（水工结构工程专业论文）大坝运行风险评价方法研究.pdf

摘要 摘要 本文从影响大坝安全运行的主要因素出发，探讨了大坝运行潜在风险的识 别和分析问题，深入研究了基于大系统理论的大坝运行风险评价模型的建立方 法。主要研究内容如下： ( 1 ) 在综合分析了国内外大坝失事和重大事故原因的基础上，采用遗传算 法对层次分析法进行改进，应用改进后的方法建立了大坝运行风险识别模型。 ( 2 ) 研究并提出了大坝运行风险度的概念，在此基础上，探讨了基于实测 资料的大坝运行风险度分析方法：此外，对大坝运行的风险损失分析作了一些 研究。 ( 3 ) 基于大系统多目标规划理论、风险决策理论以及快速列队法的基本思 想，运用模糊数学的相关方法，对大坝进行风险识别和风险分析，建立了大坝 运行缺陷优先处理模型和大坝群优化改造决策模型。 ( 4 ) 应用上述的相关模型和方法，对福建省古田溪梯级水电站大坝的运行 风险进行综合分析，建立了梯级大坝运行风险评价模型，给出了该梯级大坝实 施安全改造优先排序方案的决策建议。 关键词：大坝运行风险评价安全改造 a b s t r a c t a b s t r a c t f r o mt h ep o i n to fv i e wo fd a m s a f e t yo p e r a t i o n ，i d e n t i f i c a t i o na n da n a l y s i so f t h ep o t e n t i a lr i s kd u r i n gd a m o p e r a t i o n i ss t u d i e d a tt h em e a n t i m e ，ar i s ke v a l u a t i o n m o d e lo fd a m o p e r a t i o ni se x p l o r e do n t h eb a s i so ft h et h e o r yo fl a r g e s c a l es y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) t h ec a u s e so fd a mf a i l u r ea n ds e r i o u sa c c i d e n t sd o m e s t i ca n da b r o a da r e a n a l y z e d a n dt h e nt h et e c h n i q u eo ft h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s i s i m p r o v e d e m p l o y i n g t h eg e n e t i c a l g o r i t h m s b yu s e o f t h i sm e t h o dt h er i s ki d e n t i f i c a t i o nm o d e l o fd a m o p e r a t i o ni se s t a b l i s h e d ( 2 ) t h e c o n c e p to f r i s kd e g r e eo fd a m o p e r a t i o ni sp u tf o r w a r d a n d t h e nt h e a n a l y s i s m e t h o do fr i s k d e g r e e o fd a mo p e r a t i o nb a s e do nm o n i t o r i n gd a t ai s r e s e a r c h e d i na d d i t i o n ，t h er i s kl o s sa n a l y s i so fd a mo p e r a t i o ni sd i s c u s s e d ( 3 ) b a s e do nt h em u l t i o b j e c t i v ep r o g r a m m i n go ft h el a r g e s c a l es y s t e m ，t h e r i s kd e c i s i o n - m a k i n gt h e o r ya n df a s tq u e u i n gt h e o r y ，a p p l y i n gr e l a t e dm e t h o d so f f u z z yt h e o r yt h ed e f e c ts e l e c t i o nm o d e la n dt h eo p t i m i z a t i o nr e h a b i l i t a t i o nm o d e l o f d a m g r o u pa r ec o n s t r u c t e d ( 4 ) a p p l y i n g t h em o d e l sa n dm e t h o d sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，o p e r a t i o nr i s k s o ft h eg ut i a n x ic a s c a d ed a m si nf u j i a np r o v i n c ea r ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h er e s u l t s ，t h er e h a b i l i t a t i o no r d e ro ft h ec a s c a d ed a m si sp r o p o s e d k e y w o r d s ：d a m ，o p e r a t i o n ，r i s ke v a l u a t i o n ，r e h a b i l i t a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 世界坝工有着悠久的历史，第一座按照粗浅的稳定和应力要求设计的高 6 0 m 的丹佛重力坝始建于1 0 0 多年以前。1 9 世纪末叶波兰水泥的问世以及2 0 世纪开始，材料力学、结构力学、水力学、土壤力学、坝工学等的兴起，促进 了现代坝工技术的发展，使得大坝的设计、施工逐渐趋于完善，此期间大坝的 溃坝率【1 h 4 】已经从上个世纪初的4 l o 降至本世纪初的0 2 。然而，与世界 平均水平相比，我国大中型水库溃坝率卧【8 3 仍高达4 2 5 ，其差别相当明显。虽 然可能是由于国内外统计的标准和方法不完全一致造成的，数值不见得能直接 对比，但是相差如此之大，不能不引起足够的重视。 我国水能资源十分丰富，理论蕴藏量约为6 7 6 g w ，其中可开发的达3 7 8 g w ， 为了充分利用这些水能资源，我国已经兴建各类水库堤坝8 4 万余座阶【1 2 】，其 中库容大于1 亿m 3 的大型水库约有4 0 0 多座，库容在o 1 亿i n 3 至1 亿m 3 之间 的中型水库约有2 7 0 0 座，其它8 万多座均为小型水库。几十年来，我国的筑坝 技术有了长足的进步，在一些大型工程上表现出世界一流的水平，但是在管理 上却与国际先进水平有很大的差距。其主要原因是当时政府对大坝管理不够重 视，公众的安全意识薄弱，一度普遍存在“重建轻管”、“重电轻机不管水” 等不合理的现象。据不完全统计，上世纪八十年代以前，我国大坝( 特别是中 小型坝) 的溃决时有发生，其间曾出现过两次溃坝高峰，给当时的社会和公众 造成了惨痛的灾难，同时也唤起了政府和公众对大坝的安全管理意识。从上世 纪八十年代起，水利部和原能源部【1 8 1 相继成立了水利部大坝安全管理中心和 水电站大坝安全监察中心，颁发了一系列法规和规范，定期对大坝进行安全检 查，对病险水库进行除险加固，经过十几年的努力，我国的溃坝数量已经大大 减少。但是，由于我国对大坝的管理技术和水平有限，加之病险水库量大、面 广，全面彻底的除险加固需要大量的资金，使得我国大坝的溃决率和事故率仍 相当高，大坝安全管理工作仍存在许多亟待解决的问题。 大坝安全管理行为的发展，按照不同时期各国大坝管理者对已建大坝 1 河海大学硕士学位论文 及其溃决所持的态度，可以分为三个阶段：第一阶段为不知不觉阶段，即溃坝 发生后，管理者不能迅速反应救灾行动，事后也不知检讨、改进，缺乏危机认 知能力，属于表现愚钝阶段，我国上世纪八十年代以前对大坝的管理就属于这 一阶段；第二阶段为后知后觉阶段，即事故发生后，管理者能够检讨改进，或 者力求改善，避免重蹈覆辙，属于表现平庸阶段，正如我国上世纪八十年代以 后对大坝的安全管理；第三阶段，也是目前各国大坝业主为之不懈努力的阶段一 一先知先觉阶段，即思想前瞻，观念创新，行动上积极规划远景，吸取别人的 优点和教训，不断提高大坝的安全管理水平，这属于表现智慧阶段。全世界大 部分国家，包括许多发达国家( 例如美国、英国、法国等) ，在对大坝进行管 理的实践过程中都经历过第一阶段，并且受到了惨痛的教训，继而加强了对大 坝安全管理的重视程度。上世纪七、八十年代，由于对大坝安全管理失误所潜 伏的危机终于暴露出来，国际坝工界发生了许多惊人的大坝失事事件【2 4 】 2 5 ，其 中包括美国爱达荷州的提堂( t e t o n ) 坝，意大利的瓦伊昂( v a i i n t ) 坝和法国 的马尔帕塞( m a l p a s s e ) 坝等。这一连串的溃坝灾难激起了公众对大坝安全的 强烈关注，要求当局进行政治干预。于是，大坝安全工作在世界范围内开始受 到应有的重视。3 0 年来，各国政府纷纷加强大坝的安全立法，大规模加固病险 大坝，在改善大坝安全状况的同时，从本国坝工建设的特点出发，相继探索出 一系列卓有成效的管理办法。其中，把风险评价技术2 6 卜【3 1 1 引入大坝安全管理就 是成功的经验之一。它建立在大坝失事概率分析和大坝失事所造成的下游经济 损失估算基础上，是用来评价大坝对下游威胁程度的有效方法之一。这种风险 的概念，在大坝工程安全的基础上又向前发展了一大步，不但同下游潜在的人 员伤亡和经济损失相联系，而且还把能够降低下游风险的非工程措施放在重要 的位置上。目前，随着大坝风险评价技术的迸一步发展，大坝的安全管理正由 常规的( 确定性) 标准向风险( 概率) 型转变，这些观念的变化，必将直接影 响到大坝业主和政府部门的安全决策。 根据我国大坝发展的历史和现状，有关专家 3 2 预计2 1 世纪将是老坝加固、 病坝除险的高峰期，我国将有一大批病险水库亟待除险加固。过去，在评判大 坝是否安全的时候，往往都偏重于工程结构安全系数的复核，并以此作为决策 的依掘，致使我国长期将水库大坝除险加固的工作重点放在： 程措施上，而忽 2 第一章绪论 视了非工程措施在降低大坝风险中所起到的积极作用，甚至有时为了提高大坝 的安全度，片面地提高大坝的设计安全系数，造成了一些不必要的浪费。事实 上，大坝的安全是个动态问题，不仅要考虑大坝的工程安全，更重要的是使水 库大坝潜在的风险不超过下游能够承受的水平。传统的管理模式1 3 3 】【3 4 】已经不能 满足新的需要，应该进一步借鉴和学习国外的先进经验与管理技术，来弥补我 国在大坝安全管理中的不足。与传统的工程安全概念不同，应用风险评价的方 法将有利于最大限度地趋利避害，从而可以更好地解决我国大坝安全管理目前 所面临的困境。该方法的显著特点是：其一，它将包含了各种因素的风险分析 技术应用于大坝工程安全，从而取代了传统的用以得到确定性安全状况日5 l 的极 限强度分析方法，即对大坝运行过程中可能出现的各种风险进行识别、分析和 评估，对风险的可能性和产生的后果进行综合评价，以指导管理者采取合理而 有效的工程或非工程措施，把大坝风险降低到下游能够承受的水平，并且使工 程除险加固的规模同下游的经济现状和发展相适应，避免浪费资金：其二，大 坝运行风险评价作为大坝安全管理的延续和加强，包括一系列的决策和实施过 程，通过风险分析，并根据已制定的有关法规和标准，确定病险大坝的风险排 序和加固排序，作为制定资金流向和管理策略的依据，从而可以合理地分配管 理资金，解决我国大坝除险加固资金不足的问题。 1 2 研究现状 明确地考虑风险，并根据风险作出安全评价的思想，早在3 5 年前就由卡萨 格兰迪提出来了，经过几十年的不断发展和完善，到了二十世纪九十年代，该 方法的应用已经取得了相当的成功。目前，已经形成了专门以风险评价技术为 基础的新兴管理学科风险管理酬一 4 啪。 最初，风险评价的相对新概念源于对复杂工业系统的研究。这种工业系统 由大量易出事故的各种部件组成，各项目管理层通过对风险的识别、估计和评 价，并在此基础上优化组合多种风险管理技术，对风险实施有效的控制，采取 主动行为，创造条件，扩大风险事件的有利结果，并妥善处理风险所造成的不 利后果，以最小的成本获得了最大的安全保障目标。近年来，风险评价技术已 ，1 一 河海大学硕士学位论文 经广泛地应用于各个不同领域【5 0 】，如环境、气象、地下水、海上平台、燃气 储库以及天然气站等。越来越多的生产经营者和管理者认识到，风险管理已经 迫在眉睫。 量化风险评价技术作为一种科学的决策依据应用于大坝安全管理，开始于 上世纪八十年代初。目前，国际上对投资兴建的新工程，往往都要求进行风险 分析，对大坝中可能出现的风险因素进行分析论证，在技术上和经济上进行风 险评估，为工程决策者提供依据，同时对有关风险提出抑制措施或对策。c l e f - ， 国外的不少国家，特别是美国、澳大利亚、加拿大等，正在逐步运用风险分析 的方法加强对本国现有大坝的安全管理，最终目标是把风险降低到社会和公众 可以接受的水平。相比之下，我国在对大坝进行矾险评价方面的研究还基本处 于起步阶段，还有许多工作要作。 1 2 1 国外研究现状 正如以上所介绍的，大坝风险分析评价技术，在国外的应用已经有几十年 的历史了，在此期间，各个国家依据自身的特点，形成了各自不同的风险管理 理论和方法，并且获得了成功。以下概括地介绍一些国家的成功经验，供国内 学者参考之用： ( 1 ) 美国【2 5 】【2 6 f 5 州5 7 】 在美国，各个部门用于水库大坝风险管理的分析方法不同，相应的评判标 准也各异。美国陆军工程师团( u s a c e ) 的h a g e n ( 1 9 8 2 ) 最早提出风险的概 念，并使用相对风险指数来判别大坝的风险程度，相对风险指数用下式计算： 33 鼢= 兀o ，+ 兀s ， ( 1 1 ) l = l ，= i 式中：o ，一洪水漫顶的第i 项风险因素值，当f = 1 、2 、3 时，分别表示渍坝危 及的家庭数，按现行洪水设计标准工程达到的防洪库窖，大坝抗御漫顶破坏的 能力；s ，一建筑结构的第- ，项险情( 含地震及洪水) 值，当，= 1 、2 、3 时，分 制表示溃坝危害的家庭数，建筑物明显的损坏，潜在的地震活动性。两大娄风 险斟素d ，、s 依靠专家评判，按项分别打分，并随风险的高低相应增减。肼值 4 一 第一章绪论 越高，表明工程越危险。 美国垦务局( u s b r ) 是美国的大坝管理机构之一，负责管理3 5 0 多座大坝。 u s b r 把风险分析和评价视为改进安全管理的一种手段，作为大坝管理的一部 分。受美国陆军工程师团h a g e n 的启发，推荐使用现场评分( s i t er a t i n g ) 法来 衡量水库大坝的风险。通过比较大坝在不同荷载作用下所导致的风险和不同大 坝之间的风险，对产生不可接受风险的大坝进行确认，并采取合理的、有效的 工程或非工程措施来降低或消除这些风险，以保证大坝不会出现威胁公众生命、 财产和社会安全的不可接受风险。u s b r 认为安全的大坝首先是它的风险可以 被公众接受，其次才是完成预定的功能。他们把大坝风险评价作为一种决策的 工具，用以指导资金投入到风险最大的工程上，所采用的计算公式如下： r 脉= ( 艘) 。 ( 1 2 ) i = l 式中：( s r ) 第i 项因素的评分值，所考虑的各项风险因素如表1 1 所示。表中 各因素构成的险情分成低、中、高、极高四个等级，各级从低到高赋予相应的 风险值。鼬值越大，则表明工程越危险。 表1 1现场评分法所考虑的风险因素表 l 萎簧 大坝工程潜在险情 因素工程龄期建筑质量溶流态势结构库容i 水头 隐患j 洪水i 地震 美国国家气象局( n w s ) 考虑到大坝风险分析的一个重要组成部分是大坝 溃决后对下游的影响分析，因此认为有必要研究溃坝洪水及其演进过程，并为 此开发了一系列溃坝模型，从d a m b r k 模型到b t e a c h 模型，再到现在广泛 应用的f l d w a v 模型，为溃坝洪水计算提供了强大的软件支持。管理者在进 行大坝风险分析时，可以直接应用这些软件的计算成果进行溃坝后果评价。 ( 2 ) 加拿大【5 8 】【6 2 】 加拿大不列颠哥伦比亚水电局( b ch y d r o ) 作为加拿大b c 省的水电公司， 是世界上第一个将概率的风险分析用于大坝安全管理程序的公司。该公司的大 坝风险管理程序如图1 1 所示。 ，e 河海大学硕士学位论文 执行例行的检测 水坝是否 达到所有 安全要求 是 不 依照水坝安全的 行维护和监测要 而操作 执行定期水坝安全复查 ；，i ； 熟水坝是否可以很容易改善选到所有安全的要求? ；善譬 现有的风险管理措施是否可以接受? 是l 夺蔫 鬣博絮 是 蘼聪攀罐3 5 悸 图1 1 加拿大b ch y d r o 公司的丈坝风险管理程序 图中“执行例行的检测”下的决定点( 钻石形) 是一个以规范为主的大坝 安全分析。而当程序进展到右边的大方块时，每一个决定点都代表一定形式的 风险评估，需要用概率的风险评估来处理不同程度的不确定性。风险评估的程 序包括风险分析和风险评价两个部分，它们的综合运作方式显示在图1 2 中。 风险分析 风险评价 i 灾害的识别和定义il 安全管理原则 i i 溃坝模式的识别l i 渍坝可能性li 后果分析 i i 风矗指标 i l风险估计l 安争程度?丫镤 丫的安j 图1 2 大坝风险评估 十年来，b ch y d r o 先后将上述风险管理方法应用于瓦利奇坝、阿洛伊特坝、 泰沙基坝和拉斯金坝等，在经济、有效地使用及管理这些大坝方面获得了巨大 的成功。目前，该公司的大坝安全风险管理在世界上具有最先进的地位，作为 世界范围内开发和利用大坝安全决策风险评估的先驱者之一，它成功的经验已 经为世界上越来越多的国家所借鉴和参考。迄今为止b ch y d r o 已经协助完成 第一章绪论 了许多国家的大坝安全管理工作，并且为许多国家的大坝工程和管理人员进行 了以风险为主的大坝安全管理培训，如澳大利亚，加拿大( 世界各国人员参与) 、 瑞典、英国和印度等。 ( 3 ) 澳大利亚【2 4 】【2 7 】【6 3 】【6 7 l 澳大利亚也是世界上几个较早将风险评价理论应用于大坝安全管理的国家 之一。目前，该国在水库大坝风险分析和管理方面处于国际领先水平，特别在 风险排序技术、应用非工程措施降低风险技术、应用专家经验定量风险评价技 术等方面尤其值得我们借鉴。 十年来，澳大利亚在大坝风险管理实践中获得了很大的成功，其中之一就 是将风险评价应用于群坝的安全管理。该方法是在对每一座大坝进行风险分析 的基础上实现的，即对某一管辖范围内所有大坝的风险分析情况进行评价，从 而提出经济而高效的风险降低策略，指导大坝安全管理工作。具体操作过程如 图1 3 和图1 4 所示。 ：熹竺零 上 ； l 足 ：二飘险是否可容忍或a l a i 寥，叫 放弃该方案 i 长期风险管理 i 。f 据l l洗审r r o 和有关措施l- i 实施降低m 险的措施l 图1 3a n c o l d 典型大坝风险评价程序 7 河海大学硕士学位论文 n 磊丽丽而网 厂广 大坝n 大坝肪大坝n 塑塑里! ：! 堡堂塑生堡竺ii 堕耍堕三夏堕! ! ! 堕f f 硐匕厂覆孺面r 习西百罚i f 丽 根据风险对大坝和溃决后果排序斗确定需惩= 研霓j 亡作的捧 为降低风险的方案 l、l根据决策规则为 排序，设置决策规则r 降低风险的方案排序 逐步深入研究 完成降低危急风险方案的选择 为实现预期目的， 启动降低风险的方案 完成研究后不断根据最新 情况更新降低风险的措施 不断完成降低风险的措施 长期风险管理 图1 4a n c o l d 典型群坝风险评价程序 此外，在澳大利亚，大坝风险评价和管理还要受到诸多法规和指南的控制， 其中最著名的就是澳大利亚大坝风险评价指南。该指南由澳大利亚大坝委 员会1 9 9 4 年颁布，对大坝风险管理中的几项重要工作，如风险人口分析、溃坝 影响评价、风险准则、群坝风险分析等均提供了详细的指导。 ( 4 ) 其他国家【6 8 h 7 7 j 除了上述几个国家以外，风险分析及管理技术在英国、芬兰、瑞典、挪威、 葡萄牙、巴西、泰国等国家的环境保护、流域开发、水利工程管理等众多方面 都有不同程度的应用。 1 2 2 国内研究现状 我国在大坝风险评价方面的研究开展相对较晚，在研究提高大坝安全的非 工程措施方面还基本处于起步阶段。但是近年来国内学者对风险( 特别是大坝 防洪风险) 的研究开展较多，大有后来居上之势。几年来，我国在大坝风险评 价己有理论和方法的应用方面取得了不少成绩【7 8 】，同时，还在不断开展风险 评价新理论、新方法的研究和探索 4 2 】【8 2 】 8 3 1 。 在大坝安全设计工作中，“如何把握安全适度的度( h o ws a v e i ss a v e e n o u g h ) 、“大坝的防洪设计标准选择是否合理”等，长期以来直是困扰水 利工程界的难题。由于我国现有的结构安全复核方法忽视了工程( 坝体、坝基、 8 一 第一章绪论 库盘两岸) 中存在的空间材料不均质、各向异性及长期静荷载或动荷载的变异 随机性等问题，也未深入计及各功能之间的交互作用，从而导致复核的最终结 果与实际情况相比，不是保守就是冒险。为此，梅亚东掣8 4 】研究了国外大坝防 洪设计早期经历的第一代、第二代标准和目前正处于发展阶段的第三代标准 一风险标准，指出我国目前关于大坝设计洪水的规定过于保守。考虑到我国同 发达国家在自然环境、社会经济水平、科学技术条件及价值取向( 如对个人生 命的强调程度) 等方面的差异以及个人和社会对风险的心理承受能力有所不同， 提出了适合我国国情的大坝失事允许概率计算方法。姜树海等【8 5 1 吲分析了随机 模糊不确定性因素对大坝防洪风险的影响，在承认现有规范规定的设计洪水标 准前提下，提出通过风险分析的比较和校核，采用允许风险指导值来评估大坝 的设防标准。李君纯等【2 8 】分析了目前国内常用的坝工结构安全复核方法、标准 及其存在的问题，提出了一种新的评价大坝安全的方法及相应的, e j 另j 标准。该 方法综合考虑了水库工程结构的安全性p 。和大坝兴利或成灾对人类社会的影响 因素叩，提出了大坝总体安全度s d ( s d = p 。i q ) 的定义，并将其作为大坝安 全评价的判别标准。 在水资源利用的实践过程中，常常要面对这样的尴尬局面：一方面水资源 短缺、供求形势紧张；另一方面来水时，为了确保大坝安全，又不得不全力以 赴地护送洪水下泄入海，以致于刚刚还在喊“水多”，一转眼马上又嫌“水少”。 为了缓解这一矛盾，洪水资源化成为大坝风险评价的又一重要内容，因为洪水 资源化将意味着增加水库应急泄洪和垮坝的风险。对此，吴湘婷等提出了 弱化风险的管理对策：加强工程管理，消除病险水库：提高调度技术，加强水 库防洪调度；建立、完善洪水保险机制和风险补偿机制等。 总之，经过几年来的不懈努力，我国在大坝风险评价中的研究对象和工作 重点已经从水文风险一直拓宽到水力、经济、社会、环境、运行管理、保险等 一系列风险问题上，并且取得了许多宝贵的经验和成果【9 0 1 9 ”。但是由于大坝风 险评价涉及的内容多，难度大，目前的研究对象大多只是针对某些风险要素相 对独立的实际问题或方法，带有一定的孤立性和局限性，理论和应用尚未取得 重大的突破。此外，当前国内外的风险管理理念正从早期的“分裂式”逐渐向 河海大学硕士学位论文 “整合式”转变，这要求风险评价的各个步骤之间的配合更加紧密，在每一步 骤的实施过程中都要以一种全面的眼光看待风险，这既是整合风险管理整个过 程的第一步，也是风险管理成败的关键所在。因为只有对风险因素进行了全面 彻底的分析，才能对风险有全面的把握，并在此基础上进行风险管理措施的选 择。所以，在风险识别和分析的基础上，解决各类风险之间的相互影响和转化 的机理关系，建立和完善大坝风险评价的基本理论体系是现阶段研究工作的当 务之急。 1 3 问题的提出 毋庸置疑，做好大坝的风险评价工作将有助于提高大坝安全管理水平，但 是每一种技术和方法都有其适用的范围和条件，我们不能直接照搬国外已经成 功的做法。目前，我国在大坝风险管理上还处于刚刚起步阶段，现有的评价理 论和方法尚不成熟，还有许多需要解决问题： ( 1 ) 大坝运行风险识别 目前国内外对大坝进行的风险分析，都是考虑了特殊的水文或地震因素开 展的，如特大洪水、地震等。但是大坝运行管理的实践经验表明，影响大坝安 全的最大风险成分是比可能最大洪水和最大可信地震小的多的荷载。在几种荷 载组合的情况下，大坝本身固有的或后天生成的安全缺陷暴露出来，导致大坝 发生恶性事故甚至溃决的例子在国内外屡见不鲜。我国大坝由于种种历史原因， 存在很多影响大坝安全的隐患，如变形过大、渗流异常、扬压力超过设计允许 值等这些隐患将随时影响大坝的安全运行，如果得不到及时发现并消除，即 使是在正常荷载组合工况下，大坝的安全运行也得不到保障。所以，我国亟待 进行正常运行情况下大坝风险因素的识别与分析研究。 ( 2 ) 风险分析新方法研究 国内外现有的大坝风险分析方法大都是基于概率论或模糊逻辑的。应用时 需要有大量详细的历史统计资料和通晓此类方法的专家。而我国恰恰缺少相关 方面的统计资料，这些资料的收集往往需要花费相当大的精力，有时甚至无法 获得。所以，迫切需要大坝工作者根据国内现有的条件，研究出一套合理且实 10 第一章绪论 用的风险分析新方法。 ( 3 ) 大坝运行风险评价模型研究 我国是世界上拥有大坝数量最多的国家之一，同时也是大坝存在问题最严 重的国家之一。受资金等因素的限制，同时对所有问题大坝进行彻底的补强加 固是不现实的。通过对每座大坝的运行风险进行综合分析，将大坝( 或安全缺 陷) 按其具有的风险程度进行排队，找出其中风险最大的一座或几座大坝( 一 种或几种缺陷) 实施安全改造，不失为现阶段解决资源短缺问题的一种切实可 行的办法。 1 4 本文研究的主要内容 针对上述问题，本文结合国家自然科学基金重点项目“重大水工混凝土结 构隐患病害监测与健康诊断研究”、教育部跨世纪人才基金及9 7 3 课题等项目， 重点从影响大坝安全运行的主要因素出发，探讨大坝运行潜在风险的识别和分 析方法，在此基础上，研究基于大系统理论的大坝运行风险评价模型。全文研 究的主要内容如下： ( 1 ) 大坝运行风险识别研究。综合分析国内外大坝失事和重大事故的原因， 在此基础上，研究基于遗传算法的改进层次分析技术，著将其应用于大坝运行 风险识别模型的建立。 ( 2 ) 大坝运行风险分析研究。提出大坝运行风险度的概念，在此基础上， 研究基于实测资料的大坝运行风险度分析方法，同时对大坝运行风险损失分析 进行一些探讨。 ( 3 ) 大坝运行风险评价模型研究。基于大系统管理优化理论、风险决策理 论以及快速列队法的思想，运用模糊数学的相关方法，对每座大坝进行风险识 别和分析，据此建立大坝运行缺陷优先处理模型和大坝群优化改造决策模型。 ( 4 ) 应用本文提出的模型和方法，对福建省古田溪梯级水电站大坝的运行 风险进行综合分析和评价，给出梯级大坝实施除险加固排序方案的决策建议。 河海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章大坝运行风险识别 所谓风险” 9 2 9 3 1 ，就是对生命、健康、财产和环境负面影响的可能性和严 重性的量度，具有不合意或不希望结果的含义。风险用于描述未来随机事件的 风险可能性或事故可能性，常常伴随着不确定性因素，是客观存在的，无时不 有、无所不在，它直接与潜在风险变成事故的频率、强度和持续时间的概率有 关。通俗地说，风险是可能发生的损失和失败。严谨地说，风险是要完成某项 工作的特定主体( 个体或群体) 将要发生不利情况的可能性。对于运行中的大 坝来说，其风险就是指大坝因设计、施工以及管理等方面的原因导致水库系统 达不到预期目标( 如安全运行、综合利用效益最大等) 的可能性，是大坝溃决 或发生事故的可能性和产生后果的综合量度期望值。 风险评价作为风险管理的基础，用以确定存在的风险是否可以接受、采取 的风险控制措施是否合理以及如何通过工程或非工程措施减少风险等。风险评 价通常包括风险识别、风险分析和风险评估，当认定风险可接受时，就保持原 来的状态，并力求获得最大的效益；当认定风险不可接受时，则采取相应的措 施降低风险，并跟踪监控该措施对于降低风险的效果，反馈信息到风险评价和 风险管理系统，以实现动态的风险控制。大坝运行风险评价就是通过对大坝运 行过程中的所有不安全因素进行识别、分析和评价，以便采取主动的控制措施， 对可能遭遇的风险做到防微杜渐、防患于未然，尽量避免和减少风险一旦转化 为事故造成的损失。从这个意义出发，大坝运行风险评价的全过程应遵循“事 自i 预防胜于事后补偿”的原则，在并不比可能最大洪水或最大可信地震更严重， 但更有可能发生的荷载作用下，改善大坝的性能，对发现的异常迹象及时采取 对策进行加固和处理，以最省钱的方式提高大坝的安全度。事实上，这样的大 坝安全风险较易评价，也容易采取措施予以降低。图2 1 表示了一个典型的大坝 运行风险管理过程，主要内容包括：识别和分析大坝运行中各种潜在的风险 因素；评价实际发生风险损失的可能性和风险事故的损失后果：在一定时 间和空间范围内改变、消除或抑制风险存在和发生的条件，降低风险发生的可 ，l 第二章大坝运行风险识别 能性和损失程度；确定并实旋风险分散、分担和转移机制；风险管理信息 反馈，实现连续的风险管理。 如图2 1 所示，大坝运行风险管 理计划是按照系统本身的逻辑程序进 行组织管理的。其中，最首要的问题 就是对各类风险因素进行识别，包括 了解风险的来源、范围、特性及与其 行为或现象相关的不确定性，可能发 生的事故类型，事故发生的原因和机 理等，并以此为基础对主要的风险因 素作进一步分析。这是风险评价的起 亟巫童亟堕堕 臣受堕巫堕亟固 匝亟亘堕至垂蔓口 1竺! ! 兰查兰竺竺兰竺兰型 i 竖 1堡竺兰竺竺竺竺苎竺 i 点，也是风险评价的基础，是一个系圈2 1 典型的大坝运行风险管理流程图 统地、连续地发现风险和不确定性因素的过程，在很大程度上界定了风险的本 质特征。大坝运行风险识别的任务在于对大坝的所有潜在风险进行分析、识别， 找出其中最主要的几个风险因素作为管理的对象。由于坝工的复杂性【9 “，要完 全排除大坝运行中的所有风险，保证大坝绝对安全，几乎是不可能的。只有通 过风险识别发现大坝运行过程中的各种潜在风险，并对其进行分析、量度，选 择适当的风险管理策略，才能保证大坝在其使用寿命期内能够抵御正常运行以 及异常灾害可能出现的各种不利情况。鉴于此，在制定大坝运行风险管理策略 时，要充分认识到风险识别的重要性。只有全面、正确地识别大坝运行中存在 的风险，才能保证对其进行的分析、评价和控制具有实际意义。如果对所有相 关风险未能作出正确的识别，就失去了对未能识别部分加以处理的机会。因此， 只要存在被忽略的风险，不管风险处理计划多么完善，就整个计划而言，也是 不完善的。一旦有重大风险被忽略，整个风险管理必将失败。 一般而言，大坝渍决失事是一种突发性事件，一旦发生就无法挽回，但是 引起大坝溃决失事的原因往往是有规律可寻的，多数大坝的溃决失事是某些不 安全因素由量变发展到质变的结果。本章将根据现有的统计资料，分析近几十 年来国内外大坝失事和重大事故的原因，为大坝运行风险识别最初因素集的建 立提供依据，在此基础上，建立大坝运行风险识别模型。 1 1 河海大学硕士学位论文 2 2国内外大坝失事及重大事故原因分析 与其他同类建筑物相比，大坝的设计更为坚固可靠，但是由于工作环境9 5 j 极端复杂，导致大坝在若干不利因素单独或综合作用下，仍然存在溃决的可能。 从目前国际坝工界大坝溃决或失事的概率来看，大坝的安全还有待进一步提高， 还应该从各工程的特殊情况或途径考虑。据考查，过去大坝溃决或失事大多是 由各工程的特殊原因造成的，主要有：洪水漫坝，或由于超标准洪水，或由 于泄洪设施突然失控；坝体质量及基础问题：其他管理等的问题。但至于 到底孰轻孰重，从国内外统计的资料分析，观点并不统一。鉴于此，本文分别 考虑了国外及国内情况，着重分析近几十年来大坝发生失事或重大事故的原因， 旨在从这些已经发生的大坝事故中，总结经验教训，为大坝运行风险评价提供 一些重要的信息。 2 2 1 国外大坝失事原因分析 通常引起大坝失事的原因是多种多样的，而且对于不同的大坝，其失事的 原因也有所不同。国外一些发达国家，如美国，在这方面的研究工作开展较早， 收集的资料也比较齐全。表2 1 和表2 2 分别列出了国际大坝委员会( i c o l d ) 1 9 9 5 年统计的世界范围内( 中国除外) 1 2 9 座土石坝的失事原因f 9 q 和1 c o l d “关 于水坝和水库恶性化”小组委员会统计的1 9 5 0 1 9 7 5 年间1 5 0 座混凝土大坝的 失事资料1 9 7 1 。 表2 1土石坝失事的主要原因 失事原斟土坝( )堆石坝( )堆石坝十坝( ) 漫项( 坝项)2 34 5 3 l 坝体内部侵蚀( 管涌) 2 082 3 坝基内部侵蚀( 管涌) 1 3j 3 i5 其他结构原因2 92 5 2 3 其他原因1 59 8 总计( )1 0 01 0 0 i o o 火坝总数量( 座) 9 22 4 l3 第二章大坝运行风险识别 表2 2混凝土坝失事的主要原因 失事原因相对比例( )备注 洪水漫项2 9如：遭遇特大洪水、设计洪水水位偏低或泄洪设备失灵 如：地质条件过于复杂致使勘测和设计时未能充分考虑而 导致基础失稳、设汁时对荷载的估计过于乐观或发生 结构破坏 2 4 特殊荷载作用致使结构变形和应力过大而导致坝体结 构的破坏 坝基异常渗流1 2如：扬压力过高、渗流量过大 如：结构开裂、侵蚀和风化以及施工质量等原因致使坝体 老化、材料变质 i7 材料强度降低 其他特殊原因 1 8 如：库区两岸岩体丈滑坡、严重的人为过失 台计( )1 0 0 大坝总数量( 座) 1 5 0 应该指出的是，在统计相同时段内的大坝失事数量中，土石坝所占的比例 要达到7 0 以上，甚至更多。现结合以上数据以及相关资料9 8 l 【1 0 0 】，对国外大 坝失事的主要原因分析如下： ( 1 ) 洪水 据统计，大约有一半的溃坝是由于不同频率的洪水造成的。尤其当水库系 统的重要建筑物之一泄水建筑物存在问题( 如泄流能力不足) ，而又遭遇 洪水或上游大坝突然溃决时，有很大可能性造成整个水库系统损伤、故障进而 失事。这样的事例仅土坝就占4 4 左右。 ( 2 ) 地震 地震作为一种偶然荷载，一旦发生对坝体造成的损坏是非常严重的：地震 波到达建筑物后，往往会引起建筑物的震动，同时在结构中产生复杂的剪应力 和弯曲应力，从而使建筑物受到破坏。地震对土坝造成的破坏一般表现为滑坡、 裂缝以及较大的沉降变形等。 ( 3 ) 战争 到目前为止，除中国以外，大约有0 1 高度超过3 0 m 的大坝曾遭受过战争 的严重破坏，其中至少有3 座已经完全溃决。般受到战争威胁的大坝，都是 那些溃决后果比较严重的大坝，而高3 0 m 以下的大坝被卷入战争的则较少。 ( 4 ) 坝基破坏 坝体主要依靠与坝基和岸坡的紧密结合来抵抗外部荷载的作用，坝基如果 1e 河海大学硕士学位论文 出现问题就会直接威胁大坝的安全。据统计大约有4 0 的大坝失事是由基础引 起的。坝基破坏主要由坝基地质缺陷或处理不当引起。在所有坝型中，由于钢 筋混凝土坝、混凝土坝及堆石坝体型小、地基应力大、坝体自身适应变形的能 力差，因而对地基的要求较土石坝要高。 ( 5 ) 渗流 水库蓄水后，必然通过坝体、坝基和两岸产生渗流。如土石坝随着水位的 抬高。孔隙水压力逐渐增加，严重者可导致土体发生管涌、流土、接触冲刷和 接触流士破坏，进而引起坝基和坝体破坏。若土石坝碾压不密实，坝体内往往 会形成隐患裂隙以及渗流通道或透水层，导致坝体浸润线抬高，最终可能引起 坝体破坏。对于含有石膏或其它可溶性物质的地基，渗流可能会引起地基的侵 蚀，使坝体产生不均匀沉降。软弱夹层或断层在渗透水流的作用下，层面强度 降低，引起坝基或坝体滑动。同时水流沿着坝体两岸节理、裂隙、断层或软弱 夹层发生侧岸绕渗，抬高岸坡部分坝体的浸润面和坝基扬压力，给水库蓄水或 坝体安全带来影响。此外，由于渗流是地下水所为，常常被忽视，因此破坏性 比较大，据维也纳世界大坝失事数据站统计，因渗流控制不当而引起的大坝失 事占3 4 左右。 ( 6 ) 滑坡 水库一般修建于高山峡谷地区，经常会遇到岸坡稳定问题，一旦发生滑坡， 将造成很大的危害。如堵塞泄水建筑物，直接威胁建筑物的安全；大体积滑体 高速滑入水库激起巨大涌浪，对大坝形成很大的冲击荷载，甚至漫顶，导致大 坝失事。 ( 7 ) 施工质量 由于施工质量差而使坝体出现问题的现象比较普遍，如坝身分层、分段和 分期填筑时，层与层、段与段以及前期与后期之间的结合面处理不好；在土坝 填筑过程，对坝体填料控制不严，土体含水量过高，碾压不密实，坝体出现不 均匀沉降、纵横裂缝，使坝体漏水或影响坝体安全；坝基未作清基处理或清基 不彻底，又或者未对地基进行处理，运行中坝基形成渗水通道或坝后出现诸多 渗透破坏现象等。 以上列出的7 种典型大坝失事原因中，除了前三种属于特殊荷载外，其余 1 6 第二章大坝运行风险识别 都属于正常荷载情况。 2 2 2 国内大坝失事及重大事故原因分析 相对于一些发达国家来说，以前我国对大坝安全的重视程度不够，相应的 资料统计、分析工作进行较少。但随着近年来国内对大坝安全管理的不断加强， 这方面的工作也逐渐开展起来。据最新统计，从1 9 5 4 年至2 0 0 1 年，我国共发 生水库溃坝3 4 6 2 座，其中大型水库2 座，中型水库1 2 4 座，小( 1 ) 型水库6 6 8 座，小( 2 ) 型水库2 6 6 8 座，详见表2 _ 3 。 表2 3我国各类水库溃坝统计表( 1 9 5 4 2 0 0 1 ) 水库规模大型中型小( i ) 型小( 2 ) 型总计 已建坝数( 座) 4 2 02 7 4 415 1 2 66 5 7 9 38 4 0 8 3 占总数的百分数( )05 0 32 51 79 97 82 61 0 0 占总库容的百分数( )7 31 1 49804o1 0 0 溃坝数( 座) 21 2 46 6 82 6 6 83 4 6 2 占总溃坝的百分数( )0 0 63 5 8 1 9 2 97 70 71 0 0 溃坝率( ) 0 4 845 344 240 641 2 年均溃坝率( ) 0 1 0 1 10 9 6 4 609 3 9 6 08 6 2 808 7 6 i 1 9 8 0 年以后年均溃坝率( )00 0 0 0 0 1 1 0 702 7 7 706 4 0 l05 5 4 5 由表2 3 可见，占水库总数9 6 2 5 的小型水库，其溃坝数约占总溃坝数的 9 6 3 6 ，是目前我国大坝安全管理面临的主要威胁。经调查分析，造成我国大 坝溃决的主要原因归纳如下： ( 1 ) 漫坝，如泄洪能力不足、洪水超过设防标准等； ( 2 ) 质量问题，如坝体、坝基渗漏、坝体滑坡等： ( 3 ) 管理不当，如维护运用不良、超蓄导致防洪标准降低、无人管理等； ( 4 ) 其他原因，如人工扒坝泄洪、工程设计不当等： ( 5 ) 原因不详。 除了以上提供的溃坝资料外，我国还有大量的水库大坝曾经发生过不同程 度的事故。表2 4 列举了1 9 6 1 1 9 9 8 年间我国水库大坝发生一些重大事故1 。 河海大学硕士学位论文 表2 4我国水库丈坝2 l 起事故的主要经过( 1 9 6 1 1 9 9 8 ) 坝高总库容 大坝名称事故经过 ( m )( 亿m 3 ) 桕溪单支墩 1 0 43 56 5 1 9 6 1 年，大坝首次蔷水至1 4 89 m 时，上游右岸发生丈规模滑坡， 大头坝掀起巨大涌浪，库水漫过坝顶泄向下游，造成一定损失。 新丰江单支 1 0 51 3 8 9 6 1 9 6 2 年，距坝1 1 k m 处发生61 级地震，坝高1 0 8 5 m 高程处产生长 墩大头坝8 2 m 的贯穿性水平裂缝，导致库水渗漏被迫降低水位运行。 1 9 6 2 年，右岸垛基突然大量渗漏，同时向上抬动垛顶强烈摆动， 梅山连拱坝8 8 2 42 2 6 3 坝体出现几十条裂缝，大坝处于危险状态，被迫放空水库进行加固。 修文拱坝4 9o 1 1 71 9 6 3 年，泄洪时洪水漫过坝顶0 4 m ，历时约2 h 。 柘溪单支墩 1 0 43 56 5 1 9 6 9 年，1 号支墩1 1 45 m 廊道西侧出现劈头裂缝，缝内严重射水 大头坝1 9 7 7 年，2 号支墩产生劈头裂缝，被迫降低库水位运行。 佛子岭连拱 7 5948 7 1 9 6 9 年泄洪时洪水漫过坝顶，持续2 52 5 h ，漫项高度10 8 m 坝 坝后厂房被毁，两岸遭受严重冲刷破坏，损失巨人。 1 9 7 1 年汛后消力塘两岸侧墙冲刷严重，后经水下检查发现右侧墙冲 龚嘴重力坝8 5 34 5 坑晟大深度1 15 m ，大小冲坑8 6 个，漂木道和分水墙冲刷破