大坝安全监测及其自动化中的风险

大坝安全监测及其自 动化中的风险 方卫华 ( 水利部南京水利水文自 动化研究所，江苏 南京，2 1 0 0 1 2 ) 摘 要: 为高效降低大坝安全风险， 在分析大坝安全风险概念、 计算方法和影响因素的基础上， 指出 大坝安全风险是安全监测的决定性因素; 同时给出了责任风险的概念并指出相对投资风险而言， 监侧 系统贵任风险占有更大的比例。 文中的理念对提高监测系统设计和实施的针对性有十分重要的意义。 关键词:安全风险; 投资风险: 责任风险;安全监测:风险分析;分布式监测系统 1概 述 大坝安全监测及其自 动化的首要目 的是降低大坝施工和运行中的安全风险。由于每座大坝 在结构、地质、运行工况和周边环境等方面差异巨大，即使是同一工程等级的大坝，由于各座 大坝下游情况、发挥效益和社会影响也各不相同，其安全风险也存在明显的差别，因此仅从工 程等级上进行监测项目 设置和测点布置还难以完全达到安全监测的目的。尽管在工程等级划分 过程中己经考虑到下游可能的 损失，但是枢纽等级划分是以库容为主，更何况工程建成后，其 影响区域的人口 数量、资源和环境因素等都在变化，而根据目 前的监测设计难以全面体现这种 差异和动态变化，因此在安全监测中考虑具体大坝的安全风险，同时也考虑到由于安全系统的 可靠性等方面带来的风险对大坝的 低风险运行具有十分重要的意义。风险分析方法将对大坝安 全风险和监测系统工程 ( 包括设计、施工和投资等方面) 风险结合起来，同时撇开了混凝土坝 与 土 石 坝 之 间 的 分 类 f1I(2 1 ， 也 有 利 于 设 计 依 据 上的 统 一。 2风险分析 2 . 1 风险内涵 广义的风险常用失事的概率与相应损失的乘积来表示，狭义的风险主要是指失事的概率。 本文所述风险是广义风险，不仅包括大坝安全风险，同时也包括系统投资风险和责任风险。 2 . 1 . 1 建筑物安全风险 安全是与失事相对应的。 失事一般是指水工建筑物出 现异常现象的总称。失事 ( I n c i d e n t s ) 包 括 破 坏 ( F a i l u r e s ) 和 事故( A c c i d e n t ) 两 大 类。 破 坏 是 指损失 严 重的失 事， 这类失 事可能 影 响到公众与社会安全， 而事故则是指那些采取某些措施易于恢复或补救之类的不会导致坝体破 坏的失事。 3 1 7 从可靠度角度来理解，所谓的安全性是指结构在设计基准期内 ，经济合理地满足下列要求: ( 1 ) 能承受正常施工和正常使用期间可能出 现的各种作用( 包括荷载及外加变形或约束变 形) ; ( 2 ) 在偶然事件 ( 如 地震、 爆炸、 龙卷风等) 发生时 及发生 后， 能 够保持必要的整体稳定性。 损失是个广义的概念，即包括投资和效益损失，也包括生命财产损失、生态环境破坏和社 会影响等因素。 严格地讲，安全监测不能增加水工建筑物的安全性， 但能减少建筑物的安全风 险，具体表现为尽早发现安全隐患、及时采取除险加固措施和增加预警时间等。显然，要使安 全监测真正达到上述目 的，只有从监测项目 设置、测点布置、自 动监测方法选择、仪器和系统 选型、安装调试和运行维护全过程加以 把握方能实现，同时将监测资料分析与安全评价与下游 紧急预案、交通通讯设施、人员组织与洪水保险等相关措施紧密结合起来，才能最大限度地降 低风险。 准确全面掌握影响水工建筑物安全的因素是进行风险分析的基本要求，影响水工建筑 物安 全的 因 素 可以 分 成 传 统 因 素 和 非 传 统因 素。 传 统因 素 包 括由 于 气 候、 特 大 洪 水、 设 计、 施 工、结构、闸门 控制等机电设备、 地质、高边坡、 运行等方面原因造成的水工建筑物安全失事。 非传统因素包括上游水库失事、战争、恐怖袭击等。除上述因素外，影响建筑物安全风险的因 素还包括工程投资及社会和经济效益、失事后的社会和经济影响、 运行管理规章制度和人员素 质、下游人口 分布及素质、紧急 预案与抗灾救灾措施等。 大坝安全风险是确定监测系统项目 设置、测点布置和系统规模的关键因素，即建筑物总体 风险度对应监测系统总统投资，各分项风险的大小直接对应相关监测项目 的投资 ( 如对于重力 坝抗滑稳定、拱坝坝肩稳定、土石坝为渗流和洪水漫顶分别对应的监测项目 是变形、变形、渗 流以 及气象等监测项目) ， 而建筑物各部分 ( 细部结构) 各自 的安全风险大小将为断面选择和测 点布置提供依据。 根据风险度大小排序将使安全监测设计和实施具有更高的针对性。 2 . 1 . 2 监测系统 风险 可靠性是监测仪器或系统完成预定功能并达到预定性能的概率，而与可靠性相对应的 是系 统失效概率，失效概率与损失的乘积就是系统风险。监测系统风险从小的方面讲是监测系统失 效概率及其工程投资的乘积，从大的方面讲是由于监测系统不可靠 ( 失效或误报等)从而使水 工建筑物安全风险未能降低的值。 本文将前者称为投资风险， 后者称为监测系统责任风险。 2 . 2风险分析的筒化方法 2 . 2 . 1 建筑 物安 全风险 在具体风险分析时，既要考虑到风险各影响因素在时间上的先后和空间分布，同时也要考 虑各因素之间的相关性和不相容性，因此严格按照荷载、结构和地质条件的概率分布及功能函 数， 并 在 此 基 础 上 考 虑失 事 损失 的 风险 分 析 方 法 过 程比 较 复 杂 t3 -6 1 。 从 狭 义 方 面 来 讲， 风险 就 是 结 构 体系的 可 靠 度， 其 计 算已 经 得 到 广 泛 深 入的 研 究 t7 -s 1 . 为 简 化 风险 分 析方 法同 时与 我国 大 坝 安 全 评 价 (9 1 有关 规定 结 合 起来。 针 对工 程 质量评 价、 大坝运行 管理评 价、 . 防 洪标 准复 核、 结构安 全评价、渗流安全评价、抗震安全复核和金属结构安全评价 7个方面的失事概率分别定义为 F ;( 1 = 1 ,2 . . . . . .7 ) ， 大坝结构体系失效概率为: F = 1 一 1 1 (1 一 F ) ( 1 ) 则大坝总体风险和各原因导致的成因风险分别为: 2)3) =FxR = 界x R a，a， 式中: a ， 一 为 大 坝 体 系 风 险 度 ; R 一 为损失， 根据表1 中 ( 1 0 ) ( 1 3 ) 项损失求和得到。 国 际 大 坝 委员 会 第4 1 期 会 刊 推 荐了 风 险 度 方 法 列 举了 影 响 大 坝的 风险 指 数， 本 文 根据该 推 荐 方 法 结 合 我国 水 库 大 坝安 全 评 价导 则 9 所 考虑的 因 素 对 风 险 指 数 估 算 表中 考 虑的 大 坝 风险 因素进行扩充， 见表1 所示。 该表从外部条件 ( 指数E ) ， 大坝本身设计 ( 复核) 、 施工 ( 复查) 、 结构 ( 检验) 、材料 ( 检测)和运行 ( 评价)等方面评价本身的安全状况 ( 指数 T ) ，同时考虑 到损失大小 ( 指数R ) ， 基本上考虑到失事概率和损失两个方面， 显然结构体系失事概率F与指 数E 和T相关。 表1大坝风险指数及相关因素 建议的危险状态评价 外部的或环境的条件 ( 指数E ) 坝的状态/ 可靠性 ( 指数 T ) 可能损失 ( 指数 R ) 地 震 强 度 库岸 坍滑 的危 险 超设 计 洪水 的危 险 水库库容 及的功用 ( 蓄水类 型与管理) 侵蚀性 环境 的作用 ( 气候、 水) 结构 、 材料和 施工质 量 变形稳 定和强 度 泄洪 设施 可靠 性 荷载组合、 运 行及维护状 况 水资 源 下游 居民 下游 基础 设施 损失及 其它影 响 ( 1 )( 2 ) ( 3 )( 4 )( 5 )( 6 )( 7 )( 8 )( 9 )( 1 0 )( 1 1 )( 1 2 ) ( 1 3 ) 为 利 用 经 济的 直 观 性 质， ( 1 0 ) - ( 1 3 ) a ; 采 用经 济 指 标( 人民币 元) . 为 落 实以 人 为 本的 观 念 和可持续发展的要求，增加了 下游居民和其他损失及影响。 下游居民包括失事后生命财产安全 受 到 威 胁 的 人 口 ， 同 时 也 包 括 由 于 交 通 、 通 信 、 供 水 和 土 地 被 冲 毁 的 影 响 人 口 10- 14 1 ， 相 应 的 a , 取值可见表2 确定。 表 1 中的水资源损失 ( 1 0 ) 项可按工业用水3 - 4 元/ m 3 计算，下游设施按资产尽现值直接 折合成人民币 计算，同时考虑洪水恢复期的间接损失。 其它损失 包括水库建设投资、 农田 损坏、森林被淹和社会稳定心理等损失， 按恢复到大坝 失事前状态所需要的投资进行计算。 3 1 9 表 2 .受威胁人口及其指数 人口 及其指数 生命受到威胁人口 ( 指数P 1 ) 生存受到威胁人口 ( 指数P 2 ) 生活受到影响的人口 ( 指数P 2 ) 由于大坝失事引起的生命损失由于洪水导致伤残饮水、交通、 通讯受到影响 根据国家人生安全保险金额 确定， 一般取4 0 万/ 人 根据国家伤残级别和保险金额 确定 ( 5 - 3 0 )万/ 人 在洪水恢复期内 人均损失计算， 一般取3 万/ 人 . 年 (4)(5)(6) ( 1 )监测系统投资前后安全风险及其变化 监测系统投资前后的风险分别由 ( 4 ) , ( 5 ) 式进行计算，即: a g o = F o x R o a g A = F A x R A D a g = a g o 一 a g A 式中: a g o 一 为 监 测 系 统 实 施 前 的 大 坝 安 全 风 险 ; a gA 一 为 系 统 正 常 工 作 后 大 坝 的 安 全 风 险 ; A a ， 一 为 安 全 监 测 系 统 实 施 后 的“ 效 益 ” 一 大 坝 安 全 风 险 降 低 度 。 ( 2 )安全风险降低与监测系统投资效益最大化分析 通过表1 可知， 安全监测的实施对表 1 中的( 1 ) y ( 6 ) 项 几乎没有影响，安全监测的 关键作 用是发现( 6 ) v ( 9 ) 项中可能存在的问 题， 通过采取相应措施， 如( 通过减少上游来水和增加下游 防洪库容来实现) 调整( 9 ) 、及时除险加固 和进行人员疏散、 财产转移等，以 此降低( 1 1 ) ( 1 3 ) 项的损失从而达到降低大坝安全风险的目的。总之，通过安全监测的早期预警功能，减少大坝 安全中的不确定性和增加风险转移的主观能动性来降低大坝安全风险。 我们总是希望尽可能降 低 a . ， 显 然 “ ， 值 随 着 监 测 系 统 投 资 的 增 加 而 增 加 ， 到 一 定 程 度 随 着 信 息 的 冗 余 而 使 得 系 统 增加投资不能显著降低大坝安全风险，实际上我们也不能无限 制增加监测投资，因此选择A点 为系统最佳投资点见图1 所示，( 其中横坐标为系统投资， 纵坐标为监测系统效益) 。 ( 3 ) 大坝安全风险对安全监测和投资的决定性作用 经过大坝安全风险分析，寻找敏感因素和敏感部位对提高安全监测的 “ 效益”非常重要， 图2 给出了大坝安全风险对安全监测项目 设置的决定线路， 其中w, w; 为决定因子， 其大小分 别由 ( 2 )和 ( 3 )式计算的风险值决定。实际上根据引起安全风险的原因和表现，图形左边的 风险可能对应右边的多个监测项目，本图只列出主要监测项目 。 根据风险 ( 权值)大小进行监测项目 设置将使得监测项目 的设置更加有针对性，同样根据 大坝各部位安全风险的大小进行测点的布置和对应仪器选型对提高测点布置和仪器选型的针对 性也具有十分重要的意义，具体说明如下。 3 2 0 A n g 图1 监测系统效用与投资关系曲线 图2 根据大坝安全风险设置安全监测项目 从结构上讲， 大坝安全风险可能来自 坝体 ( 继续可分成某坝段) 、坝基、坝肩、金属结构、 泄 水 建 筑 物 等i 个 部 分 ， 令 各 部 分 发 生 失 事 称 为 事 件乌 ，其 相 应的 概 率 为P( 马 ) ， 大 坝 失 事 事 件 称 为D ， 由 于 各 部 分 失 事 导 致 整 个 大 坝 失 事的 概 率 为 条 件 概率P ( D C B j ) ， 则 根 据 全 概 率 公 式， 大坝失事的总体概率也可以 表示成: ， (。 ) = 艺 P (D l B j (B j ) ( 7 ) i 司 大坝体系风险、大坝各部分风险 和各部分监测投资分别为: (8)(9) a 8 = P 伪) x R %= P (B j )x P (D I B ,)x R h = 丘X 1 0 0 % a 8 ( 1 0 ) 2 . 2 . 2 监测系统投资 风险 和贵任风险 目 前在工程上广泛应用的安全监测系统仍是分布式安全监测系统，根据这一实际情况， 监 测系统的 可靠性指 标采用分散型工 业控制系统 ( D C S )的R A S指标 来表示， 其中R s 是可靠性 ( R e li a b i li ty ) , A为 可 用 性 ( A v a il a b i li ty ) , S 为 可 维 修性( S e r v i c e a b i li t y ) ， 下 面 分 别 说明 。 对于正在运行的由N台M C U构成的分布式安全监测系统， 其某时刻的可靠性R s 为正常工 作的M C U数 ( N s )与总数 ( N ) 之比，即: _N_ No 代。 =一=1 一一 N N 式中: ( 1 1 ) 场一为故障的M C U数，它是一个随时间变化的随 机变量。 针对具体的安全自 动监测 系统而言， N F 是指系统在任一次工作中，系统中达不到设计的功能 ( 如通讯失败) 和性能 ( 如 测值达不到规定的精确度等)要求的MC U总数。 可 用性 ( A v a i l a b i li ty ) 与 平 均 无故障 工 作时间( 1V I T B F ) 及 平均 修复时 间( mm ) 有关， 即: A= 材T B尸 M T BF +M 刀叹 ( 1 2 ) 可维修性 ( S e r v i c e a b i l i t y )也称维修性 ( M a i n t a i n a b i l i t y ) ，是系统受到破坏后，按规 定的程序和方法进行维修，保持或恢复规定功能的能力，可用修复次数占 整个修理次数的百分 比来表示。 S = 竺X 1 0 0 % N 式中: 二 为实际用户按规定的操作规程修理的修复次数 ( 非负整数) 、 N 一为总修理次数。 系统的可靠度指标可以 用式 ( 1 4 ) 表示，其中R g 为系统可靠性指标， R 8 = R s x A x S ( 1 3 ) 它是时间的函数。 ( 1 4 ) R g 是一个随机变量，与系统元器件、原材料、设计及组装、现场土建、 现场安装调试、运 行维护及现场环境等因素有关。 对于即将投入运行的监测系统，其可靠度可以由 选行系统在我国典型地区的 应用业绩进行 估计。设该系统在我国典型地区 ( 具体包括东北、西北、华中、华北、华南、东南、西南7个 地区)的投入运行的 系统数量分别为N , -N , ，则该型系统在各地的使用概率为: _N. - 只 =气尸止一 I F N l I ( 1 5 ) 根据全概率公式， 预计新建系统的可靠性指标为: R g = 艺 R g , x P ( 1 6 ) 式中: R g ; 一 为 对 应 地 区 的 系 统 可 靠 度 。 根 据( 1 6 ) 可以 利 用 系 统 业 绩 对 待 建 系 统 的 可 靠 性 进 行 估 计 ， 要 求月 0 ， 否 则 认 为 业 绩 不 够。 监测系统的投资风险可以 用系统失效概率与系统投资乘积加以 表示。其中系统投资包括系 统在整个生命周期中的费用，这些费用包括设计、施工、配套土建、运行维护、人员培训及工 资、系统故障排除及升级等。系统的失效概率采用 1 与系统可靠度的差表示，则系统风险可以 用下式简化表示: 几= ( 1 一 R g ) x l ( 1 7 ) 式中: p i为 系 统 风 险 ; 卜 一 为系统总投资。 显然，要减少系统风险必须从增加系统可靠性 ( 具体从监测项目 设置、测点布置、仪器和 系统选型、系统配置、 通讯方式和施工安装和运行维护等方面全面加以 把握) 和降低系统投资 ( 减小系统规模)两个方面入手。 从监测系统担负的 任务而言，监测系统存在着责任风险。所谓的责任风险是指由于监测系 统本身的功能或性能指标未达到设计要求， 导致的失事概率及其损失。 a g , = F F x R F 未能及时发现大坝安全隐患、未能及时采取措施而 A a g = a 9 F 一 a g A 式中: %、 A a g 一 为 监 测 系 统 不 能 正 常 工 作 时 候 大 坝 安 全 风 险 和 监 测 系 统 的 责 任 风 险 。 通 过表1 可知，由 于大坝失事后果严重性，显然有 ( 2 0 )式成立。 A a g )6 g ( 2 0 ) 3结论及展望 在对大坝安全进行风险分析的基础上进行安全监测设计和系统选行是必要的，可以使监测 设计更加具有针对性， 仪器系统选型更加合理、系统可靠性更高。本文根据国家有关规范和前 人研究成果给出了大坝安全风险的计算公式，重点根据各项风险的权值决定监测项目 和测点布 置进行了探讨， 时难以 定量计算的人员损失也进行了尝试。 在此基础上根据分布式系统的组成 对分布式系统的可靠性评价和风险分析作了深入研究，重点指出安全监测系统由于肩负的特殊 责任而存在责任风险， 对通过提高监测系统的可靠性和及时性降低大坝安全风险具有十分重要 的意义。 本文初步给出了安全风险和自 动监测系统风险的计算公式，由 于大坝安全风险中许多因素 难以定量计算，因此如何建立在考虑大坝复杂巨系统的动态可靠度分析方法、溃坝损失动态数 学模型 ( 包括人员疏散数学模型) ， 定量考虑社会、 生态和间接影响的 动态风险分析方法还有许 多问 题需要研究。 参考文献 1 D L T / 5 1 7 8混凝土大坝安全监测技术规范. 2 S L 6 0 - 9 4土石坝安全监测技术规范. 3 G re g o ry B .B a e c h e r , J o h n T C h ri s ta i n . R e li a b i li ty a n d s t a t i s t i c s i n g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g . J o h n Wi l e y &S o n s L t d , E n g l a n d , 2 0 0 3 . 4 O s m a n , A .M., a n d T h o r n e , C .R . R i v e r b a n k s t a b i li t y a n a l y s i s 1 : T h e o ry , A S C E , J o u r n a l o f H y d r a u li c E n g i n e e r i n g , 1 9 8 8 , 1 1 4 ( 2 ) : 1 3 4 - 1 5 0 . 5 R .N .C H O WD H U R Y P r o b a b i li t y ri s k a n a l y s i s i n g e o - m e c h a n i c s a n d w a te r e n g i n e e r i n g . D e p a r tm e n t o f C i v i l a n d M i n i n g E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i ty o f W o ll o n g o n g , N S W , A u s t r a li a , 1 9 9 6 . 6 王 卓甫， 章志强， 杨高升. 防洪堤结构风险计算模型探讨. 水利学报， 1 9 9 8 ( 7 ) : 3 5 - 3 8 . 7 程心恕. 重力坝体系可靠度探讨。福州大学学报 ( 自 然科学版) ，1 9 9 6