土石坝溃决风险标准研究与应用

蔡 荨 ，王昭升 ，彭雪辉

（1.水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，210029，南京；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，210029，南京）

一、土石坝溃决风险标准

我国现有的风险标准依据水库失事后果进行考量， 将风险用容许线、 目标线分割为不可接受风险区、可容忍风险区和可接受风险区。 对于不可接受风险区采用强制措施降低风险， 对可容忍风险区应用ALARP原则降低风险。

风险标准采用失效概率与损失关系曲线即F-L 线法划分，我国风险标准采用中立型风险，风险标准由失效概率及合理的容许风险控制指数决定。

风险评价对象一般包括生命损失、经济损失及社会环境影响，其中生命损失一般通过风险人口与经验公式估算， 结果存在较大不确定性。本文提出将生命损失风险细化，增加风险人口（PAR）评价指标，即土石坝溃坝风险评价标准包括生命损失风险指标（LOL）、影响人口风险指标（PAR）、经济风险指标（DT）及社会与环境影响指标（ISE）。

1.溃决概率标准

《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（GB 50199—2013） 列出了土石坝建筑物级别与溃坝概率关系。该标准重点是为了体现对不同级别建筑物的不同重视程度而拟定的。 由于土石坝的实际溃坝概率与建筑物级别并无必然联系， 若溃坝概率相同，不论是几级建筑物，其风险都同样大，从偏安全考虑，风险标准研究统一采用1 级建筑物的可靠度指标，即近似取溃坝概率Pf<1×10-4的土石坝工程是安全的，溃坝概率Pf≥1×10-4的工程不安全。 为获得可接受、可容忍与不可接受风险区间，确定了工程可靠度分级标准，如表1 所示。

表1 工程可靠度分级标准

2.生命损失（LOL）指标

根据我国《生产安全事故报告和调查处理条例》， 安全生产事故的生命损失分为四级。 由分级标准可知，生命损失在3 人以内认为是一般事故，3 人以上为较大事故，因此将临界生命损失人数定为3 人。

将临界生命损失人数3 人分别与工程可靠度界限值相乘获得土石坝风险目标线、容许线及高风险线相应生命损失风险值。 因此，生命损失风险评价标准确定为：生命损失风险CL<0.000 03 人是可以接受的，且当水库大坝溃坝概率低于1×10-5时，大坝是相当安全的， 以一条水平线划分，以其以下部分为Ⅳ级可接受风险区；0.000 03≤CL<0.003 人为Ⅲ级可容忍风险区；0.003≤CL<0.03 人为Ⅱ级不可接受风险区；CL≥0.03 人为Ⅰ级极高风险区。

3.影响人口（PAR）指标

影响人口是衡量水库风险的重要因素， 目前暂无相应标准与文献参考。 统计我国水库突发事件转移人数，采用皮尔逊-Ⅲ型曲线配线， 配线计算见表2，频率曲线拟合见图1，观察曲线可知，频率曲线与经验点据配合较好。

图1 经验点据配线图

由表2 可知，转移人数为295 人以下的突发事件发生频率在90%以上， 为公众所能接受的经常性事件，并且普通城市的供水、灌溉、发电等保证率大部分在90%以上，将风险人口的“保证率”定为90%是合适的。 因此， 将临界风险人口定为300 人，低于300 人为一般事件，高于300 人为较重大事件。 将影响人口临界值与工程可靠度界限值相乘获得影响人口风险分级界限。 影响人口风险评价标准确定为：影响人口风险CP<0.003 人是可以接受的，且当水库大坝溃坝概率低于1×10-5时， 大坝是相当安全的，以一条水平线划分，并以其下部分为Ⅳ级可接受风险区；0.003≤Cp<0.3 人为Ⅲ级可容忍风险区；0.3≤Cp<3 人为Ⅱ级不可接受风险区；Cp≥3 人为Ⅰ级极高风险区。

表2 皮尔逊-Ⅲ型频率曲线选配计算表

4.经济损失（DT）指标

根据我国《生产安全事故报告和调查处理条例》， 安全生产事故的经济损失分为四级。 经济损失在1 000万元以内认为是一般事故，1 000 万元以上为较大事故，因此将临界经济损失定为1 000 万元。 将经济损失临界值与工程可靠度界限值相乘获得经济损失风险分级界限。 经济风险评价标准确定为：经济损失风险CD<0.01万元是可以接受的， 且当水库大坝溃坝概率低于1×10-5时，大坝是相当安全的，以一条水平线划分，并以其下部分为Ⅳ级可接受风险区；0.01 万≤CD≤1 万元为Ⅲ级可容忍风险区；1万≤CD<10 万元为Ⅱ级不可接受风险区；CD≥10 万元为Ⅰ级极高风险区。

5.社会与环境影响（ISE）指标

土石坝溃坝对社会与环境影响涉及的因素十分复杂，《水库大坝安全管理应急预案编制导则》（SLZ 720—2015） 中推荐采用社会与环境影响指数ISE衡量，该指数综合考虑了溃坝洪水对下游河道、生物及生物栖息地、 人文景观与工业影响等。 一般将社会与环境影响指数分为四级。

当社会与环境影响指数小于10认为是一般事故， 高于10 为较大事故，因此将临界社会与环境影响指数定为10。将社会与环境影响指数临界值与工程可靠度界限值相乘获得社会与环境影响分级界限。 因此，社会与环境影响风险评价标准确定为：社会与环境影风险CI<0.000 1 是可以接受的，且当水库大坝溃坝概率低于1×10-5时，大坝是相当安全的，以一条水平线划分，并以其下部分为Ⅳ级可接受风险区；0.000 1≤CI<0.01 为Ⅲ级可容忍风险区；0.01≤CI<0.1 为Ⅱ级不可接受风险区；CI≥0.1 为Ⅰ级极高风险区。

将上述指标同时绘制成一张土石坝风险标准图，见图2。

图2 我国土石坝风险标准

当风险指标位于不同风险等级时，取最高风险指标对应的风险等级作为土石坝风险等级。 当风险任意指标位于Ⅰ级极高风险区或Ⅱ级不可接受风险区时，必须采取强制措施降低相应风险；当风险任意指标位于Ⅲ级可容忍风险区时， 可根据ALARP原则尽量降低水库风险；当风险所有指标均位于Ⅳ级可接受风险区时，可不采取降低风险措施，进行日常巡视检查监测，控制土石坝风险，保障水库大坝安全。

二、水库风险评估案例

1.工程概况与下游社会经济情况

某水库是一座以防洪为主，结合灌溉、 发电等综合利用的水利工程。枢纽工程主要由大坝、泄洪闸、泄洪放空洞、泄洪渠、副坝、电站等建筑物组成。 工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2 级，次要建筑物电站级别为4 级。 水库正常蓄水位23.16 m；设计洪水标准为100 年一遇，设计洪水位32.56 m；校核洪水标准为10 000 年一遇，校核洪水位35.03 m。

大坝坝型为土石坝（扩大黏土心墙砂壳坝），坝顶高程36.26 m，防浪墙高程37.46 m，最大坝高 24.1 m，坝顶宽度10 m，坝顶长度575 m，坝轴线位于防浪墙上游侧。 大坝防渗墙截渗处理采用低弹模混凝土防渗墙型式。

调查与水库防洪密切相关的地区，确定水库防洪保护区范围统计下游社会经济情况，下游社会经济情况见表3。

表3 下游社会经济情况汇总

2.风险计算方法与计算工况

水库主要溃坝模式为漫顶溃坝、上下游坝坡失稳溃坝以及渗透破坏溃坝，溃坝概率与溃坝损失参考《水库大坝安全管理应急预案编制导则》进行计算。

计算工况如下：

①正常蓄水位23.16 m （汛限水位）；

②设计洪水位32.56 m；

③校核洪水位35.03 m。

3.计算结果与分析

计算结果见图 3 及表 4。 分析如下：

图3 风险评估图

表4 风险计算结果

①当水库处于正常蓄水位（汛限水位以下）时，各风险指标均位于Ⅳ级低风险区域， 属于可接受的风险，与相应规范及水库管理经验认知相符，可不做处理。

②当洪水达到设计洪水标准时，即工况②， 由于库水的压坡作用，溃坝概率反而相较正常蓄水位有所降低，但溃坝造成的下游损失由于溃坝洪水量的增加而显著增高，风险有所上升， 因所有指标都未超过容许线，属于可容忍的Ⅲ级中风险区，应根据ALARP 原则确定是否采取降低风险措施。

③当洪水达到校核洪水标准时，此时溃坝概率由于漫顶可能性加大而有所升高， 同时下游可能的溃坝损失也在增大，水库风险大大提高，经济损失与影响人口指标已位于极高风险区，必须采取措施降低风险。 考虑水库及时发布相应预警，生命损失风险仍可相对保持在较低水平。

三、结 语

本文着眼于土石坝，依据我国国情、相关法规、工程管理经验、前人研究成果及实地调研溃坝数据，提出了土石坝溃决风险标准，包括生命损失风险标准、影响人口风险标准、经济损失风险标准及社会与环境影响标准， 提出了水库大坝风险管控原则。由工程实例风险评估结果表明，本文提出的风险评价标准符合土石坝风险实际情况，可用于作为评判土石坝风险高低的依据，为进一步完善我国土石坝溃决风险标准研究作出贡献。但本文提出标准为静态土石坝风险标准，应进一步研究其是否适用于水库调度运行的动态风险评估，并做相应的改进完善。