三项土石坝安全管理新技术介绍与研究

(1.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065； 2.浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

1 研究背景

目前，我国共有各种规模类型的水坝 9.8万余座，其中多数已运行30～40 a，有的甚至长达半个世纪以上。由于持续承受巨大的水压和渗压荷载，水坝坝体难免出现一些安全问题，因此需要通过分析评价，对存在的坝工病害进行及时地诊断和治疗。

通过分析全国溃坝累计曲线及其斜率(见图1)可知，第一个溃坝累计高峰集中在1958年的大跃进时代。第二个高峰则集中在文革后期。历史的教训启发我们，提升大坝安全状态须在“内在质量”与“管理”两方面双管齐下、缺一不可。内在质量是基础，但对于水坝这种特殊土木工程，加强管理更为重要。

图1 我国溃坝累积曲线(截至1980年底)

自2000年以来，我国每年仍有一定数量的溃坝事件发生，尤其是土石坝首当其冲[1]。鉴于此，就需要更多专业的技术工具为其服务。本文对土石坝现场安全管理图谱、土石坝工程安全评价体系以及用于水工事故识别与决策辅助的水工事故辞典3项安全管理新技术作了研究和介绍。

2 土石坝现场安全管理图谱

在对我国土石坝事故历史资料统计分析的基础上，根据风险分析的理论和土石坝现场安全管理的特点，结合以往在大坝安全问题、发展各阶段所采取的措施以及安全状况发展与所采取措施之间的相互作用与结果，利用事件树方法，首先建立安全管理演进树(见图 2)。在统计整理我国3 976例土石坝非溃坝性及溃坝事故案例后[2]，考虑土石坝现场安全管理的特点与过程，以安全管理中“非溃坝性事故”和“溃坝事故”两个关键事件为顶事件逐一进行分析，分别建立对应的两个故障树，将其与安全管理演进事件树联合形成“土石坝安全事故因果分析图”。田川等[3]分析研究了土石坝溃坝原因，基于此，对历史案例中的事故具体分类处理措施作了进一步分

图2 土石坝安全管理演进事件树

析，构建出对应事故的处置措施对策树，最终将上述安全管理演进树、故障树、处置措施对策树进行逻辑递归，有机组合建立“土石坝安全管理综合图谱”，如图 3所示。

该图谱涵盖了土石坝现场安全管理的相关环节，综合、清晰地表达了土石坝安全管理中典型“安全事件”的发展阶段及不同安全决策导致的可能后果。透过该图谱，土石坝安全状况的发生、发展过程，引发关键事件的基本原因，所采取的各项决策、处置措施及相应的各种可能结果一目了然。根据图谱中左下角“非溃坝性事故”的现象分类，在右上角对应的分类里选择具体的处置方案和措施。在土石坝安全管理过程中，一旦出现事故苗头或线索，该图可为紧急决策提供具有可操作性的方向和思路，有利于提高坝工事故的处置决策质量。

该图谱可作为土石坝安全管理监督检查的参考之一，也可以作为土石坝工程安全管理实施中寻找风险源、防范于未然的主要指南之一。

3 土石坝状态综合评价体系

通过对数千例土石坝历史病害事故案例的统计特征分析，构建了土石坝安全事故因果关系。在此基础上，从土石坝现场安全管理、监测的特点出发，综合考虑历史事故中底事件的分类特征，依“自上而下宏观划分、自下而上归纳事故底事件”相结合的原则，首先依据相关安全因素的历史事故频次及现场安全工作特点，构建综合评价体系的一级指标；再以各故障树中基本事件为最小致因因子，根据因果分析图中各基本事件与顶事件的逻辑关系以及各基本事件统计频数，以一级指标为归宿，组合建立二级指标，最终构建了普遍意义下的包含4个一级指标、22个底层指标、若干个中间过渡指标的多项目、多层次的土石坝安全状态综合评价指标体系(见图 4)。该指标体系以土石坝历史安全事故因果分析为基础，其本质是基于历史上大量专家经验的集合来构建，更符合客观实际。

图4 土石坝安全综合评价指标体系

作为综合评价体系，需构建配套的指标权重。回顾以往人工构权的特点与缺陷，提出了基于土石坝历史事故统计规律的自然权重伴随生成构权方法。研究认为，我国土石坝历史事故案例中发生频数较大的基本事件反映了该类建筑的某种特征，表明目前及今后一段时间内需要得到重视或急需解决的问题，因此可以认为基本事件频数的大小反映了该基本事件对土石坝安全风险的影响程度和重要性。再考虑到土石坝安全因果关系中各层事件之间的逻辑关系，便可以确定各类事件的信息贡献度，经过在各归属范围内的归一化处理，即可确定各层指标的相应权重(见表1)。结合巨量案例所包含的众多专家的判断与经验，该研究以统计归纳的方法间接吸收这些经验，也深刻揭示了土石坝安全管理的一些规律，比如“渗流特征”的重要程度大大超出以往的认识，对“人员与管理”因素的重要性也有不同认识。

4 水工事故辞典[5-6]

土石坝工程安全管理水平亟待提升，且应吸取历史事故案例的经验教训、总结规律[7]。就大坝安

表1 土石坝安全综合评价指标体系及权重分配

全监管系统而言，实施水坝风险管理首先应进行水工建筑物的风险辨识。对影响工程安全和人身健康或生命安全的主要危险、有害因素的识别、分类和风险分析，是保证后续安全评价工作顺利进行的根本。因此，对水工建筑勘察设计、施工建设及运行维护过程中出现的各类事故案例资料进行收集、整理，建立事故案例资料的规范表达范式，构建开放式网络数据库，开展有效的信息检索、数据挖掘，对于目前我国大坝的风险管理具有重要意义。“水工建筑物事故识别与决策辅助系统”的开发正是为解决这一问题。

辅助系统的开发是结合灾害案例数据库的要求及特点，将水工建筑物事故数据设计成为结构合理、逻辑清晰、稳定可靠、性能高效的数据库,将大量病坝、险坝的信息按照一定组织顺序存储、管理并加以分类归纳、分析、处理，成为系统中有价值的信息。

该数据库可满足用户不同的需求，以“查询部位”、“查询病症”等方式进行分类查询、筛选。基层安全管理员通过输入工程的具体安全线索，可快速检索到同类经验或教训，辅助进行安全状况识别和进一步的决策，以提升安全管理的效率和质量。研究人员可通过该数据库快速检索到分类数据和信息。人类健康领域“医生”培养中的“案例教学法”就是一种重要的教学方式，该数据库同样可以为“大坝医生”培养提供重要的案例库。水工事故辞典使用示意见图5。

图5 水工事故辞典使用示意

作为开放式数据库，使用者可将意见、建议以及新案例以例行范式上传，添加数据记录，逐步扩充数据库，可为我国乃至世界坝工界提高大坝风险管理水平做出一定贡献。

5 结 论

土石坝事故成因及对策是工程界长期关注的热点，由于其影响因素和机理的复杂性而难以获得具有广泛指导意义的技术或产品。本文基于对坝工历史事故统计资料的归纳研究，研发了土石坝现场安全管理图谱、土石坝现场安全综合评价指标体系、水工事故辞典3项安全管理新技术：

(1)土石坝现场安全管理图谱是基于我国3 976例土石坝历史事故案例经验、教训总结的图示表达。事故历史数据反映出的统计规律可为土石坝安全管理提供指导。该图谱可作为土石坝安全监督检查的参考之一，各管理单位还可结合具体土石坝特点，在该图谱基础上修订构建具体工程的安全管理基础图谱，提升现场安全管理的直观性、效率和质量。

(2)土石坝安全综合评价指标体系以土石坝历史安全事故因果分析为基础，是历史上大量事故调查专家经验的集合，具有广泛意义上的安全评价代表性，具有工程实用价值。用于安全常规检查和管理时,可明确管理方向和重点，理性分配安全管理资源；用于安全综合评价时,有助于清晰掌握全局、快捷识别安全短板，落实管理责任。以历史事故案例的统计特征构建客观评价指标权重。

(3)水工事故辞典是事故识别与决策之辅助工具，将事故案例中的风险因素、事故原因、决策措施及效果等资料模块化、规范化地存入数据库，通过对各类型水工建筑物事故案例的分类归纳、总结分析，以及事故调查报告的整理，建立系统数据库，指导水坝管理人员采取针对措施来降低事故发生的风险，可减少事故造成的损失，是提高水坝安全管理水平的技术工具。