基于ALARP准则的某土石坝运行期风险评价

（新疆克孜尔水库管理局，新疆 阿克苏 842300）

近年来，随着国家社会和经济的进一步发展，对能源的需求迅速增长，新建了一批大型水利水电工程，其中一部分为土石坝。随着土石坝设计水平和筑坝机械设计制造水平的不断发展，一批高土石坝和超高土石坝相继开工建设或建成。

土石坝施工环境较为复杂，易受地形、气象、材料和管理等影响，面临多种风险，甚至发生溃坝等事故。目前，土石坝的运行管理目标主要保证大坝自身安全和潜在损失在可接受范围。据有关部门统计，我国土石坝溃决数量占大坝溃决的近98%，因此评价土石坝运行期的风险具有十分重要的作用。

分析土石坝运行期事故概率和后果，并与风险标准相比较，可判断出运行期的风险水平。土石坝根据洪水标准来确定水工建筑物的等级和相应的洪水标准，主要考虑渗流、变形和稳定方面的风险，可能发生的风险主要有漫顶或结构破坏。目前，国内无专门用于土石坝事故的评价标准，国外在20世纪80年代末开始溃坝损失方面的研究，我国引入后尚处于初步与我国溃坝事故结合阶段，未形成符合我国实际的风险标准。

1 工程概况及风险标准

1.1 工程概况

某水库控制流域面积110km2，主要为下游某城市供水，兼具灌溉和防洪等功能的中型水库。大坝下游有人口15万，还有重要的铁路、电厂、水厂、高新区等，防洪十分重要。

水库有大坝、溢洪道、泄洪洞、输水管、副坝、节制闸等建筑物组成。大坝为均质土坝，以轻粉质壤土为主，夹少量砂壤土和中粉质壤土。大坝下游坝基淤泥清基不彻底、坝头横向贯穿裂缝、泄洪洞下游出口漏水、坝体填筑不合格等问题。

1.2 风险标准

水库大坝失事主要造成生命和经济损失，对社会和环境造成影响。生命损失是大坝失事后，库水冲击、淹没等造成淹没区域内人员死亡；经济损失是大坝失事后，因淹没对房屋、物资、耕地、树木、厂矿、交通等方面造成的直接或间接损失；社会影响是指对人们生活和精神方面的影响和改变；环境影响是指失事导致河道形态、沿河水环境、生态环境、人居环境和土壤等方面的改变。

人员生命损失可根据式（1）进行计算：

式中 IR为人员生命风险；Pi为i个大坝失事形成洪水的概率；Pd/i为i个大坝失事形成的洪水中人员死亡概率。

社会风险和经济风险均可按式（2）进行计算：

式中 Pf（x）、P（N＞x）为年死亡人数或年经济损失大于x的概率；fN（x）为年死亡人数或年经济损失N的概率密度函数。

目前在国际上被广泛采用的风险标准为ALARP准则，即最低合理可行准则。风险是否可以接受，是由获得的利益能补偿所带来的风险时决定的，因此对于风险不是无条件接受的，而是需要决策的问题。

ALARP准则将风险划分为不可容忍区域、最低合理可行区域和广泛可接受区域，如图1。

图1 ALARP准则风险划分及等级

当风险处于不可容忍区域时，必须采取降低风险的控制措施；当风险处于广泛可接受区域时，可不采取措施；当风险处于最低合理可行区域时，可根据风险能否降低或收益与风险控制成本是否对等来决定是否采取措施。因此如何确定3个区域的界线，即如何确定可容忍风险水平和可接受风险水平是风险评价的关键之处。

2 风险评价

2.1 风险概率及后果

采用事故树方法分别计算该水库除险加固前、后在5000年～PMF、1000～5000年、100～1000年、1～100年等不同洪水标准下的风险概率，如图2和图3。

图2 除险加固前各洪水标准下事故概率

图3 除险加固后各洪水标准下事故概率

根据图2和图3中除险加固前后各洪水标准下的事故概率，采用美国的Dekay M L与Mcclelland G H两人根据大量洪水资料和水库资料，并考虑洪水的破坏力大小而建立的下列公式计算潜在生命损失数：

可进一步简化为式（4）：

式中 LOL为潜在生命损失数；PAR为位于风险区域内的人口总数；WT为自溃坝警报发出到洪水到达的时间；FC为洪水风险特征，在高水力风险、水深流急时取1，在低水力风险、水浅流缓时取0。

考虑不同洪水标准和不同的预警时间，其中PMF洪水时FC为0.5，5000年洪水时FC为0.3，1000年洪水时FC为0.1，100年洪水时FC为0，预警时间为0，0.2，0.5，1h，分别计算上述条件下的生命损失，结果如表1。

表1 社会生命风险结果

2.2 风险评价

根据图2，图3及表1中计算结果和ALARP准则，绘制水库社会风险标准，如图4。

图4 水库社会风险标准图

由图4可知，在该水库除险加固前，在发生PMF、5000年、1000年、100年等不同洪水标准时，无论预警时间为0，0.2，0.5h，还是预警时间达1h，大坝运行期的事故概率和超过概率均处于不可容忍区域，表明此时大坝的运行风险远远高于可容忍的风险水平；在水库除险加固后，在发生PMF、5000年、1000年、100年等不同洪水标准且预警时间分别为0，0.2，0.5，1h时，大坝运行期的事故概率和超过概率均较除险加固前有了大幅降低，可降低10倍以上，个别标准下甚至可降低数百倍，预警时间为1h的不同洪水标准下的事故概率和超过概率处于ALARP区域（最低合理可行区域），而预警时间为0，0.2，0.5h的事故概率和超过概率除有个别位于ALARP区域，其他均位于不可容忍区域，但与出险加固前相比更接近于ALARP区域，表明在预警时间为1h时，大坝的运行风险处于可容忍的风险水平，而预警时间为0，0.2，0.5h时，大坝的运行风险高于可容忍的风险水平有一定程度。

综上，采用ALARP准则比传统的大坝运行风险标准更能科学和全面的评价大坝安全状态，该水库在除险加固后风险水平仍然较高，表明该准则还存在一定不足：对大型、中型和小型等不同类型水库应采用有针对性的风险标准；评价时应充分调查下游影响区域人口密度，充分考虑对计算结果的影响；本次采用的生命损失计算公式是引用国外的，可能与我国有一定差异。这些不足在今后类似的工程需进一步研究并改进。

3 结语

采用ALARP准则对某土石坝运行期风险进行评价，除险加固前，在发生PMF、5000年、1000年、100年等不同洪水标准时，大坝运行期的事故概率和超过概率均处于不可容忍区域，大坝的运行风险远远高于可容忍的风险水平；除险加固后，大坝运行期的事故概率和超过概率均较除险加固前有了大幅的降低，预警时间为1h的不同洪水标准下的事故概率和超过概率处于ALARP区域，大坝的运行风险处于可容忍的风险水平。

参考文献：

［1］王广月.土建工程综合评价技术及应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2011.

［2］庞毅.土石坝安全监测分析评价技术与工程应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2011.

［3］李宗坤，葛巍，王娟，等.中国大坝安全管理与风险管理的战略思考［J］.水科学进展， 2015（4）.

［4］何金平.大坝安全监测理论与应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.

［5］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.

［6］麻荣永.土石坝风险分析方法及应用［M］.北京:科学出版社，2004.