（水工结构工程专业论文）东周水库风险分析与除险加固方案研究.pdf

摘要 我国病险水库面大量广，这些病险水库的存在严重制约了经济社会的发展， 威胁着人民生命财产的安全。面对如此严峻的形势，国家对大坝安全问题给予了 高度重视。近年来，借鉴国外经验，开展大坝风险分析方面的研究，以加强大坝 的安全管理。风险分析就其内容，可分为风险识别、风险估计和风险评价。 本文结合东周水库的实际情况，在全面分析其安全鉴定评价和加固设计方案 的基础上，对东周水库进行风险分析。首先进行风险识别，针对大坝加固前后存 在的问题，查找大坝所有可能的失事模式，利用所建立的失事模式筛选模型，从 所有可能的模式中，筛选出对大坝安全威胁最大的模式。依据这些失事模式推测 出大坝的可能失事路径。其次进行风险估计，引入事件树进行大坝失事风险率的 研究，估算出加固前后的失事风险率，对加固前后的失事风险进行比较，找出加 固工作中的薄弱环节，以查漏补缺，为大坝的进一步加固处理，提供依据。 经比较加固前后的风险，得知加固后的失事风险率较加固前明显减小，但由 于加固工作中未对存在较大风险的溢洪闸进行处理，给加固后的大坝埋下了隐 患，使得加固后的风险依据较大，因此，有必要对溢洪闸进行即时的加固处理。 针对东周水库溢洪闸现状存在的问题，为确保大坝安全，建议将溢洪闸拆除 重建。本文给出了溢洪闸重建方案。 关键词：风险分析；失事模式；筛选模型；事件树；失事风险率 a b s t r a c t t h ea r e ao fc 1 1 i n a sd a n g e r o u sr e s e r v o i r si sl a r g e t h e s ed a n g e r o u sr e s e r v o i r s s e r i o u s l yh a m p e rt h ee c o n o m i ca r l ds o c i a ld e v e l o p m e n ta n dt h r e a t e nm es a f e t ) ，o f p e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t ) r f a c i n gw i t l ls u c hag r i ms i t u a t i o n ，c h i n aa ：t t _ a c h e sg r e a t i i l l p o r t a n c et 0t h ei s s u eo fd 锄s 撕 i i lr e c e my e a r s ， a c c o r d i n gt of 0 r e i g ne x p e d e n c e ， w el a u n c h e dt l l ed a mr i s k a 1 1 a l y s i ss t u d ya i l ds t r e n g m e nt h ed a ms a f e t ) ，m a l l a g e m e m a c c o r d i l l gt 0t h ec o n t e m ， r i s ka n a l y s i sc a i lb ed i v i d e di n t o 订s ki d e n t i f i c a t i o n ，r i s ke s t i m a t i o na n dr i s k a s s e s s m e n t t h ea n i c l ec o m b i n e st l l ea c t u a ls i t u a t i o no ft 1 1 ee a s t e mz h o ud y n 螂ri 沁s e r v o i r o nn l eb a s i so fi d e n t i f i c a t i o no fac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fi t ss e c 谢晦e v a l u a t i o n a i l dr e i n f o r c e m e n td e s i 印，t h e 积i c l ea i l a l y z e se a s t e mz h o ud y r 粥够r e s e r v o i r 慰s k f i r s ti d e n t i 矽i n gr i s k ，i n 吐i el i g h to ft h ep r o b l e m sb e f o r ea 1 1 da r e rs 仃e n 垂h e i l i n gt h e d a m ，f m da l lp o s s i b l ed a mc r a s hm o d e s ；a 工l dt h e ns e l e c tt h eb i g g e s t 也r e a tt o 也ed a m s a f e 够m o d e lf b m a l lp o s s i b l em o d e s a c c o r d i i l gt 0m e s em o d e l sj s p e c u l a t et h e p o s s i b i l i t ) rp a t ho fd 锄c r a s h s e c o n dr i s ke 妣n a t i o n ，s m d yo nt h ed 锄a c c i d e n tr i s k 谢t ht h ei i l t r o d u c t i o no fe v e n t 彀e e e s t i m a t e 吐l ea c c i d e n tr i s kb e f - o r ea n da 8 e r r e i r 怕r c e m e ma n dc o m p a r et 1 1 ed i f i f e r e n c e s f i n dt 1 1 e 、e a kl i n k si nr e i n f o r c e m e mt 0 a d d r e s sg a p sa n d p r o v i d e _ c 1 1 eb 撕sf o r 缸恤e r r e i 幽r c e m e n to fm ed 锄 a 缸rt h ec o 叫) 撕s o no fb e f o r ea i l d 蚯e rr e i i 面r c e m e n t t 1 1 er i s kr e d u c e s h o w e v e r ，r e i n f b r c e m e mw o r kd i dn o td e a l 耐t ht 1 1 es p i l l 、a yo fb i gr i s k s ，砌c h m a k e sm a tn l er i s ki ss t i l ll a 玛e r s oi ti sn e c e s s a r yt oc a r 巧o u tm es p i l l w a yi m m e d i a t e r e i n f o r c e m e n t r e v i e wt h es p i l l w a ys e c u r i t ) ，；t h ea n i c l ep r o p o s e sd e m o l i t i o na i l dr e c o n s t n l c t i o n o fm es p i l l w a y t m sp a p e rp r e s e n t sar e c o n s t n l c t i o np r o 伊a m m e r k e yw o r d s ：掰s ka n a i y s i s 、 c m s hm o d e 、 s c r e e n i n gm o d e l 、 e v e n tt r e e 、 c r a s hr i s k 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 零趁茸 日期： 垒翌：i ：丛 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：金桴吖导师签名李奄雪付期： 东周水库风险分析与除险加固方案研究 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 水是人民生活和工农业生产不可缺少的自然资源。由于气象和地理条件的限 制，中国的水资源存在两大特点，一是地区分布不均，长江流域和长江以南水资 源占全国总量的8 0 ，而黄淮海三大流域水资源仅占仅占总量的8 ；二是降水 在年内分布不均，降雨多集中在每年的7 、8 、9 月份，此时易造成河川洪水和土 地涝泽，洪涝灾害较多，在干旱季节又时有旱情发生，加之降雨在年际分布上的 不均匀，更增加了供水和防洪治涝的困难。为了充分开发利用水资源，对河流进 行控制和改造，采取工程措施合理使用和调配水资源，以达到兴利除害的目的， 我国自建国以来，大力兴修水利工程。据统计，到目前为至，全国已建成各类水 库达8 5 万余座，其中大中型水库2 8 0 0 余座，堤防2 0 万k m ，居世界首位。这 些堤坝保护着3 亿多人口、4 亿多亩农田和上百座大中城市防洪与供水安全，年 供水能力达5 0 0 0 多亿m 3 ，同时在发电、养殖、旅游等方面，发挥了显著效益， 为促进国民经济的发展、保证国家和人民生命财产的安全起到了重要作用。 水库是通过填筑的大坝来抬高水位、拦蓄水量的水利工程，在运行管理中， 必须确保水库大坝的安全。一旦大坝失事，将给下游地区造成严重的毁灭性灾害。 从历史上看，大坝失事造成人员伤亡和财产损失是巨大的【2 1 。1 9 6 3 年海河流域南 系发生大洪水，刘家台水库( 中型) 大坝溃决，下游9 0 0 多人死亡；东川口水库 ( 中型) 大坝溃决，下游5 0 0 多入死亡，直接经济损失6 0 亿元。1 9 7 5 年洪汝河、 沙颍河、唐白河发生大洪水，板桥、石漫滩两座大型水库、田岗等两座中型水库 及5 8 座小型水库溃坝，1 1 0 0 万人受灾，数万人惨遭灭顶；近年来，发生险情的 多为中小型水库，危险性也非常大。 我国的水库大坝相当一部分是在缺乏经验和资金、技术力量不足的情况下， 通过群众运动兴建的，这些工程大部分属于所谓的边设计、边施工、边运行的“三 边”工程，设计标准低，施工质量差，还过分强调了“多快好省”等等；同时，我 国大部分水库工程都已运行了几十年，设备的老化失修非常严重，加上管理落后， 1 因此，水库病险率较高。根据全国病险水库水闸除险加固专项规划，全国共 有病险水库3 0 4 1 3 座。据初步统计【i 】，全国共有病险水库3 0 4 1 3 座，全国影响县 城以上城市的大中型病险水库共4 2 1 座，其中大型病险水库影响城市7 0 座、县 城9 2 座；重要中型病险水库影响城市1 0 9 座、县城1 9 3 座。病险水库一旦发生 事故，将给下游人民生命财产带来巨大损失。除此之外，大量水库带“病”工作， 必将导致工程效益衰减，制约社会经济的可持续发展。 面对水库大坝存在的如此严重的病险问题，我国政府对其安全管理给予了高 度重视，出台了一系列政策法规【4 1 。1 9 9 1 年国务院发布第7 7 号令“水库大坝安全 管理条例”；1 9 9 4 年水利部会同电力工业部发布了“土石坝安全监测技术规范”； 1 9 9 5 年3 月水利部制定了“水库大坝安全鉴定办法”，1 9 9 5 年1 2 月制定了“水库 大坝注册登记办法”；19 9 6 年发布了“土石坝监测资料整编规程”；2 0 0 1 年颁布了 “水库大坝安全鉴定导则”，并正在进一步考虑制定、完善一系列法规，包括水库 大坝安全管理办法、除险加固管理办法、水库大坝降级使用和报废的管理办法和 标准、仪器设施和施工队伍的准入办法等等。水库大坝安全管理的法制建设越来 越完善，正在稳步进入法制轨道。 1 9 9 9 年水利部调查认为，4 0 以上的大、中型水库、3 5 以上的小型水库属 三类病险库，需除险加固，需要国家大量资金投入。截至2 0 0 6 年底，中央已安 排投资2 4 4 亿元，使2 0 1 2 座病险水库得到除险加固。但是，由于我国病除水库 面大、量广，而除险加固资金有限，不能全面彻底地进行除险加固，因此，很多 水库的病险问题仍然非常严重，病险水库仍然大量存在。为了把国家有限的除险 加固资金用在最需要进行除险加固的水库大坝上，有必要借鉴国外的先进经验， 探讨新的大坝安全管理模式。 目前，很多国家已经将“风险”概念引入到大坝安全管理中，大坝风险管理以 降低大坝风险为目俐3 1 ，使工程除险规模和下游经济现状及发展相适应，采取综 合措施，把大坝风险降低到下游能够承受的水平，按风险是否可以接受来决定是 否需要对大坝进行除险。从风险的观点看，任何水库大坝都是有风险的，加固以 后的水库大坝也是存在风险的，关键在于存在的风险是否能被社会接受、是否降 低到了某一风险标准之下。按风险对大库大坝进行管理，就必须评估那些病险水 库的风险有多大，哪些大坝必须立即加固，哪些可以缓后，按水库大坝风险的轻 2 重缓急有计划地进行除险，这样就可以把国家有限的除险加固资金用到最需要的 地方。 近年来，我国政府积极借鉴国外的先进经验，提出新的大坝安全管理思路， 要求从以往的工程安全理念向工程风险理念转变。任何大坝都是有风险的【3 1 ，风 险来自大坝的溃决可能性和溃决对下游所造成的影响两个方面。前者与大坝的安 全性有关，后者与下游社会经济发展程度有关。这种风险是在以人为本的理念基 础上发展起来的新概念，它不仅仅关注工程安全，更加关注公共安全。和水库大 坝安全的概念相比较，风险的概念更加全面，更能综合地、定量地反映工程与人、 工程与社会的关系，是一种更为科学、全面、系统的管理技术。在今后一段时期 内，大坝风险管理必将成为我国水利事业的重要研究课题之一。 我国水库大部分修建于上个世纪5 0 年代到7 0 年代，受当时的历史背景和技 术条件的限制，大坝建设从勘测、规划到设计、施工都埋下了许多风险因素，这 些风险因素对完建后的大坝运行带来了风险。因此，我国相当一部分水库大坝不 同程度的存在着病险隐患。这些病险水库大坝危及城镇、主要交通干线等基础设 施及群众的生命财产安全，制约着经济社会的可持续发展。正因如此，对大坝进 行安全评价，对病险水库大坝进行除险加固，是当前水利工作的重中之重。风险 分析作为水库大坝安全评价的新技术，用概率论来定量判断大坝安全性。并为病 险水库除险加固提供可靠、科学的依据。 我国以往对水库大坝的安全鉴定，其重点是工程某一方面的安全性是否满足 设计和规范要求，工程是否安全。而风险分析的重点是溃坝事件是否发生，构成 这一事件的各个环节是否会发生。两者的有机结合可以大大增加判断的可操作性 和准确性。 二十多年来，我国的水库大坝的除险加固工作已经取得了显著的成效，但是， 由于我国病除水库面大、量广，而除险加固资金有限，不能全面彻底地进行除险 加固，因此，很多水库的病险问题仍然非常严重，病险水库仍然大量存在。为了 把国家有限的除险加固资金用在最需要进行除险加固的水库大坝上，在对病险水 库大坝安全鉴定的基础上，进行溃坝风险分析，评价出水库大坝的安全现状，从 而明确水库大坝的风险程度，以便在对工程进行除险加固规划时权衡其轻重缓 急，正符合我国的实际情况。另外，对已经经过除险加固的水库大坝，分析比较 其加固前及加固后的风险，对于评价除险加固工作的成效性，找出加固工作中的 气 薄弱环节，从而，为今后的工作积累经验，为进一步的除险提供依据，将更具有 现实意义。 1 2 国内外风险分析研究现状 1 2 1 风险分析的相关概念 风险这个词起源较早，并在现代社会中被广泛应用在各个领域。但是，由于 要解决的问题以及人们对风险认识角度的不同，因而对风险的概念有不同的理 解。我国g b j 6 8 8 4 建筑结构设计统一标准对风险给出了严格的定义忉：系统 在规定的时间内和规定的条件下，不能完成规定功能的概率。该定义可以衡量风 险事件出现的概率，但不能反映事件造成损失的程度。贝叶斯理论则将风险定义 为：事件发生的后果与预期后果背离的程度及其发生的概率，这一风险定义可以 较为全而地衡量风险事件的两大要素，即风险率和风险后果的综合作用，表明风 险是风险率与风险后果的函数。对于水库大坝而言，其存在的风险应该是在各种 可能的情况下，大坝失事造人员伤亡、经济损失、社会影响和环境破坏等的可能 性。这一风险的概念既包括大坝失事发生的可能性，即失事概率，又包括失事后 所产生的不利后果。通常人们采用“积”的概念表示该风险，即水库大坝风险值尺 是由失事概率p ，以及失事造成的损失的乘积来确定，即： 尺= 咒 大坝的风险分析是评价和改进大坝安全度的有效工具，它能结合工程判断深 入地研究大坝的弱点或缺陷，提高对失事原因和溃坝后果的认识，为决策提供科 学的依据【5 】。风险分析的目的在于评价现有大坝的安全富余或系统可靠性是否可 以接受或在系统失事概率或失事后果两者之间选择一种控制风险的方案。风险分 析可以是定性的或定量的，它主要包括三部分内容，即风险识别、风险估计和风 险评估。它们之间的关系可用下图表示。 ( 1 ) 风险识别 风险分析的第一步就是风险识别，风险识别是从能引起大坝失事的各种事件 开始到失事的各种后果，逐一地鉴别每一个事件。在这一阶段中，主要任务是通 过专家判断和专家经验，结合可用资料的分析和现场勘察，找出所有可能的失事 模式，水库大坝在不同的荷载状态下的失事模式主要有漫顶、渗流破坏、滑动、 4 结构破坏及液化等，这里所指的荷载有汛期洪水荷载、非汛期水荷载和地震。从 这些失事模式中识别出对大坝安全威胁最大的模式，从而确定大坝在主要失事模 式下的所有可能的失事路径。风险识别过程主要分为三个步骤：初步判明风险所 在；查找风险因素；进行严重性分析。风险识别阶段主要采用定性方法，包括层次 分解方法、专家判断方法和幕景分析的方法等。 ( 2 ) 风险估计 风险估计就是对风险进行量测，是在风险因素识别的基础上，通过对所收集 的大量的损失资料加以分析，运用概率论和数理统计方法，对失事事件树中各个 分枝事件发生的概率的计算、最终导致大坝失事所引起的各种损失的计算、以及 综合各种事件计算整个大坝系统的风险。目前，对于风险率的计算主要有历史资 料统计法、可靠度理论法及事件树法。大坝失事造成损失主要包括人员伤亡、经 济损失和生态环境破坏等，应按不同的方法，对各项损失进行逐一计算。 ( 3 ) 风险评价 风险评价是根据风险估计得出的失事概率和损失后果，把这两个因素结合起 来考虑，用某一指标决定其大小，如期望值、标准差、风险度等。再根据国家所 规定的安全指标或公认的安全指标，去衡量风险的大小和程度，以便确定风险是 否需要处理和处理的程度。 在实践中，风险识别、风险估计和风险评价，绝非互不相干，常常互相重叠， 需要反复交替进行。 1 2 2 国外风险分析研究现状 风险分析技术的发展，早在2 0 世纪7 0 年代初起源于美国，主要应用在军事 工业方面【3 1 。8 0 年代美国将风险分析技术引入了大坝安全管理，发表了不少关于 水库大坝风险分析的原理、方法和实例的文章，推动了风险分析技术在大坝安全 管理方面的研究与应用，大坝风险分析技术得到了迅速发展。随后世界上许多发 达国家，如加拿大、澳大利亚和西欧等国也积极开展大坝风险分析技术的研究。 下面分介绍这些国家大坝风险分析的发展现状。 ( 1 ) 美国美国各部门对于水库大坝洪灾风险的评价各不相同。美国陆军工程 师团( u s b c e ) 的h a g e n 在1 9 8 2 年最早提出了风险的概念，他提出用相对风险 指数来判别大坝风险，相对风险指数由洪水漫项的各项风险因素值与洪灾各项风 险损失值的和来确定。这种方法中的各类风险值凭借专家经验判断，若相对风险 5 指数高，则表明所评判的工程危险。目前u s b c e 正在进行一项为期5 年的在大 坝安全方面应用风险分析的研究项目，u s b c e 认为风险分析可用于大坝加固工 作的排序，也可用于传统的决策支持。美国垦务局( u s b r ) 负责管理3 5 0 多座 大坝，是美国大坝管理机构之一，u s b r 推荐使用现场评分法来衡量水库大坝的 风险。现场评分法是在美国陆军工程师团h a g 髓( 1 9 8 2 ) 的启发下形成的。该方 法是考虑影响大坝安全的各风险因素，如工程龄期、建筑质量、渗流态势、结构、 库容水头、洪水、地震等。将各因素构成的险情分成低、中、高、极高4 极，各 级从低至高相应赋予风险值，然后求出各因素风险值的和，若某工程的这一和值 高，则表明该工程危险。u s b r 在风险分析和评价方面最基本的观点是，风险分 析和评价应视为改进风险管理的一种手段，是大坝管理的一部分。美国国家气象 局( n w s ) 针对大坝溃决的下游影响问题，开展了溃坝洪水及其演进研究，开发 了一系列溃坝模型，为溃坝洪水计算提供了强大的软件支持，大坝风险分析可以 直接应用这些计算成果进行溃坝后果评价。 ( 2 ) 加拿大加拿大不列颠哥伦比亚省水电公司( b ch y d r 0 ) ，是加拿大第三 大电力能源局，负责6 l 座大坝。b ch v d r o 于1 9 9 1 年把风险分析方法引入大坝安 全评估中。多年来已经在大坝风险管理方面积累了丰富的经验，在国内外数十个 工程上应用了风险评价技术，在国际上占有重要位置。自1 9 9 7 年来经历了重要的 发展，提出了一种改进风险评价方法。这种改进的方法中考虑了满足法规的需 要和社会的期望，充分注意了和业主的合作，量化了风险，并且得到的分析结果 和权威性的工程实践相当一致。b ch y d r 0 风险分析有3 个主要目标：确定水库 大坝的安全程度；确定水库大坝是否安全的判别标准；用最经济的方法加固 不安全大坝达到安全的标准。 ( 3 ) 澳大利亚澳大利亚风险分析已经在相当数量的水库大坝上应用。在昆 士兰州，已在三分之二的水库大坝上应用。群坝风险评价也已经在澳大利亚的几 个大坝群中应用，并取得了一系列成果。澳大利亚有关大坝法规建设和风险管理 也走在世界的前列。1 9 9 4 年，澳大利亚大坝委员会颁布了风险评估指南，为 大坝安全评估的应用提供了概念性基础，1 9 9 5 年以来不断对指南进行修订，2 0 0 3 年完成了新指南的草稿，该草稿提供了澳大利亚大坝风险管理的一般性框架，确 定了风险分类、风险分析、风险评估和风险处理过程中的主要步骤。除此之外， 还制定了许多风险评估工作中的其他指南，例如，1 9 9 4 年的大坝安全管理指南， 6 1 9 9 8 年大坝地震设计指南和大坝环境管理指南，1 9 9 9 年大坝可接受防 洪能力选择指南，2 0 0 0 年5 月大坝溃决后果评估指南，2 0 0 2 年2 月昆士兰州 政府自然资源和矿产部大坝溃决影响评价指南和昆士兰州大坝安全管理指 南等。 ( 4 ) 荷兰荷兰在大坝堤防上应用风险评价方法已经多年，也处于世界大坝风 险管理的前沿。1 9 5 3 年导致1 8 0 0 多人死亡的特大洪水之后，荷兰建立了“三角 洲委员会”，1 9 5 8 年制定了防护高水位的安全标准。作为基于风险的方法，委员 会建议考虑堤防簏工的费用随堤防溃决所造成的经济损失的变化。然而，由于技 术上的困难，包括堤防溃决的概率计算，故采用了一种规定水位加上波高的简化 方法，或者说“漫顶概率”。同时，出现了一种新的基于风险评价的安全观念，认 一为安全是与洪水概率和后果的洪水风险有关。为了决定降低风险的策略，必须考 虑所有起作用的参数，包括堤防的整体性。一个由挡水建筑物技术咨询委员会的 研究项目正在进行，研究发展可靠性技术，用于评价堤防系统的溃决概率。目前 该系统是非常先进的，带有几个已经进行过分析的算例。 除此之外，英国、芬兰、瑞典等国也不同程度的进行了大坝风险分析技术的 探索。综上所述大坝风险分析技术的发展大体可分为三个阶段：初级阶段或者 说探索阶段，时间为2 0 世纪8 0 年代，代表性的成果有：美国陆军工程师团的相 对风险指数方法、美国垦务局的现场评分方法和葡萄牙工程师提出的综合风险指 数方法，该阶段特点是：根据大坝现状和致险因素分析，选择某些影响大坝和下 游安全的因素，根据专家经验，对每个因素的风险等级进行赋分，综合后得到溃 坝风险的综合分值，以此来评价大坝的风险。计算简单，可操作性强，但概念和 体系不完整。风险概念和体系形成阶段，时间为2 0 世纪9 0 年代，建立了完 整的风险管理法规和指南，形成了一套系统、完整的风险分析方法和评价管理体 系。将大坝作为一个系统，采用故障树和事件树方法分析大坝系统各组成部分的 破坏概率，对下游的人员、经济损失和社会、环境影响进行评价，建立可接受和 可容忍的风险标准，从而对大坝风险做出判断。代表性的国家有加拿大、澳大利 亚、美国、荷兰、英国等。以2 0 0 0 年第二十届国际大坝会议为标志的现阶段， 大坝风险分析已经成为体系完整的决策工具，对生命损失估算、应急预案、溃坝 洪水分析平台等进行了详细研究。2 0 0 3 年，澳大利亚大坝委员会正式发布了风 险评价指南，国际大坝委员会发布了大坝安全管理中的风险评价指南。该 7 阶段的特点是，将降低和避免生命损失作为大坝风险管理的重点研究内容，明显 加大了科研和风险管理的投入力度。 1 2 3 国内风险分析研究现状 我国在2 0 世纪8 0 年代也开展了风险分析方法在水利工程和防洪减灾领域中 运用的研究忉。2 0 世纪8 0 年代未期进行了可靠行分析方法在水工水力学领域运 用的研究，讨论了基于可靠性分析的面流消能工优化设计，提出了泄水建筑物空 化风险设计方法。此后，我国许多学者在施工导流风险分析和方案优化决策、大 坝防洪调度的风险分析和防洪安全评估校核、河道堤防的行洪风险分析和设防标 准的确定、洪水风险图绘制和洪灾损失评估以及水文水力随机量的定量分析方 面，开展了大量的研究工作，取得了一批重要的科研成果，有利地推动了水利工 程风险设计和防洪减灾风险管理工作的进展。 我国风险分析在水库大坝上的应用研究起步较晚。主要成果包括【3 】：抗力 和作用的随机性研究：洪水、风浪的随机分布规律和分布参数的确定，p m f 值的 估算及其对应的重现期研究，泄洪能力及其影响因素的随机性研究，库容不确定 性研究；风险模型与估算方法研究：风险模型的建立，风险的计算方法和数值 计算手段；灵敏度分析：即各种因素对风险影响程度的分析；风险标准的研 究：确定恰当的风险标准，使其既能被社会公众所接受，又具有好的经济效益， 包括投资一效益一风险分析、社会公众心理调查、政策研究等；系统分析和事 故树分析研究：将系统理论、事故树分析手段应用于水利工程系统之中，分析其 结构、组织，使总风险分解成单项风险时，不重叠、不遗漏等。2 0 0 0 年，国际大 坝委员会在北京举办了第2 0 届国际大坝会议，该次会议对中国大坝风险评价技术 的研究发展起了重要作用。2 0 0 3 年，我国水利部与澳大利亚g h d 公司合作，应 用风险评价技术对中国安徽滁洲沙河集水库加固前后的风险情况作了系统分析。 中国在大坝风险评价技术方面开始和世界接轨。 1 3 本文研究的主要内容 本文结合东周水库的实际情况，在深入研究东周水库安全鉴定结论和加固设 计方案的基础上，进行了风险分析与除险加固问题的研究。本文的主要内容概况 如下： 第一章绪论，阐述了本文的研究背景，详细介绍了风险及风险分析相关概念。 对国内外风险分析的研究现状加以综述。 8 第二章详细介绍了东周水库的工程概况和水库存在的主要问题，以及针对水 库存在的主要问题，保安全除险加固工程所采取的主要加固设计方案。 第三章本章重点对风险识别的方法进行探讨，建立了水库大坝失事模式筛选 模型，根据东周水库安全鉴定结果，分析水库大坝在各种可能的荷载状态下，加 固前所存在的各种失事模式及其成因机理：依据所建立的失事模式筛选模型，对 水库大坝加固前存在的主要失事模式进行筛选。对于筛选出来的主要失事模式， 推测出可能的失事路径，从而识别出东周水库大坝加固前主要风险所在。依据除 险加固设计方案，对加固后东周水库大坝的失事模式进行分析。 第四章介绍事件树分析的概念、事件树方法估算风险率的步骤，重点研究了 水库大坝失事事件树各分枝概率的估算方法，引入了模糊数的概念，结合专家判 断对失事模式各环节发生的概率进行估算。根据第三章推测出的东周水库各条可 能的失事路径，构建失事事件树，运用所研究的基于事件树的风险估算方法对东 周水库失事风险率进行估算。对估算出的加固前后的失事风险进行对比分析，找 出加固工作的薄弱环节。指出溢洪道是加固后水库大坝的主要风险所在，应对其 进行加固处理。 第五章根据第四章的结论，针对溢洪闸存在的安全隐患，提出溢洪闸加固处 理的各设计方案，对各设计方案进行优化比选，并根据规范规定复核计算其在各 种工况下的安全稳定性。 一 第六章结论与展望 论文的三个重点： ( 1 ) 病害模式的筛选。对水库大坝进行风险分析时，如果对所有可能的病害 模式进行分析，不但是一件非常困难的事，而且意义不大。因此，从众多病害中 剔除那些对大坝安全不构成威胁，筛选出危及大坝安全的，将会起到事半功倍的 效果。本文运用模糊决策分析法建立模型，对病害模式进行筛选。 ( 2 ) 基于事件树的风险率估算方法研究。在进行风险率估算时，事件树方法 可以将水库大坝的失事模式及其所导致的后果之间的逻辑关系用事件树的树形 图表示出来，并用定量或定性的方法对各分析发生的概率进行估算，由于定量估 算方法对技术资料要求较高，难于掌握，而借助专家经验的定性方法比较实用。 专家对水库大坝失事各环节发生的可能性的判断常带有不确定性，因此，本文引 9 入模糊数，对专家语言模糊化，再对各位专家的判断进行综合，对综合的判断经 解模糊处理，最终得到失事各环节的发生概率。 ( 3 ) 溢洪闸除险加固方案研究。除险加固是以安全鉴定为前提的，本文针对 对溢洪闸存在的安全隐患，对建闸方案进行方案比选并选择最优方案进行设计， 根据规范规定对其进行在各种工况下的稳定复核计算，确保设计方案在技术上合 理可行。 1 0 2 东周水库概况 2 1 东周水库工程概况 2 1 1 东周水库工程概况 东周水库位于山东省新泰市东周村北，柴汶河支流渭水河上游，距新泰市区 啦n ，是汶河上游主要拦蓄工程之一，它是一座以防洪为主，结合灌溉、养殖、 发电等综合利用的重点中型水库。该水库于1 9 5 9 年动工兴建，1 9 6 2 年废库还耕， 1 9 7 3 年续建，1 9 7 4 年竣工蓄水。水库坝址以上控制流域面积1 8 9 k m 2 ，主河道长 3 1 5 蛔，平均比降3 6 n 仉孤。水库防洪标准为1 0 0 年一遇洪水设计，设计洪水 位2 3 0 5 7 m ，1 0 0 0 年一遇洪水校核，校核洪水位2 31 2 7 m ，水库总库容9 2 0 0 万 m 3 ，兴利水位2 2 9 5 0 m ，兴利库容6 6 3 0 万m 3 ；死水位2 1 6 5 5 m ，死库容6 3 0 万 m 3 。水库下游8 k m 和啦n 处分别是磁莱铁路和新汶矿务局主矿区，水库还保护 着下游4 4 万亩耕地和3 3 万人口的生命财产安全，地理位置极为重要。该水库做 为柴汶河上游的主要防洪控制工程和新泰市的重要水源地，运行多年来发挥了重 要的社会效益和经济效益，今后随着国民经济的发展及水资源需求量的日益增 长，水库的地位将日趋重要。 水库枢纽工程主要包括主坝、副坝、溢洪道、东西放水洞、电站等建筑物。 ( 枢纽工程的平面布置见图2 1 ) ，其现状分述如下： 图2 1 东周水库枢纽平面布置图 主坝：坝型为粘土心墙砂壳坝，坝顶总长1 3 9 0 m ，坝顶高程2 3 2 o o m ，最大 坝高2 3 m ，坝顶宽6 o m 。粘土心墙设计高程为2 31 5 0 m ，顶宽3 m 。上游坝坡在 高程2 2 1 0 0 m 以上边坡为1 ：2 。7 5 ；在2 2 1 0 0 m 以下为l ：3 5 ；高程2 2 1 o o i i l 为戗 台，戗台宽4 7 5 m 。上游为干砌块石护坡，表面块石厚o 3 m ，块石下的垫层分两 层，其中乱石垫层厚o 2 m ，碎石垫层厚0 3 m 。下游坝坡在高程为2 1 8 5 0 m 、2 2 3 0 0 1 1 1 和2 2 7 5 0 m 处分别设三道戗台，宽度均为2 m 。对应下游边坡从上到下分别为 l ：2 2 5 、1 ：2 5 、1 ：2 7 5 和1 ：3 o ，下游坝坡为草皮护坡，并设纵横排水沟。上游坝 肩设高1 2 m 防浪墙，墙顶高程2 3 3 2 0 m 。坝后排水体自桩号1 + 1 5 0 1 + 3 1 0 i i l 段 为棱体排水，其它为贴坡排水，顶高程2 1 3 5 0 m 。( 加固前大坝横断面见图2 2 ) 。 矽黟留慕汽诣 图2 2 东周水库大坝横断面图 副坝：位于主坝西侧的原非常溢洪道处，为均质坝，坝长1 4 8 m ，坝顶宽6 o m ， 顶高程2 3 2 o o m ，最大坝高6 o m 。上游边坡为l ：2 2 5 ，下游边坡为l ：2 4 。 溢洪道：位于大坝东端，为正槽开敝式，由进水渠、闸室、出水渠等部分组 成。进水渠为一弯道，中心长2 9 3 6 m ，渠底为平底，进口宽5 5 m ，末端宽4 6 m ， 至铺盖起点与闸前翼墙连接。进水渠岩石风化，边坡约为l ：0 5 ，均按衡重式浆 砌块石岸墙做了护砌，墙顶高程2 3 2 1 0 m ，墙高1 4 6 m ，左岸护砌长4 0 m ，右岸 护砌长5 5 m ，并与坝顶相接；闸室砼铺盖长1 1 8 m ，底高程2 17 5 0 m ，厚0 4 m 。 前端设深0 8 m ，底宽0 4 m 的齿墙。闸室长2 3 2 m ，宽4 6 o m ，分4 孔，每孔净 宽1 0 o m ，共设1 0 1 2 m 弧形钢闸门4 扇和4 台2 2 5 t 的卷扬式启闭机。闸底板 厚o 5 m ，在闸下游设深0 5 m ，坡比为l ：3 的跌坎，坎前高程2 1 7 5 0 m ，长1 1 2 m ： 坎后高程2 1 7 0 ，长1 2 o m 。边墩为高1 3 8 m 、顶宽1 m 、底宽2 m 的衡重式浆砌 石墙，顶高程2 31 3 0 m ，其上游设一道刺墙。边墩上下游岸墙均用衡重式浆砌石 墙，顶宽l m ，底宽1 5 m ，另外在东边墩下设有内径1 2 m 的钢筋砼放水管。中 12 墩宽2 m ，高1 3 3 m ，墩顶高程2 3 0 3 0 m 。机架桥底高程2 3 6 o o m ，桥面高程为 2 3 7 2 0 m 。机房两端设控制室。下游高空心结构的交通桥，桥面高程2 3 2 3 0 m ， 宽5 0 m 。工作闸前设钢叠梁式检修闸门，并附设工作桥，桥面高程为2 3 2 1 0 m 。 砼护坦长1 0 m ，底板厚o 4 m ，底高程2 1 7 0 0 m ，并设直径5 c m 的排水管，下游 设深1 0 1 1 1 的齿墙；出水渠总长7 1 1 4 m ，共分五段：第一段为长5 3 m 的平底渠， 宽4 6 m ；第二段为长1 8 5 m 的渐变段，底宽由4 6 m 收缩至4 0 m ，纵坡为l 5 0 ； 第三段为长2 8 9 9 m ，底宽4 0 l i l ，纵坡为1 5 0 ；第四段为长1 0 0 m 的渐变段，底宽 由4 0 m 渐变到1 4 3 m ，纵坡为l 5 0 ；第五段长2 5 0 m ，为复式河槽，底槽宽4 0 m ， 上口宽1 4 3 m ，纵坡为1 2 5 0 。第一段到第五段为风化岩石，但受当时条件限制未 做消能工程，出水渠末端为复式河槽，底槽宽4 0 m ，全部用干砌石护砌，出水渠 入河口处的西岸用浆砌石护砌，以保护东周村的安全。 溢洪道消能防冲工程的设计洪水标准为3 0 年一遇，校核标准为1 0 0 年一遇。 非常溢洪道位于主坝西侧的旧放水洞处( 1 9 5 9 年建库时的放水洞) ，为开 敞式，坝顶高程2 2 3 o o m ，底宽3 0 i i l ，最大泄量1 2 1 0 m 3 s ，进口设副坝，为均质 土坝，坝内设爆破室，原设计破坝水位2 3 0 3 5 m 。 放水洞有2 座，西放水洞位于大坝的西端，为廊道式钢筋混凝土压力管结构， 钢筋混凝土压力管内径2 o m ，设计流量7 9 m 弧；东放水洞位于溢洪道左侧，为 钢筋混凝土压力管，内径1 2 m ，设计流量3 2 8 m 3 s 。 水电站位于西放水洞出口，设两台机组，单机2 5 0 千瓦，总装机5 0 0 千瓦。 2 1 2 东周水库水文气象条件 ( 1 ) 流域概况 东周水库上游系沂蒙山区，流域内较大支流有4 条，坝址以上河道长度 3 1 5 m m ，比降3 6 幽，流域内有小( 1 ) 型水库三座，水源条件较好。流域 内山区、丘陵、平原面积基本各占三分之一。山区植被较差，坡面陡峻，河道属 山溪河流。坝址区地下水及河水属重碳酸钙型水，硬化度0 2 0 3 l ，p h 值7 4 7 7 ，中性水总硬度为4 7 5 9 7 度，属软水及微硬水，侵蚀性c 0 2 含量3 9 8 5 m g ， 对混凝土无影响。 ( 2 ) 水文气象条件 流域属暖温带大陆性湿润、半湿润季风气候区，雨热同期，流域多年平均降 水量7 2 7 m m ，多年平均气温1 2 7 0 c ，最大冻土深4 6 o c m 。降水年际变幅大，年 13 降水量最大值是最小值的5 8 倍，年内分配很不均匀，6 9 月降水量占全年的 7 5 ，形成春旱、夏涝、晚秋又旱的局面，多年平均最大风速l 划s ，主要风向 为东北方向。 2 1 3 工程地质及水文地质条件 ( 1 ) 地层岩性及地质构造 地层岩性 库区出露的地层岩性主要为前震旦系混合花岗岩、下奥陶系白云质灰岩、 第三系砾岩和第四系松散堆积物等。分述如下： 前震旦系混合花岗岩( a ) ：主要分布在坝基的东段及库区的借庄、阖庄、平 子庄、榆山前和管家洼等广大地区。混合花岗岩多为灰黄色，灰白色，主要成分 为长石、石英及少量云母，粗、中粒状结构，矿物呈定向排列，片理不明显， 风化深度因地形而异，全风化带深5 l 呖，其中尚有酸性岩脉呈北向东侵入， 宽度0 5 5 o m 不等。片理产状倾向n w 3 3 0 0 s w 2 3 0 0 倾角4 0 6 0 。 下奥陶系白云质灰岩( 0 1 ) ：仅在管家洼村东出露，面积很小，表面呈黑色， 具有隧石结核，呈齿白色，受断层影响者呈浅红色。 第三系砾岩( 岫：属官庄统，分布于坝基西段及东周村至管家洼一带。砾岩 为钙质及泥质胶结，中、厚层状。钙质胶结较坚硬，泥质胶结易破碎，砾石成份 为石灰岩，磨圆度差，大小不均，粒径一般数厘米，大者可达0 5 m 。局部地段 沿层面发育有溶洞，洞径0 5 m 。砾岩层间夹有l 2 m 厚的粘土砾石层。砾岩产 状：倾向n w 2 7 0 0 或n w 3 0 0 0 ，倾角1 5 0 2 5 0 。 第四系松散堆积物( q 4 ) ：岩性为亚砂土、亚粘土和砂，主要分布在河槽和沿 河两侧漫滩阶地上。 亚砂土：浅黄色，粘性小，含砂粒颇多，为河流冲积。 亚粘土：棕红色，呈小片、粒状，粘性强，含少量砂粒，为残坡积。 砂：为中、粗砂，质纯，主要矿物成分为石英、长石。分布于河床，厚约5 9 m 。 地质构造 东周水库位于新蒙向斜北翼。地貌单元处于剥蚀丘陵区，根据山东省地质局 出版的地质图可知：沿北渭水河有一隐伏断层，经钻探证实有一断层( f 8 ) 可能属 于这一隐伏断层。本区构造主要受两个较大的断裂的控制，库区的f 5 、f 6 受隐 1 4 伏断层的控制，其走向为北东向，充填一般良好。坝址区地质构造比较复杂，主 要受f l 断层控制，其走向多与f l 斜交成羽状，断层带呈闭合状态，充填良好。 裂隙有三组，属震旦系混合花岗岩节理裂隙，多为闭合。 ( 2 ) 工程地质及水文地质条件 库区 整个库区系由前震旦系混合花岗岩和第三系砾岩组成。混合花岗岩未发现大 的薄弱地带，分水岭大部分高而且厚。第三系砾岩虽然倾向库外，但均为钙质、 泥质胶结，胶结良好，局部地段沿层面发育的溶洞多被粘土充填。f l 断层虽然 通过右岸伸向库外，但全部被粘土及高岭土充填，透水性较低，在迥水线以外， 沿砾岩外围分布有第三系红土和砂岩，均属透水微弱的地层。根据建库后多年来 的蓄水情况观察，除管家洼分水岭局部渗漏外，未发现大的漏水现象，综合上述 认为库区渗漏不大。 自1 9 5 9 年水库建成蓄水运用至今，库区的淹没及库岸稳定均无大问题。由 于库区广大范围内为前震旦系混合花岗岩，风化严重，植被很差，雨水冲刷，洪 水搬运，固体径流十分丰富。 坝址区 坝址基岩主要有两种，坝基从o o o + 8 7 2 段为混合花岗岩。岩石全风化 带厚度3 5 m ，其抗压强度可达1 0 0 k c i n 2 以上，满足建坝的要求。混合花岗岩 一般节理裂隙比较发育，但多闭合。基岩上部风化较重，节理裂隙多被充填，从 而降低了其透水性能，其渗透系数( k ) 为4 6 3 1 0 4 c l i 以，全风化层的漏水量约为 2 5 0 m 3 d ，基本上不漏水。 从o + 8 7 2 1 + 3 0 0 段，大坝基岩全为第四系地层，坝基部分有厚5 9 m 的覆 盖层 筑坝时已清除) ，其下为第四系的粘土砾石层，厚7 1 2 m ，粘土粘性较 强，呈软塑状，透水性弱。粘土砾石层下部为胶结良好的砾岩，除偶见有豆状的 小溶洞外，岩石较完整，岩心采取率较高，经过压水试验，渗透系数( k ) 为 8 1 0 1 0 4 c i i 怕，表明砾岩透水性很小。根据地面观察局部地段沿层面发育有直径 o 5 m 的溶洞，这些溶洞多被粘土充填堵塞，虽然钻孔有一定的局限性