水坝设计和风险分析

曹楚生 ，张丛林

（1.天津大学，天津 300072；2.中水北方公司，天津 300222）

0 前言

近二三十年以来，风险分析理念己逐渐深入到各种工程设计中，有些工程设计已与风险分析融为一体，两者相辅相成，互为补充，改善优化了工程设计并提高了工程的抗风险能力。

我国水利水电工程建设发展较快，迄今已建坝约8万余座，建坝后一般都促进了下游工农业发展，人口增加，供水发电效益显著。但由于种种原因，特别是中小坝的溃决时有发生。溃坝后果特别严重，主要反映在两个方面：①巨大的防洪、供水或发电效益毁于一旦；②对下游人民的生命财产、国民经济造成极大损失。目前，有关风险分析的情况可以概略如下：

（1）国内外溃坝率大幅度降低。据1982年第14届世界大坝会议报道，在1900年溃坝率曾一度大于10%，以后逐渐减少，至1980年已降至约0.2%。根据国内外统计结果，目前溃坝率应在0.1%左右，已大幅降低。

（2）可靠度统一标准已实施。我国颁布了基于可靠度设计的统一标准，以及钢筋混凝土、重力坝等坝工设计规范和准则等，工民建和电力系统等方面已按此执行，亦即可靠概率为99.99%～99.997%，失效概率相应为0.01%～0.003%。应该指出：这里仅考虑了结构荷载（作用）和材料强度（抗力）的变异性及某些不确定因素，未能包含各种工程风险的影响，故上述失效概率小于溃坝率甚多，这说明溃坝率还有较大的降低空间。

（3）风险分析研究。以下阐述如何通过风险分析研究、抑制风险对策和风险设计等手段，以提高工程的抗风险能力，并降低工程的失事概率。一般风险分析的内容主要包括明确主要风险因子、风险概率，并提出对风险抑制、转移的对策。 后者与工程息息相关，宜有深入了解原设计的人员参与，针对具体工程和各项风险提出防范措施，以达到抑制转移风险的目的。上述措施应经过周密的思考和论证，应在工程上相应采取确实有效的措施，尽量减小以上风险出现的可能性，并对其影响范围予以限制。需要时，对严重风险还应考虑预警措施。

总之，在上述风险分析研究中提出的抑制风险的对策应在水坝设计中一一予以落实。

1 风险防范

一般通过风险分析最终应提出对风险进行抑制、转移的对策。更重要的是在风险分析的基础上，针对具体工程，与熟悉原设计的人员一道，研究如何落实所提出的对策，并对原设计方案作适当修改和优化，对优化后的方案还可再进行风险分析研究。以上工作——风险设计的作用极大，可进一步或不断优化原工程方案，有效地改善工程设计质量，并提高工程抗风险能力。

笔者在河北潘家口、深圳公明供水和重庆玉滩等水库工程风险分析研究中，主要归纳出以下几点认识和防范措施：

（1）几点认识。①关于漫坝垮坝风险，由于水文气象、洪水演进、水库调度的不确定性和随机性，应关注可能最大或超标准洪水和应对风险的措施。②应对地震危险性、地震加速度和地震风险进行分析论证。③关于坝体和地基风险，应通过大坝安全监测资料进行分时段对比分析，提出应对措施。④风险还可能来自闸门或泄洪泄水设施失灵或未能及时启闭等事故。

（2）防范措施。为抑制上述各种风险，必须采取有效的防范措施，可视风险性质采取非常溢洪道、溢洪缺口和泄水设施以及闸门等设施，除电动外还应考虑手动、自动等有效手段。应注意这些防范措施不能影响水坝安全，并符合水坝设计要求。此外还应注意以下事项：①关于对次生灾害的防治，常有多股不同量级的洪水和高速水流对地基产生碰撞和冲刷时，应考虑有效的防范措施，例如使水流在空中撞击，采用消力墩或消力池等综合措施。②当水坝工程的枢纽布置基本确定后，即可同时进行风险分析研究。③因风险分析和风险设计涉及的范围较广，特别是下游出现洪水泛滥后影响面往往会扩大很多，所需要的地形图的范围和计算分析远比一般工程设计要大且复杂。 视我国目前的情况，可至该地段的有关地方部门索取所需的最新航测地形图，通过可视化仿真计算，在虚拟的数学模型基础上与设计提供的图纸整合并模拟洪水演进，最终从仿真计算成果中截取关键瞬间（施工期以及未来运行期中若干重要瞬间），绘制风险图中所需的相关平面图和剖面图等，以供规划设计应用。通过针对某一工程含风险设计在内的风险分析研究，将会对该工程各种风险有更清晰和更深入的认识。

综上所述，对水坝连同地基和泄洪泄水风险情况以及防范措施分述于下。

2 水坝—地基风险

我国坝工令世界瞩目，水坝无论在坝高、规模、库容及防洪、发电、供水、灌溉和航运方面均位居世界前列。

（1）可视化数模仿真分析等方面取得了可喜进展，使水坝设计得到进一步发展：①混凝土和岩土性能，温度应力，水力学、岩土力学方面的一些参数，可在规划设计或施工中任何重要瞬间拟定，并可在需要时随时进行动态修订。②坝体轮廓更趋经济合理，向轻薄型和简化孔洞、接缝、构造等方向发展。③随着大容量振动碾压机械化施工的实践，大型土石坝和碾压混凝土坝都取得了可喜的进展。

（2）风险防治的关键是要做好安全监测，及时并定期（汛前、汛后和年终）进行分析对比，如发现某些指标变幅异常，应及时维护和处理，否则风险将会应运而至。①在大坝安全监测资料的整理分析和风险分析研究的基础上，针对建筑物和地基稳定、应力、渗漏量、渗压、沉陷等，按坝体实际的渗压场进行验算复核，并在需要时补充设置足够的量测等监控设施和管网。②当实测值超出计算值或出现指标变幅异常时，应考虑预警预案，并对出现险情后的补救措施事前做好准备。③目前我国在坝工建筑物和地基出现险情后的人工干预加固方面有成熟经验，如：灌浆、高压旋喷灌浆、地下防渗墙、劈裂灌浆等等，处理时间不长（约数月）且一般均可奏效，能满足渗水压和渗流作用下的抗滑、抗渗和变形稳定。④当坝体和地基出现异常时，如：裂缝或渗水；浸润线异常，推算坝基渗漏量增加；实测渗漏量超标；坝址下游出现冒水冒沙、管涌等现象，只要事先早作妥善考虑，按预警预案处理，即可化险为夷。

3 泄洪泄水风险

水坝泄洪泄水时会出现多股水流，或直冲河床，或在空中撞击，或回流呈旋涡状冲刷淘刷，对坝区和下游构成威胁，可能在下游形成不同深度的冲坑或淘刷坑，对此，有关各方应高度重视。在工程实践中，必须采用坚实的河床垫层或其他有效的消能设施。

（1）坝区冲刷。水坝一般都有泄洪泄水设施，本节所言风险主要指坝区，按具体工程情况论述于下。公明工程水库由6座大坝和中间相连的山丘组成，总长逾3 km，水库总库容1.48亿m3，因靠近河流末端集雨面积很小，点暴雨形成的入库洪峰洪量有待进一步落实，并应考虑超标准洪水。再如玉滩水库由主坝和7座副坝等组成，总库容1.5亿m3，主坝下游河道特别是在约3 km范围内，除原有居民住房外，目前还在兴建工程管理建筑设施和水库移民住房，该区人口稠密，应关注交通道路、防洪防火等事宜。在风险分析研究中，需要时刻考虑变动它们的位置，提出一个或几个方案以比较洪水和泄水对下游的影响。通过不同的洪水演进分析计算，获得包括不同量级的下泄流量时急流冲刷会造成的水患及淹没范围内关键部位和关键剖面的洪水淹没图、水面高程、流速流向和水深等风险图。这样可以据以修改并优化原设计的枢纽布置方案。

（2）下游水患风险。很多水库因泄洪泄水对下游造成水患，如以上提到的公明水库下游约10 km处被一南北向公路阻挡，路基较高，其间只有一个桥孔和一个涵洞可供泄水；而玉滩坝址下游3 km范围内原有乡镇街道已很紧凑，现正按既定方案增建众多建筑、道路等，这些都会阻碍洪水出路，形成两个水患风险区。这些水患风险区地形复杂，山谷沟渠纵横，有的经常无水一片荒漠，有的塘堰相连草木丛生；有无人少人区，也有建房林立人口稠密区。当洪水来临时，区内水流流向、流态很难辨认，给进一步的勘测带来困难。可以通过对洪水演进的仿真计算，获得有关剖面、平面图及区内大坝泄洪时的水位、流态等风险图，供今后市政规划参考。

4 结语和建议

总结多次实践经验，认为不同量级泄洪泄水流量会使下游地区有不同程度的受阻受淹风险，应合理规划今后的发展，划分不同级别的风险区，降低可能的损失，避免在下游风险区内大量开发，减少潜在的风险。最后建议，除采用一般的溢洪和输泄水设施外，还应注意以下几点：①因地制宜设置非常形式的及备用的多种设施，以供应对风险时选用；②保留并拓展必要的蓄、滞洪区及河道，提高行洪抗洪能力，按照拟开挖疏浚后的地形再重新核算水位和淹没范围；③在技术上和时间上要综合考虑人工干预险情处理并留有余地；④下游水患风险影响较大时，应视情况做好预警、预案。

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