黄河上游某水电站初期导流标准风险分析

林万旭,韩鹏辉,王琳琳,孙 斌

(1.西北水利水电工程有限责任公司，西安 710065；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；3.西安文理学院数学与计算机工程学院,西安 710065)

1 工程概述

黄河上游某水电站位于青海省海南州兴海县与同德县交界处的黄河峡谷内，是以发电为主的特大型水电工程，枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、右岸溢洪道、右岸放水洞、坝后消力塘、左岸泄洪洞及左岸地下引水发电系统组成。最大坝高257.5 m，水库总库容44.74×108m3，电站装机容量2 600 万kW。

工程可研阶段采用全年土石围堰挡水、左岸一条低导流洞与尾水洞结合+左岸高导流洞与竖井旋流泄洪洞结合的施工导流方案，其初期导流由全年土石围堰挡水，左岸低导流隧洞导流；中期大坝度汛由坝体临时断面挡水，左岸低导流隧洞泄流；后期低(导流洞下闸后)导流洞堵头施工期由二期面板以下坝体挡水、左岸旋流导流洞与放水洞联合泄流，左岸旋流导流洞下闸后由二期面板以下坝体挡水、右岸放水洞泄流。

工程围堰使用年限为3 a，按初期导流标准4项指标确定导流建筑物级别为3级，土石类围堰相应的初期导流洪水设计标准为50～20 a，导流标准的选择从水文气象条件、技术经济比较、工程类比等方面进行了综合分析与比较，同步进行了初期导流标准风险度分析，本文简要介绍工程初期导流标准风险度分析。

2 施工导流系统动态综合风险

施工导流贯穿于整个工程施工的全过程，它对工程的总投资、施工进度及整个工程如何安全、可靠、合理地实施有着十分重要的影响[1]。作为控制施工期河道水流的临时性建筑物，可能遭遇的洪水是随机事件，不论选择何种导流标准，都存在发生超标准洪水的可能性，因此，导流标准的选择其本质是风险决策问题，可用风险分析的方法予以解决[2]。

2.1 导流系统风险率

对于土石类围堰，在导流时段内遭遇超标准洪水时，由于超过导流泄水建筑物泄流能力而使堰前水位超过堰顶，导致围堰失事，导流系统不能发挥作用[3]。因此，导流系统风险也就是围堰施工及使用期内堰前水位超过堰顶高程的可能性，即为导流系统风险率[4]。围堰的堰前水位超过围堰设计挡水位的风险率R为：

R=P(Zup≥Hupcoffer)

(1)

式中：Zup为上游围堰堰前水位；Hupcoffer为上游围堰设计挡水位。

当量洪水重现期为：

Te=1/R

(2)

2.2 导流系统动态综合风险率

根据工程导流设计资料，考虑水文、水力等不确定性因素影响，采用Monte-Carlo方法模拟施工洪水过程和导流建筑物泄流，统计分析确定围堰上游水位分布和围堰的挡水高度对应的风险[3]。在围堰的使用运行年限内，n年内遭遇超标准洪水的动态综合风险率R(n)为：

R(n)=1-(1-R)n

(3)

式中：R(n)为n年内遭遇超标准洪水的动态综合风险率；R为堰前水位超过围堰设计挡水位的风险率[5]。

3 初期导流标准决策目标及目标值的计算方法

动态综合风险率随导流标准提高而降低，但动态综合风险率不能给决策者提供选择多大的风险度最值得及有无所选风险度的承受能力，即没决策目标值。为此本文以经济因素(备选方案的导流工程预期总费用E)为决策目标进行单目标风险分析，其原则是选取在风险发生后对工程造成的期望损失费用D与导流工程投资费用C之和最小的方案为最优方案。

3.1 风险假定

施工导流过程中涉及到的风险主要有洪水风险、泄流风险、结构安全风险和工期风险[6]。根据中国水电工程经验，导流工程遭遇超标准洪水导致溃堰造成损失的风险比较大，据此本文仅考虑遭遇超标洪水时导流建筑物的风险。

工程围堰挡水度汛3个汛期，围堰的风险期为3 a，各年遭遇超标洪水溃堰工况组合及相应发生概率计算式见表1。

表1围堰工程遭遇超标洪水的工况组合及相应概率计算式表

注：√代表溃堰；○代表运行正常；R1、R2、R3代表围堰每年遭遇超标洪水的概率。

3.2 概率计算

利用概率的并集计算公式、动态综合率风险公式组成联合方程组求解表1各工况围堰每年遭遇超标洪水的概率[7]，假设P(R1)=R1，P(R2)=R2，P(R3)=R3，具体方程组如下：

R(1)=1-(1-R)1=R=R1

(4)

R(2)=1-(1-R)2=2R-R2

(5)

R(3)=1-(1-R)3=R3-3R2+3R

(6)

(7)

(8)

求解上述方程组可得R1=R2=R3=R，由此可求得表1中的概率P。

3.3 决策目标值的计算方法

初期导流标准风险分析以备选方案导流工程预期总费用为决策目标值[8]，以决策目标值最小者为优选方案，预期总费用包括导流工程投资费用和期望损失费用(遭遇超标洪水时溃堰造成的各项损失费用之和)[9]。

导流工程的预期总费用E计算式：

E=C+Cp

(9)

式中：E为导流工程的预期总费用；C为确定型投资费用，包括挡水、泄水建筑物及基坑的抽排水费用等；Cp为期望损失费用。

期望损失费用Cp为溃堰造成的各项损失，其计算式为：

Cp=Cp1+Cp2+Cp3+Cp4+Cp5

(10)

式中：Cp1为修复上、下游围堰的费用；Cp2为基坑再次抽排水的费用；Cp3为基坑清淤的费用；Cp4为工期延迟导致的发电损失费用；Cp5为其它损失费用。

4 风险分析过程

4.1 备选导流方案及溃堰风险损失费用

初期导流标准选择方案以洪水重现期分别为50年、30年、20年一遇3个标准对应方案作为备选方案，根据导流建筑物布置、施工条件及围堰度汛要求，并经围堰施工强度分析论证，以围堰最大高度不超过70 m确定3个标准对应导流工程规模。3个标准对应导流工程特性见表2。

表2 3个导流标准对应方案特性表

根据围堰的动态综合风险率，利用概率数对不同导流标准的期望损失费用进行计算，计算结果分别见表3～5。

4.2 初期导流标准的确定

根据以上计算成果，列出50年、30年、20年一遇洪水标准对应导流工程预期总费用工程对比表，详见表6。由表6可知，就初期导流标准以经济因素为目标进行风险决策，采用30年一遇洪水标准时损失期望值最小，故为推荐导流标准。当然风险分析仅是初期导流标准选择的一项决策目标，鉴于本项目导流工程技术复杂，初期导流标准的选择同时从水文气象条件、技术经济比较、工程类比等方面进行了研究分析，经综合研究推荐初期导流标准采用30年一遇。

表3 50年洪水重现期的期望损失费用计算成果表

表4 30年洪水重现期的期望损失费用计算成果表

表5 20年洪水重现期的期望损失费用计算表

表6 不同导流标准的导流工程预期总费用E表

5 结 语

水电工程施工导流建筑物设计洪水标准选择的本质是风险决策问题，可用风险分析的方法予以解决。据DL/T5397-2007《水电工程施工组织设计规范》中有关规定选定的导流标准只能定性地说明“标准、费用、风险”三者的关系，但不能给决策者提供明确的决策目标值。而通过风险分析，应用风险分析理论，能科学地找出“标准、费用、风险”三者的定量关系，有效地判断所选设计标准的合理性，可为初期导流标准的选择提供决策依据。采用风险分析方法使初期导流标准的选择更科学化与合理化。本文公式推导成果及风险分析方法在大、中型水电工程中值得推广应用。