雅砻江锦屏一级大坝运行安全风险管控技术研究与应用

2022-08-24李啸啸冯永祥

大坝与安全 2022年3期

李啸啸，冯永祥

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都，610056）

0 引言

锦屏一级水电站位于四川省盐源县和木里县境内雅砻江干流上，是雅砻江干流中下游水电开发的控制性水库梯级。大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高305.0 m，是目前世界已建成运行的第一高坝。锦屏一级水电站地处深山峡谷地区，地质条件复杂，具有特高拱坝、特高水头、特高边坡、高山峡谷、高地应力和深部卸荷等“五高一深”的技术特点，工程规模和技术指标远超现行拱坝设计规范界定范畴，大坝建设难度与复杂性均超越现有认知水平。如何保障大坝在高水头、高地应力和强震等复杂环境条件下长期安全稳定运行，是目前大坝运行安全管理面临的重大挑战。

雅砻江公司高度重视大坝安全管理工作，统筹考虑大坝工程安全与社会公共安全。通过识别分析锦屏一级大坝运行安全风险，组织开展风险管控关键技术研究，建立大坝运行安全风险管理体系，有效实现风险管控，为公司大坝安全管理科学决策提供了技术支持[1-2]。

1 大坝运行安全风险识别

大坝运行安全风险识别是风险管理的基础环节。风险识别包括对风险事件、引发因素和范围的确定[1]，大坝运行安全风险识别主要任务是确定主要影响因素及潜在失事模式和路径。

1.1 主要风险因素

锦屏一级大坝运行安全风险影响因素可概括为工程因素、人为因素和环境因素3个部分[1,5-7]。

工程因素主要表现在大坝防洪设防标准不足、坝体质量较差等方面。大坝在勘察、设计、施工过程中，由于地质条件勘察不明、设计不合理、局部质量控制不严等，在外部不利动荷载作用下可能发生局部坝基变形、坝体开裂和边坡滑坡等事故。

人为因素主要表现在管理问题和非工程措施不完善等方面。在大坝安全管理工作中，监测设施运行维护不到位会影响监测数据准确采集，不能及时反映大坝运行性态；泄洪设施维护不当可能导致泄洪建筑物不能正常泄洪或闸门不能开启，以致洪水漫坝及荷载超过设计荷载，并可能叠加其他缺陷因素导致坝体失稳；应急预案编制不符合实际等。

环境因素包括自然环境因素和社会环境因素。自然环境因素包括超标准洪水、特大暴雨、超设计标准地震、重大地质灾害、上游大体积漂移物堵塞或撞击泄洪建筑物等；社会环境因素包括战争、恐怖袭击等[1]。

1.2 失事模式和路径

分析国内外水库电站大坝失事案例，混凝土坝溃坝模式多表现为漫顶、大坝结构破坏等（约占总溃坝案例的85%[8]）。结合锦屏一级大坝实际运行情况，大坝潜在失事模式包括漫坝、拱肩破坏、坝体破坏和坝基破坏。在超标准洪水、地震、结构施工及设计不足等因素下，失事路径可主要概括为以下4种情况（具体原因及事件导致失事路径可进一步细化）：（1）大坝泄洪设施故障或泄洪能力不足，水库水位快速上升，造成漫顶；（2）大坝结构应力超限、止水破坏或大体积物体撞击，造成坝体结构破坏；（3）坝基受基岩疲劳破坏、扬压力异常和软弱面开裂等影响，造成坝基破坏；（4）拱肩岩体（边坡）失稳，造成拱肩破坏。根据发展过程，上述失事模式和失事路径可能产生不同等级的失事后果，严重的将导致大坝溃决。

各种风险影响下，锦屏一级大坝从出现险情到溃坝均存在中间发展过程，其中在遭遇超抗震设防标准地震和战争打击的情况下，可能会出现快速溃坝风险，可能的溃决形式是坝体与坝基产生错动，在坝基形成过流通道，大幅降低坝体的稳定性，加上坝体结构破坏产生的坝体开裂等，在坝上游强大的水压力作用下，坝体局部出现滑动或缺口，最终导致坝体大范围滑动、坍塌后发生大坝溃决。

2 大坝运行安全风险管控关键技术

基于锦屏一级大坝风险因素识别情况，雅砻江公司依托多课题研究成果，开展了大坝运行安全风险管控关键技术研究，建立了包括多源信息感知、分析、预警、应急处置的完善的风险管控体系。

2.1 信息感知

锦屏一级大坝设有全面的安全监测项目，在传统仪器、传感器技术基础上，探索研究GNSS、无人机和人工智能等技术以实时感知大坝运行性态和环境风险因素等多源信息。

（1）GNSS：针对锦屏一级大坝、库区滑坡体（变形体）位移实时、动态、全天候监测预警需要，以北斗/GPS双星系统融合的高精度平面位移变形监测技术为基础，通过改进北斗/GPS数据质量控制方法，建立环境自适应模型，优化数据处理算法，研发了GNSS变形监测系统。其中，自主研发的高精度接收机实现了毫米级载波相位观测、大容量存储、多个通讯接口和多种传输协议功能；自主研发的高精度测量天线涵盖了BD（B1、B2）和GPS（L1、L2）双星四频，满足目前测量设备多系统兼容的需求；布设在监控中心的信息系统进行数据处理和显示，最终实现现场数据处理、管理、灾害监测与预警等。

（2）无人机+智能图像识别：通过无人机进行边坡图像采集，利用局部特征匹配算法（SIFT、SURF等），实现多图层（地形坡度、植被发育、结构面、岩体松动）数字信息融合的3D大场景重建；采用深度学习目标识别网络框架，在多图层融合建模实现目标物的识别、分类和分割（见图1）；在高清语义信息库中，实现快速、智能分析边坡安全隐患（危岩体分布、不稳定区等），并对边坡安全稳定性进行评价与预警。

图1 边坡危岩体实例分割（智能图像识别）Fig.1 Segmentation of the unstable rock mass in slope(intelligent image recognition)

（3）流域水情自动测报：雅砻江流域水情自动测报系统由遥测站和中心站组成。中心站是系统的功能集成地，负责信息接收处理、数据库管理及为水情预报和信息服务提供软硬件平台；遥测站布设在流域现场，包括水文（位）站、雨量站和自动气象遥测站等，覆盖范围占雅砻江全流域的75.7%。该系统能准确、及时地收集水雨情信息，完成长、中、短期水文预报，为现场水情测报、水库调度等提供决策支持（见图2）。

图2 水情自动测报系统工作流程Fig.2 The automatic hydrologicalforecasting syst em workflow

（4）地震监测：雅砻江公司按照法规要求建设了流域微震监测系统，实现了流域梯级电站水库地震台网与国家台网的统筹规划、资源共享。系统由数字遥测地震台站、数据传输信道、中继站和台网中心组成。锦屏库区共设置20个台站，监测范围覆盖坝址下游5～10 km、坝址上游20 km和水库两侧10 km区域，有效地震监测下限为ML0.5级，震中定位精度优于2 km。另外，在锦屏一级大坝上布置了22个强震观测设备，对大坝等重要水工建筑物地震加速度进行观测，实现了地震影响的快速评估，为抗震减灾提供科学支持。

2.2 风险预警

（1）风险分级：雅砻江公司遵循“统筹协调、分级管理，全面防范、重点监控，持续改进、不断完善”的风险管理基本原则和“全员参与、日常管理、及时准确”的执行原则，综合大坝工程安全等级和大坝溃决后果等级，将风险从高到低划分为特别重大风险、重大风险、较大风险和一般风险4个等级，分别用Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级表示，对应Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级突发事件。具体分级标准按照行业标准DL/T 1901—2018《水电站大坝运行安全应急预案编制导则》进行设置。

（2）分级预警：在对大坝安全监测数据开展测值可靠性研判、安全监控模型建立、监控指标拟定、水工巡视检查的基础上，提出了锦屏一级大坝长期运行安全分级预警体系，将预警等级分为4级：Ⅰ级预警、Ⅱ级预警、Ⅲ级预警、安全运行（见图3）。

图3 锦屏一级大坝运行安全风险分级预警调控示意图Fig.3 Hierarchical warning and control of the operation safety risk of Jinping I hydropower dam

3 大坝运行安全在线监控

2015年，雅砻江公司联合国家能源局大坝安全监察中心，以锦屏一级拱坝为试点，开展了特高拱坝安全在线监控平台课题研究。该课题研究了在线监控关键技术问题，研发了集在线监测管理、在线快速结构分析和在线安全综合评判等功能于一体的特高拱坝安全在线监控平台。其中，在线监测管理功能以监测数据为基础，对数据评判、反馈和检查等各方面进行探索，建立了缺测数据、异常数据的自动识别和反馈系统，并能实时或定期对监测系统的运行情况进行评估；在线快速结构分析功能设计了拱坝快速结构分析工具的架构，建立拱坝缺陷快速建模技术；在线安全综合评判功能研究了快速通过监测信息识别结构异常的技术，得到了量值异常、趋势异常和协调性异常的研究成果，通过产生式规则法进行多源信息融合评判。

大坝运行安全在线监控技术实现了对大坝运行安全信息的实时分析，以及对大坝运行性态的实时评判，大幅提升了电站现场、公司及国家不同层面的大坝安全管理技术水平，是大坝运行安全风险管控的有效手段。目前，相关技术成果已在国家能源局大坝安全监察中心监管的大坝进行推广应用，取得了预期效果。

4 流域应急管理

在开展大坝运行安全风险管控的同时，通过建立应急管理体系，对现场突发事件进行事前、事中、事后的全流程管理[2]。雅砻江公司紧密结合流域应急管理工作特点，建设了流域应急管理平台，有效整合数字雅砻江、流域大坝信息和水情信息等多源信息，为应急管理提供决策支持。

为规范指导锦屏一级水电站防洪抢险应急工作，组织编制了《雅砻江锦屏一级水电站水库防洪抢险应急预案》，提高了水库防洪度汛工作中应对突发事件的能力。预案编制以最大程度确保人民群众生命安全、减少生命损失为首要目标，体现行政属地及公司分级负责、各司其职的预案责任体系，坚持重预警、早准备等预防为主的安全工作方针。每年汛前组织防汛抢险演习，以专题讨论会、训练、桌面演习和操作演习等形式开展，不断对预案进行改进和完善。