基于风险的病险水库除险加固方案优化技术

阮建清，刘忠恒，严祖文

（1.云南省水利水电建设管理与质量安全中心，云南昆明650024；2.水利部，北京100053；3.中国水利水电科学研究院岩土工程研究所，北京100048）

基于风险的病险水库除险加固方案优化技术

阮建清1，刘忠恒2，严祖文3

（1.云南省水利水电建设管理与质量安全中心，云南昆明650024；2.水利部，北京100053；3.中国水利水电科学研究院岩土工程研究所，北京100048）

目前病险水库的除险加固设计只偏重于工程治理措施，倾向于水库大坝工程的安全，未考虑除险加固设计方案对下游居民安全、社会经济、城镇交通等的风险以及对自然环境的影响。因此，基于风险分析的除险加固优化技术对于今后病险水库除险加固方案是有效和必要的。本文参考国外病险水库大坝安全和除险加固风险分析理论的最新进展，结合我国病险水库大坝和除险加固技术的特点，进行了除险加固方案与大坝风险关联分析与决策、除险加固方案评价指标分析和基于风险分析的除险加固方案优化技术的研究，提出了基于风险的病险水库除险加固方案的评价、分析和优化方法，为今后病险水库除险加固工作提供技术支撑。

病险水库；除险加固；风险分析；方案优化

1 研究背景

病险水库除险加固方案的优选，不仅涉及到水文水资源、地质地貌、生态环境、经济与社会诸多因素，而且涉及到现有工程利用，库区淹没等多种因素。在这诸多因素中有些可以定量，而有些只能定性分析，如果采用传统方法，只对方案优缺点进行笼统的定性分析，人为因素较大，显然不符合社会发展要求。因此，为了能客观定量地优选方案，就需要有一种方法，它既能集结所有决策者的意见，又能进行多目标的综合评判，同时将定量和定性问题有效地结合起来，定量做出备选的优劣次序。

基于风险的除险加固优化技术是以最大程度降低大坝风险为目标，既考虑有针对性的工程加固措施，也考虑下游实际情况以减少溃坝后可能造成的严重后果的工程治理措施［1］。本文参考国外病险水库大坝安全和除险加固风险分析理论的最新进展，结合我国病险水库大坝和除险加固技术的特点，进行了除险加固方案与大坝风险关联分析、除险加固方案评价指标分析和基于风险分析的除险加固方案优化技术的研究，提出了基于风险的病险水库除险加固方案的评价、分析和优化方法，为我国今后病险水库除险加固设计方案优化决策开拓一条新思路。

2 除险加固方案与大坝风险的关联分析与决策

2.1 决策因素集加固方案决策的影响因素可用集合C表示：

式中：j为影响因素的个数。其中，第一个影响因素c1为病险水库的大坝风险，是必须考虑的；c2-cm为其它影响因素，除加固规模、加固效果和大坝安全程度外，决策者还可以依据实际情况确定［2-3］。

2.2 加固方案集加固方案集是将病险水库的加固方案集合在一起，用集合B表示：

式中：bi表示第i种加固方案。

2.3 关联矩阵由决策因素集C和加固方案集B的关系可以得到两因素集的关联矩阵X，即关联集Xi=BTC。

2.4 关联分析与决策加固方案与大坝风险的关联决策过程具体如下［3-4］：

（1）关联系数集E为比较序列Xi（i＝1，2，…，n）中各序列与参考序列X0关联系数集合：

式中：ξnm为第n项加固技术方案第m项决策因素的关联程度。

（2）决策权重一般用权重数据集W表示：

在加固技术方案的确定中，大坝风险是最重要的，故决策权重据集W中数据最大的应当是w1。

（3）在综合考虑加固方案与决策影响因素的关联程度及其权重后，选取最佳加固方案关联度集为：

（4）通过关联分析选取r值最大的为最佳加固技术方案。

3 基于事件树法的除险加固方案优化

从风险估计的定义来看，其包括2部分内容：风险估算和损失分析。但是，由于进行损失分析时，收集全部所需资料要花费大量的时间以及人力和物力，使得这种意义上的风险分析在短期内无法实现。本文对水库大坝加固方案筛选进行风险分析，旨在明确其加固前后的风险程度，分析比较加固前后的风险大小，以找出加固工作的薄弱环节，为进一步加固工作提供依据。因此，基于事件树分析的风险估计方法初步遴选出加固方案主要是针对大坝在加固前后的溃坝概率进行估算，基本思路如下：（1）针对除险加固设计方案，进行水库大坝加固前和加固后的溃坝模式分析，筛选出加固前后大坝的主要溃坝模式和可能溃坝路径。（2）估算水库大坝的溃坝风险率。依据之前识别出的溃坝路径，构建溃坝事件树，运用基于事件树法的风险估算方法对水库加固前后的溃坝风险进行估算。（3）通过对加固前后溃坝风险率进行比较，分析除险加固设计方案的薄弱环节，指出加固后水库大坝的主要风险所在区域，优先考虑加固后风险明显降低的方案，而加固后风险仍比较大的加固方案应调整优化，筛选出在可接受风险允许内的加固方案，可将有限的时间、资金投入到对主要风险事件的处理上，以求得最好的资金效益。

4 基于层次分析法的除险加固方案优选

基于风险的病险水库除险加固方案设计，核心思想是建立除险加固方案优选评价指标体系（图1），通过不同除险加固方案的风险分析，综合考虑安全、经济、技术、工期、施工便利等因素，得到最优的除险加固方案，其一般流程如图2所示，基本步骤如下。

（1）方案的概念设计。根据场地的工程地质及水文地质报告以及相关的安全鉴定调查资料，明确除险加固工程目的，初步选出几种可供考虑的除险加固方案。

（2）大坝风险因素识别。通过分析、归纳和整理各种统计资料，对病险水库除险加固工程施工过程中的风险类型及其生成原因、可能影响后果做定性估计、感性认识和经验判断。

（3）风险估计。在识别病险水库除险加固工程施工过程中可能出现的风险基础上，利用概率统计理论、专家调查等方法，估计和预测风险发生的可能性和相应损失大小。

（4）除险加固方案风险评价。根据风险接受准则，从效果（安全）可靠性、经济合理性、技术可行性、施工便利性等方面对初选的病险水库除险加固方案进行风险评价。采用层次分析法（AHP）［5］，根据不同大坝类型、不同的加固技术、险情类型和加固效果，对上述建立的4项评价指标进行综合分析，从而选出最优除险加固方案。

（5）评估选取的最优除险加固方案是否满足实际工程需要。如果满足，则除险加固方案确定；如果不满足，修改完善除险加固方案，重新进行选择，直至确定除险加固方案。

除险加固方案确定后，施工过程中应严格按照进行风险分析的施工工艺和施工参数来进行风险管理，把风险降低到最小或者控制在目标风险以内。

5 工程实例分析

某大型水库工程实际防洪能力低于100年一遇设计洪水标准，除险加固设计在确定工程洪水标准时进行了大量比较工作，重点研究了以下4种方案：

方案1：维持现有泄洪能力不变情况下，混凝土坝按2000年一遇洪水加高，土坝按5000年一遇洪水加高（加高方案）。

方案2：混凝土坝按2000年一遇洪水校核，土坝按5000年一遇洪水校核，增加一座泄洪闸（增加泄洪闸方案）。

方案3：维持现有泄洪能力不变情况下，各挡水建筑物均按2000年一遇洪水加固处理（2000年一遇校核方案）。

方案4：采用爆溃方式形成爆溃溢洪道（爆溃式非常溢洪道方案），设计防洪标准同方案1、2。

各加固技术方案工程直接投资比较见表1，综合评价见表2，其中大坝风险与加固规模属于成本型指标，加固效果和安全程度属于效益性指标。

根据效益性指标值越大越好，成本型指标值越小越好的原则，可以得出各个指标的理想值，并构成参考系列：X0={0.10，11155，1.00，0.90}。

比较序列为由综合评价表得出的各方案的评价数据集：

由参考序列和比较序列构成的矩阵为：

对矩阵Ti进行规范化处理，得出规范矩阵：

规范矩阵中比较序列Yi（i＝1，2，3，4）与参考序列X0中各点的关联系数矩阵如下：

大坝风险、加固规模、加固效果、安全程度四个指标的权重矩阵如下：W={0.35，0.15，0.20，0.30}。各加固技术方案与参考指标序列的关联度矩阵如下：R=WET{0.845，0.567，0.850，0.627}。

可见方案3的关联度最高，故选取方案3为水库的最终加固方案。

6 结论

（1）基于灰色关联分析决策模型，构建了囊括大坝风险的决策因素集及病险水库加固方案集，初步探讨了除险加固方案与大坝风险的关联分析与决策，其影响因素指标可待进一步完善。（2）基于事件树法的风险估计方法对水库加固前后的溃坝风险进行了估算，分析出加固工作的薄弱环节，优先考虑加固后风险明显降低的方案，初步筛选出了在可接受风险允许内的加固方案，为进一步加固方案优化工作提供依据。（3）提出了一种新的病险水库除险加固设计理念，即基于风险的病险水库除险加固方案设计，通过不同除险加固方案的风险分析，综合考虑安全、经济、技术、工期、施工便利等因素，采用层次分析法选出最优除险加固方案，并给出了设计流程图。

［1］李雷，王仁钟，盛金保，等.大坝风险评价与风险管理［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［2］马福恒，刘成栋，向衍.水库大坝风险综合评价标准及其适用性［J］.河海大学学报（自然科学版），2008，36（5）：610-614.

［3］严祖文，魏迎奇，李维朝.水库除险加固技术方案关联分析与决策［J］.中国水利水电科学研究学院学报，2012，10（2）：153-159.

［4］李榕.基于灰色关联分析的煤矿工伤风险综合评价［J］.中国煤炭，2009，35（2）：80-86.

［5］马国梁，夏祥哲，王广月.基于层次分析法的堤防工程设计方案优选［J］.实验技术与管理，2006，23（9）：26-28.

Op tim ization techniques of rein forcem en t alternatives for hazardous reservoir based on risk analysis

RUAN Jian-qing1，LIU Zhong-heng2，YAN Zu-wen3
（1.Center of Construction Management and Quality Security of Hydropower Projects in Yunnan Province，Kunm ing 650024，China；2.TheM inistry ofWater Resource，Beijing 100053，China；3.China Institure ofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100048，China）

At present，most engineering measures for dam reinforcement focus on dam safety without consid⁃ering the risk presented to the downstream inhabitant safety，the national economy，the transportation net⁃work and the ecological environment.Therefore，it is effective and essential to analyze dam reinforcement optim ization techniques based on risk analysis.Referring to the newest progress in risk analysis theory and relating hazardous dams in China and the technological characteristics of dam reinforcement，this paper has studied the relationship between the dam reinforcement alternatives and the dam risk，the guideline on rein⁃forcement alternatives evaluation，and the technology of dam reinforcement alternatives optimization based on risk analysis.At the same time，a method to evaluate，analyze and optimize the measures for dam rein⁃forcement was proposed based on risk analysis and the Chinese national conditions.This study will provide the technical support for dam reinforcement.

dangerous reservoir；dam reinforcement；risk analysis；alternatives optim ization

TV697.3

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.006

1672-3031（2014）01-0036-06

（责任编辑：李琳）

2013-04-12

国家自然科学基金青年科学基金项目（51309260）；国家科技支撑计划项目（2006BAC14B04，2012BAH 10B01）；中国水利水电科学研究院科研专项（岩集1364）

阮建清（1963-），女，云南建水人，高级工程师，主要从事水利工程建设管理研究。E-mail：slrjq@126.com