基于脆弱度的水库大坝风险评价

谷春雨

(辽宁西北发电有限责任公司东源电厂，辽宁 本溪 117200)

1 工程概况

碧流河水库是辽宁南部地区最大的水库，位于辽东半岛中部大连市和营口市的交界处，距离大连市约175km[1]。水库始建于20世纪70年代，集水面积1785km2，最大库容9.34亿m3。碧流河水库是一座以城市供水为主，兼具防洪、发电、养鱼、灌溉、旅游等多种功能的多年调节大(Ⅱ)型水利枢纽工程[2]。水库主体工程由1座主坝、3座副坝、3处泄水建筑物(溢洪道、输水洞、放水底孔)以及坝后式水电站组成。碧流河水库是大连市的重要供水水源，自建成投入运行以来，已经累计向大连市供水25亿m3。由于大坝建成时间较长，大坝的日常维护和管理任务艰巨[3]。因此，对碧流河水库大坝的风险进行量化评估具有重要意义和价值。

2 基于脆弱度的大坝风险指数计算模型

2.1 大坝脆弱度

脆弱度即水库大坝的脆弱程度，指大坝的安全缺陷程度或发生事故的程度[4]。与大坝溃决可能性不同，脆弱度关注的是大坝安全检查过程中发现的隐患，并整理为大坝的脆弱程度。由于大坝的安全隐患或可以诱发安全隐患的因素是复杂的和多维度的，所以首先需要对大坝单个缺陷的脆弱度进行计算，根据彭雪辉等人的研究成果[5]，其计算公式如下：

(1)

式中，Vi—单个缺陷脆弱度；C—不安全等级系数，实际缺陷取10，潜在缺陷取5；S1—大坝现状与标准之间差别，取值为0～1之间；S2—特征关联度，通常默认为1；S3—临时措施无效程度，通常默认为1；AEF—年超越率。

基于计算获得的单一缺陷脆弱度，通过加权计算，即可获得大坝系统破坏的脆弱度综合指数，其计算公式如下：

(2)

2.2 后果系数和等级划分

溃坝后果是大坝风险研究的重要内容。一般而言，溃坝后造成的损失主要有生命损失、经济损失以及社会和环境损失三方面。在本次研究中，生命损失的计算利用我国学者李雷、周克等人提出的李-周法[6]；经济损失中的直接损失用分类损失法计算，间接损失利用系数折算法进行计算，折算系数取0.65[7]；社会和环境影响计算根据王仁钟等人的研究成果进行[8]。

根据彭雪辉、李雷等人的研究成果，将溃坝后的损失进行分级，根据王仁钟的研究成果，将生命损失、经济损失以及社会和环境损失的权重设定为0.737、0.105和0.158，并由此获得溃坝后果系数以及综合级别，结果见表1。

表1 后果综合分级与后果系数

2.3 风险指数表示方法

基于水库的脆弱度综合系数和溃坝后果综合指数，计算获取大坝风险指数，其计算公式如下：

F=V总×10SJ

(3)

式中，F—大坝风险指数；V总—脆弱度综合指数；SJ—溃坝后果综合指数。

3 风险计算与评价

3.1 大坝缺陷脆弱度综合指数计算

鉴于碧流河水库设施工、运行方面的具体资料十分有限，研究中主要依据大坝的安全鉴定报告以及现场巡查记录，通过和相关专家进行讨论，获得大坝的实际缺陷和潜在缺陷，然后依照模型中的脆弱度计算方法进行碧流河水库大坝的脆弱度计算，结果见表2。

3.2 后果系数确定

参照该领域的研究成果和相关工程经验，以碧流河水库管理局提供的安全鉴定报告、除险加固报告等资料，对水库的后果系数进行粗略计算。

对于生命损失，利用我国学者李雷、周克等人提出的李-周法，对碧流河水库的风险人口、洪水强度以及预警时间等参数进行设定，计算出水库的生命损失，具体计算步骤如下：首先，根据碧流河水库的安全鉴定报告，以及碧流河水库管理局所提供的资料确定水库的风险人口，并将其作为水库生命损失的主要依据之一；其次碧流河水库属于山区水库，坝高在30～70m之间，属于中坝，本次研究中以水库库容作为洪水强度计算的主要依据，并利用内插法计算获取洪水强度[9]；再次，关于洪水警报，相关学者的研究成果认为[10]，在预警时间小于15min时为无预警；预警时间在15～60min之间时为部分预警；在预警时间大于60min时，可以得到充分预警。本次研究选择预警时间为15min和60min两个时间节点进行生命损失计算，并将其均值作为生命损失的依据。按照上述步骤，碧流河水库生命损失的计算结果见表3。由于生命损失为165人，属于特别重大级别。

表2 碧流河水库大坝的脆弱度计算结果

表3 水库生命损失计算结果

关于经济损失的计算，碧流河水库管理局提供了所涉及的下游地区经济损失计算的农作物面积，重要交通基础设施以及居民点房屋损失面积等数据。根据当地城镇居民家庭的经济特征以及当地类似灾害造成的损失调查资料，综合后取每人9000元作为人均损失的指标，按照上述思路，计算获得碧流河水库的财产损失在3.21亿元，为特别重大级别。

在社会与环境影响方面，碧流河水库保护下游人口近11万人，农作物面积将近13万亩，周边还有众多交通干线和设施。利用王仁钟等人的研究成果，计算出碧流河水库的社会和环境影响指数为28.56，属于特别重大级别。

按照生命损失、经济损失以及社会和环境损失的权重设定为0.737、0.105和0.158，获得溃坝后果系数以及综合级别为3级。

3.3 风险指数计算

在确定了脆弱指数和后果系数之后，利用式(3)即可计算出碧流河水库的风险指数，其详细结果见表4。由表格中的结果可知，碧流河水库脆弱指数为5.16，说明其工程现状与设计标准比较接近，因此其发生溃坝的可能性不大，但是其溃坝后果系数为3，属于特别重大级别，说明一旦发生溃坝，将会对下游的生命、经济、社会以及环境造成巨大的影响。从风险指数计算结果来看，其风险水平为中等，加以加强对水库的日常维护和管理。

表4 碧流河水库风险指数计算成果

4 结语

本文以辽宁省碧流河水库大坝为例，提出了基于脆弱度的大坝风险评价模型。该模型减少了大坝风险分析过程中的不确定性，与以往的风险评价方法相比更具有操作性和实用性，可以将每次现场检查转化为一次大坝脆弱性分析，使大坝的管理维护效果和运行状态得到及时反馈，因此研究成果本身有助于水库管理者有针对性的进行水库大坝管理。当然，影响大坝系统的破坏因子错综复杂，特别是溃坝后果中的生命损失、财产损失以及社会环境影响三方面的统计计算十分复杂。本文研究仅依靠专家学者推荐的方法对其进行粗略计算，在后续研究中需要对溃坝后果分析方法进行深入研究和完善，以进一步提高工程应用价值。