规划设计阶段水库大坝风险评估及方法研究

顾小兵，肖浩波

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；3.长江勘测设计规划研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

我国水库工程规划设计阶段等级划分是根据工程规模、效益和在经济社会中的重要性，按库容、防洪、治涝、灌溉、供水、发电等指标综合确定。一般来说，库容规模决定水库工程防洪标准，库容越大防洪标准越高。这种做法与发达国家有所不同，如美国现行水库工程规模划分和防洪标准选择是综合库容、坝高及大坝失事风险等级来确定的，一定程度上体现了大坝风险管理理念。水库工程为社会提供极大经济和生态效益的同时，也有可能因大坝失事给下游地区造成人员伤亡和财产损失风险。2021年水利部提出“人员不伤亡、水库不垮坝、重要堤防不决口、重要基础设施不受冲击”“四不”新要求。在水库工程规划设计阶段开展大坝风险等级评估，探索量化考虑水库溃坝后果的影响，对规划设计方案可能存在风险进行预判分析，可有效降低工程安全风险和社会不良影响，从而达到科学规划、合理设计、控制风险的目的。

1 水利水电工程行业风险评估标准发展现状

工程风险评估是一项系统性、专业性、科学性和综合性很强的工作，各行业特点与风险评估方法适应程度不同，应用发展水平也有一定差距。交通、铁路、市政等行业开展工程建设风险评估相对成熟，2010年交通运输部发布了《关于在初步设计阶段实行公路桥梁和隧道工程安全风险评估制度的通知》(交公路发〔2010〕175号)，风险评估制度开始在公路桥梁和隧道工程的初步设计阶段试行。水利水电工程往往具有投资规模大、建设周期长、工程技术复杂、制约因素多等特点，风险评估发展缓慢。基于国家标准GB/T 27921—2011《风险管理 风险评估技术》，水电行业发布了GB/T 50927—2013《大中型水电工程建设风险管理规范》，指导大中型水电工程的规划、设计及施工期风险管理。2014年水利部组织有关单位编制《水库大坝风险等级划分标准》及《水库大坝风险评估导则》，限于大坝风险分析的体系架构和技术路线尚需进一步完善，两部标准均未发布实施。水利部在2018、2019年连续发布《水利部关于开展水利安全风险分级管控的指导意见》(水监督〔2018〕323号)及《水利部办公厅关于印发水利水电工程(水库、水闸)运行危险源辨识与风险评价导则(试行)的通知》(办监督函〔2019〕1486号)，指导意见和导则均侧重于运行管理阶段工程安全风险防控。近年来，为规范流域梯级水库群全生命周期安全风险评估与防控，国家能源局发布了NB/T 10882—2021《梯级水库群安全风险防控导则》。

2 规划设计阶段水库大坝风险评估方法

运行管理阶段风险评估基于工程历史运行或实测资料，侧重对建设运行中工程性状的实际风险分析；对于规划设计阶段尚未建成的水库工程，更多是根据相关规划设计资料，分析工程方案的潜在风险。国内外现有的大坝风险分析方法大多基于概率论或模糊逻辑的，更适用于在建或已建工程风险评估。现有风险评估研究及标准多数应用于运行管理阶段，可用于规划设计阶段工程风险评估的参考资料较少。GB/T 50927—2013和NB/T 10882—2021这两部标准均提出了规划设计阶段工程风险等级划分标准，但与之相应的评估方法却未作具体规定，所列专家经验法、可靠性分析法并不能很好适用于其规定的溃坝概率与后果损失分析。大坝风险是对其负面影响可能性和严重性的度量。目前，溃坝概率、溃决模式及溃坝后果分析仍是采用多学科交叉方法研究的复杂问题，不便于实操。为便于规划设计阶段大坝风险量快速评估，本文采用基于专家经验的定性和半定量方法来计算溃坝概率和溃坝后果，评估方法采用的风险因素和参数依据相关规划设计资料概化处理。

3 规划设计阶段水库大坝风险评价模型

本研究的评估基于规划设计的前期资料，不考虑工程建设、项目管理等方面风险，单从估算漫坝概率结合大坝所处工程环境、坝体结构等方面获得潜在致溃概率指数；在不进行溃坝洪水分析与洪水风险图制作情况下，单从下游保护人口、基础设施分布及社会经济发展程度等方面，结合库容与坝高获得潜在溃坝损失指数，进而求取潜在溃坝风险指数。

3.1 潜在致溃概率指数评价模型

水库溃坝机理复杂，影响因素众多，基于可靠度等理论精确推求溃坝概率难度很大，依靠专家经验又有一定的主观性。目前对溃坝模型研究有一定的进展，运行管理阶段大坝溃决概率计算一般采用历史资料和事件树法或两者相结合的办法。参考其思路方法，本文分析了规划设计阶段大坝致溃主要影响因素，研究提出了潜在致溃概率指数P估算方法。潜在致溃概率指数P通过考虑坝型影响系数D与坝区致险系数K，在估算漫坝概率指数F基础上获得。计算公式为：

P=F×D×K

(1)

(1)估算漫坝概率指数F

估算漫坝概率指数F通过估算漫坝概率F′的分级获得。超标标准洪水是导致漫坝主要因素之一，估算漫坝概率F′为大坝合理使用年限N年内超标准洪水发生概率，是通过大坝校核洪水标准TR推求的大坝合理使用年限N内年平均超标准洪水发生概率，计算公式为：

(2)

按最不利工况估算合理使用年限内大坝年平均漫坝概率值见表1。

表1 估算合理使用年限内大坝年均漫坝概率值

通过式(2)求得估算漫坝概率F′。根据估算漫坝概率按表2插值获取估算漫坝概率指数F，其取值范围对应为0～5。

表2 估算漫坝概率指数取值

(2)坝型影响系数D

坝型与溃决模式和溃坝后果密切相关，坝型影响系数D主要考虑大坝坝型差异。土石坝漫坝后溃坝可能性较大，拟定坝型影响系数为1.0(按漫坝溃坝率100%计)，也符合同条件下土石坝溃坝风险大于混凝土坝的普遍认识。考虑到土石坝与混凝土坝在坝高提级指标比值上大约是0.7倍关系，拟定混凝土坝型影响系数为0.7(混凝土坝可能漫而不溃，溃坝概率降低)。

(3)坝区致险系数K

坝区致险系数K主要考虑大坝所处工程环境，如坝址地质条件K1、区域地震情况K2、上游梯级及库区影响K3等。不同工程的致险工程环境因素不同，根据具体情况，考虑因素可以适当增减，考虑因素的权重也可以经验判定。典型致险工程环境因素见表3。表中常规的、一般性致险工程环境因素致险系数取1.0(期望值)。优于常规或一般致险工程环境因素的情况，致险系数取0.5(优于期望值)；劣于常规或一般致险工程环境因素的情况，致险系数取1.5(低于期望值)。坝区致险系数K采用如下线性加权和法构造：

K=ω1×K1+ω2×K2+ω3×K3

(3)

式中，ωi—各类工程环境因素Ki的权重系数，根据具体工程判断确定，∑ωi=1。

(4)潜在致溃概率指数P

表3 典型致险工程环境因素

通过式(1)求得潜在致溃概率指数P。由于估算漫坝指数F的取值范围为0～5，在坝型影响系数D和坝区致险系数K的影响下，潜在致溃概率指数P总体分布范围约在0～5间，超出和低于该区间的极端数值分别以上下限值5和0替代。研究将潜在致溃概率指数按可能性由小到大依次划分为“几乎不可能”“不太可能”“可能”“很可能”和“非常可能”5级，见表4。

表4 潜在致溃概率指数分级

3.2 潜在溃坝损失指数评价模型

溃坝损失包括生命损失、经济损失及社会与环境影响多方面。通常溃坝损失计算需要一定比例和范围洪水淹没区地形图，将人口信息、经济信息分别展布到洪水计算格网图上，形成人口信息格网与经济信息格网，并与洪水特性格网叠加计算相关损失，结果的影响因素众多且存在很大的不确定性，基础资料收集的工作量和难度很大。研究基于相关前期资料，分析溃坝损失主要构成，提出规划设计阶段潜在溃坝损失指数L估算方法。潜在溃坝损失指数L通过考虑溃坝能量系数E与估算下游损失系数S(两者均为无量纲值)基础上获得。计算公式为：

(4)

(1)估算下游损失系数S

水库大坝溃坝损失往往是灾难性的。目前，国际上尚无统一的灾难分级标准。对于灾难等级的评定，大多数国家采用单种灾度评估和综合灾度评估两种方法来确定社区的受灾严重程度。规划设计阶段只能通过前期基础资料概化估算下游损失。本研究尝试采用综合灾度评估方法，下游损失影响因素包括水库防洪效益指标项中保护人口及保护区当量经济规模(城市保护区)，此外，下游一定范围可能受影响的重要基础设施等也纳入考量并统计。当然，不同工程的下游损失影响因素不同，根据具体情况，考虑因素可以适当增减，同样考虑因素的权重也可以经验判定。估算下游损失系数S采用如下线性加权和法构造：

S=φ1×S1+φ2×S2+φ3×S3

(5)

式中,S1、S2、S3—生命损失、经济损失和社会与环境影响的严重程度估算量(无量纲值)。估算生命损失S1采用下游保护人口数的0.001倍计(单位：人)，暂未考虑下游人口密集度、地形条件等影响；估算经济损失S2采用0.01倍下游保护人口年GDP值计(单位：亿元)，具体估算时需考虑地区经济差异；社会与环境影响S3根据下游影响范围及交通、输电、输水、油气线路及厂矿企业等基础设施重要性确定。主要下游损失影响因素见表5。

表5 下游损失主要影响因素

φi为各类下游损失影响因素Si的考虑权重系数，根据具体工程判断确定，∑φi=1。李雷、王仁钟等研究认为，现阶段，取S1=0.737、S2=0.105、S3=0.158比较合理，符合我国现阶段国情与经济社会发展水平。

(2)溃坝能量系数E

溃坝洪水的洪峰流量、运动速度、破坏力远远大于设计洪水，其破坏能力与水库库容、坝前水头、溃决过程及坝址下游河道的两岸地形有密切关系。溃前库容越大，坝前水头越高，破坏力也越大。溃坝实际损失取决于溃坝洪水危险性及大坝下游的人口、财产等。水库规模越大，坝高越高，设计和建设标准越高，工程质量越好，运行管理越规范，溃坝风险越低。水库溃坝的重要原因之一。在不考虑下游地形条件下，研究溃坝洪水危险性通过水库库容和大坝高度来反映。因坝高与库容乘积HV数值较大，通过对其求对数获得该数量级值，代表溃坝能量系数E，公式如下:

E=logHV

(6)

式中,H—坝高风险系数，m；V—库容风险系数，百万m3；E—溃坝能量系数，无量纲值，取值范围为(0，5)，超出和低于该区间的极端数值分别以上下限值5和0替代。

(3)潜在溃坝损失指数L

通过式(4)求得潜在溃坝损失指数L，其取值范围为(0，5)。研究将潜在溃坝损失指数按严重性由小到大依次划分为“一般”“较大”“重大”“特别重大”和“灾难性”5级，见表6。

R=P×L

(7)

表6 潜在溃坝损失指数取值

3.3 潜在溃坝风险指数评价模型

根据国际大坝委员会的定义，溃坝风险是溃坝概率与溃坝后果的组合。规划设计阶段大坝潜在风险指数R为潜在致溃指数P与潜在损失指数L的乘积。计算公式为：

关于风险指数分级，各国社会经济环境不同划分标准也各不相同。规划设计阶段，我国水库工程等级划分为5等；《水库大坝安全评价导则》将大坝安全状况分为3类；国家安全事故等级划分标准为4级；目前水利水电行业已发布标准将水库大坝风险分为极高风险、高风险、中风险和低风险4级。参考国家突发公共事件应急预案以及国家防洪抗旱应急预案的规定，结合溃坝损失严重性等级划分结果，研究将潜在风险指数评价标准划分为5级，即Ⅰ级(特别严重)、Ⅱ级(严重)、Ⅲ级(较重)、Ⅳ级(一般)和Ⅴ(轻微)，依次用红色、橙色、黄色、蓝色和绿色表示，见表7。

表7 潜在风险指数等级判断标准

4 假定案例测算及分析

运用上述风险指数快速评估方法对假定部分参数的8座规划设计水库进行测试评估，以测试方法的可行性和操作性，通过测评结果分析其规律性和合理性。风险指数测评结果见表8。

表8 假定规划设计阶段水库大坝风险评估测试结果表

表中1#坝是山区高坝大库的典型样本，坝区致险系数较高，但估算的潜在致溃概率指数并不太高，符合高坝大库建设标准高，实际溃坝率并不高的失事数据统计结果。由于其下游失事影响对象的重要性较高，从而得出潜在溃坝风险指数较高，判定潜在风险等级为Ⅱ级。该样本中下游损失影响因素和坝区致险系数取值均在上限值，实际规划设计中坝址下游损失影响多个因素中也不可能均为上限值，且通过工程措施或方案优化后，坝区致险系数不会均处于上限值，尤其是具备可降风险措施条件的风险项。

表中6#坝是山区高坝小库的典型样本，7#坝是平原大库的典型样本，8#坝是平原中小库的典型样本，三者坝区致险因素系数各不相同，总体系数值较高，估算的潜在致溃概率指数中小型水库大于大型水库。由于三者下游失事影响对象的重要性均较高，从而得出潜在溃坝风险指数较高，判定6#坝、7#坝潜在风险等级为Ⅲ级，8#坝潜在风险等级为Ⅱ级，进一步说明在极端不利工况条件及潜在失事影响严重性高的情况下，中小型水库尤其是平原型中小型水库溃坝失事风险相对较高，即小库高坝及城市型水库的溃坝风险尤为突出。

5 结论与建议

水库大坝规划设计不仅关注大坝建筑物自身结构安全，同时要关注大坝建设对下游的公共安全风险。我国部分大坝在运行管理阶段，根据溃坝洪水开展了风险分析及应急预案编制工作，但缺少在规划设计阶段开展大坝潜溃坝风险评估的研究，大坝安全等级也未与下游风险水平建立直接联系。近年来，业内对水库大坝增加风险管理的呼声越来越高，也曾组织开展过相关标准的编制工作，但尚未运用于大坝安全风险评价实践。

风险分析是一项非常复杂的工作，包括技术、经济、社会等诸多方面的因素，如何探索出适应于我国国情的、科学的对策与相应的技术措施，尚有许多问题待解决。规划设计阶段大坝风险评估通过风险预估分析，为工程规划设计方案提供辅助决策参考，适应新阶段水利高质量发展需要。基于水库工程规划设计前期资料，探索研究并提出一种在规划设计阶段快速评估大坝风险的分析方法，供行业风险评估相关研究参考。