出小型震损水库溃坝风险评价模型，并依据此模型分析四川安县丰收水库的溃坝风险，经计算分析，其风险较小，可以延缓加固。
参考文献
[1] 何晓燕，孙丹丹，黄金池.大坝溃决社会及环境影响评价[J].岩土工程学报，2008，11（11）：1 752-1 757.
[2] 李雷，王仁钟，盛金保.溃坝后果严重程度评价模型研究[J].安全与环境学报，2006，6（1）：1-4.
[3] 严磊.大坝运行安全风险分析方法研究[D].天津：天津大学，2011.
R0=1 000PfL （10）
1） 当R0<0.1时，溃坝概率小于10-4，风险很低，无需采取除险措施。
2） 当R0>1.0时，水库风险极高，不可容忍，需立即采取除险措施降低风险。
3） 当0.1≤R0≤1.0时，风险不可忽视，需根据溃坝风险大小依次进行风险处理。
5 工程实例
丰收水库位于东经104.17°、北纬31.30°，地处安县秀水镇红桂村境内，水库大坝位于老罐窝，属凯江水系雎水左岸一分支流，距安县县城20 km。坝址海拔高程615～650 m，水库来水一部分为坝址以上集雨面积0.8 km2的当地径流，另一部分通过二大渠从雎水河引水，设计总库容196.0万m3，为年调节水库，是一座以灌溉为主、兼有养鱼综合效益的水库工程。丰收水库30年一遇洪峰流量20.4 m3/s，洪水总量20.1万m3，500年一遇洪峰流量29.9 m3/s，洪水总量33.0万m3。
“5·12”地震时，丰收水库处于正常蓄水位运行状态，“5·12”地震发生后，坝体产生了一系列震生裂缝，平行于坝轴方向最大的纵裂缝贯通长度166 m，缝宽50～60 cm，可见深度3.3～3.9 m，其余的纵缝均呈断续状延伸至与最长纵缝相近的范围；在坝顶及上、下游坝坡产生了一系列的横裂缝；坝顶砼砌块碎裂，坝顶最大沉陷变形量为0.69 m。
5.1 识别溃坝路径
根据初始事件、破坏模式和破坏原因或机理，建立正常事件、洪水事件和地震事件破坏路径（见表3），进而构成事件树。
5.2 计算溃坝概率
估算加固前溃坝总概率Pf=0.000 916（见表4）。
5.3 分析溃坝后果
首先，确定风险人口PAR。水库位于秀水镇镇内，秀水镇人口约4.5万人。
根据前面的理论公式与赋值原则，得出溃坝后果各项指数，详细数据见表5。
5.4 计算风险指数
确定丰收水库的风险指数R=PfL=0.000 916×0.770 8=0.000 741 509 6，放大1 000倍以后R0=1 000×PfL=0.741 509 6∈（0.1，1.0），风险较小，可暂缓加固。
6 结论
通过分析小型震损水库溃坝概率及溃坝后果，提出小型震损水库溃坝风险评价模型，并依据此模型分析四川安县丰收水库的溃坝风险，经计算分析，其风险较小，可以延缓加固。
参考文献
[1] 何晓燕，孙丹丹，黄金池.大坝溃决社会及环境影响评价[J].岩土工程学报，2008，11（11）：1 752-1 757.
[2] 李雷，王仁钟，盛金保.溃坝后果严重程度评价模型研究[J].安全与环境学报，2006，6（1）：1-4.
[3] 严磊.大坝运行安全风险分析方法研究[D].天津：天津大学，2011.
