土石坝防洪风险等级划分与风险评价

(1.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；2.江西省大坝安全管理中心，江西 南昌 330029)

传统的评价方法难以全面反映不确定性影响，存在评价的局限性。传统的评价方法都是基于确定性模型，由于大坝的不确定性因素较多，如水文、水力等参数选取的随机不确定性, 计算结果未必能真实反映大坝实际运行状况，导致在洪水计算中存在偏差，使坝顶高程的决策中，常取偏保守的设计。

由传统的防洪评价向概率风险分析方法过渡，是近年来的研究热门。过去，土石坝防洪风险主要分析超标准洪水下导致漫顶的风险概率，其中，超标洪水采用校核洪水。进行防洪风险计算时，一般采用洪水频率曲线[1]，如皮尔逊Ⅲ型、对数皮尔逊Ⅲ型、克里茨基-闽开里分布(K-M)、耿倍尔(Gumbel)分布等。也有学者如姜树海等[2-3]在可靠度的基础上，以坝顶超高为评价指标，建立了防洪安全等级划分与风险概率的对应关系；席秋义[4]在设计泄流能力可靠度的基础上，建立了水库泄洪建筑物设计泄流能力风险率模型。

在防洪风险等级划分中，人们对不同的大坝级别提出了不同的风险标准，但在结合大坝的安全运行水平方面，研究不多。显然，人们认为不同的大坝运行水平是不同的，风险的范围也是不同的，如“三类坝”应比“二类坝”或“一类坝”风险要大，通过除险加固或维修养护，其风险应该降低。本文以安全超高作为评价指标，构造洪水分析的统计量，建立洪水漫顶风险分析模型，基于《大坝安全评价导则》[5](以下简称《导则》)，建立风险等级分区图，为风险分析提供决策依据。

1 防洪安全风险分析模型

在大坝防洪标准复核过程中，取安全超高Δ作为允许安全度指标：

Z-H=Δ

(1)

式中Z——坝顶高程；

H——洪水过程下的最高坝前水位；

Δ——安全超高(不考虑波浪爬高)。

用式(1)计算时主要从两类角度进行考虑:第一类为设计标准，即大坝采用多少年一遇的洪水标准，最大洪水发生的风险率；第二类为工程设计标准，可以理解为当发生设计标准洪水时，大坝有漫顶的风险，根据大坝的级别及运行水平，《导则》给出了防御洪水频率。不同大坝等级，其防洪安全采用不同的标准，大坝等级越高，洪水重现期越长，见表1。

表1 土石坝安全防洪等级

定义大坝防洪风险率Pfi为[2]

Pfi=Pf/Ti

(2)

式中Ti——设计洪水重现期(一般取校核洪水)；

Pf——设计洪水重现期发生条件下的漫顶风险率,即为第一类风险；

Pfi——年均发生洪水漫顶的风险率，即为第二类风险。

进行洪水风险分析的关键在于分析不确定因素的概率分布，如设计洪水位H与实际洪水偏差的概率，而对于某一特定土石坝，大坝坝顶高程Z的概率分布决定于H，因此，假定两者均服从同一正态分布，即X=N(μ,σ),μ,σ未知，构造统计量U=μH-μZ,易知

(3)

式中H、Z——坝前最高水位、坝顶高程的随机量；

μH、μZ——H、Z的均值；

σH、σZ——H、Z的标准差。

(4)

式中β=μZ-μH——可靠性指标，也可以理解为坝顶超高。

由于σZ决定于σH,因此，可假定σZ=σH，则式(5)可表示为

(5)

由文献[6]可知，方差σH与洪水频率均值μH等参数密切相关，图1给出均方差在不同置信水平(5%、10%、20%)情况下各洪水频率下的值。

图1 各洪水频率下的流量方差

各方差值在1～4之间，不同置信水平下，计算流量与实测流量的均方差相差不大，在10%以内。不同洪水频率下，均方差差异较大，洪水频率越大，均方差越小，如万年一遇洪水较百年一遇洪水，均方差相差2～3左右。将σH=f(Ti)代入式(5)，即可求得不同洪水频率下的漫顶风险率，并将计算值代入式(2)中，根据不同的大坝防洪标准，求出不同级别水库每年发生漫顶的风险率，以坝顶超高Δ(可靠性指标β)作为自变量、风险率作为因变量进行计算，结果见图2、图3。

图2 不同坝高下的风险率

图3 漫顶风险率分区图

由图2可知，洪水频率越小，风险率则越大，但相差不大，如0.01%与1%只相差10%以内，表明对于特定的土石坝，遭遇最大洪水时，其发生漫顶的主要影响风险因素为坝顶超高。

由图3可知，基于防洪标准及大坝安全级别确定了3个区，分别为A级、B级与C级区，其中，A级区位于下方，C级区位于上方，B级区位于中间。表明对于不同的大坝运行水平，运行条件良好时，风险率较小，而运行条件差时，相应的风险率明显偏大。随着超高的增大，各分级区的风险逐渐接近，即大坝坝顶超高到某一程度时，大坝的防洪风险与大坝的运行水平关系不大。

2 工程实例

计算选取大余县水库工程管理局管辖的4座土石坝，分别为油罗口水库、跃进水库、合江水库、石门口水库，该4座水库均位于赣江支流章江河水系，分别位于在大余县的东北方向及西南方向。

油罗口水库校核洪水按5000年一遇计算，校核洪水位223.53m，坝顶高程226.00m，是一座以防洪为主，兼有供水、发电、灌溉等综合效益的大(2)型水利枢纽工程。主坝为混凝土心墙坝。

跃进水库校核洪水按1000年一遇计算，校核洪水位256.98m，坝顶高程257.10m，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖等综合效益的中型水利枢纽工程。大坝为均质土坝。

合江水库校核洪水按300年一遇计算，校核洪水位190.15m，坝顶高程193.25m，是一座以灌溉为主，兼有发电、防洪、养殖等综合效益的小(1)型水利枢纽工程。主坝为黏土心墙坝。

石门口水库校核洪水按300年一遇计算，校核洪水位226.57m，坝顶高程228.14m，是一座以灌溉为主，兼有发电、防洪、养殖等综合效益的小(1)型水利枢纽工程。主坝为黏土心墙坝。

将各水库参数代入模型中，计算结果见表2和图4。

表2显示，不同的大坝漫顶风险差异较大，大坝等级越小，安全等级越低，漫顶风险越高，如合江与石门口水库的漫顶风险均在10-4级别，而油罗口水库的漫顶风险在10-6级别，符合人们对不同等级大坝的预期。

表2 大坝洪水漫顶风险率

图4 4座水库的防洪风险分区图

由图4可知，油罗口水库年均漫顶风险率在A级区，跃进水库在B级区，符合防洪风险的分区要求；而石门口与合江水库在C级区，与对应的安全级别不符，表明该水库的防洪风险不满足分区要求，应采取降低风险措施。

3 讨 论

由于漫顶风险率分区图是基于《导则》中防洪等级确定的，其中防洪标准是在大量的工程经验上总结出来的，因此，分区图界线作为不同级别的土石坝风险阀值是能够接受的。因此，工程案例所计算的4个水库风险分布图中，油罗口水库及跃进水库的风险率在对应的分区内，而另外两座小(1)型水库，风险分布在C级区，风险率高于相应的分区，应采取降低风险措施，最直接的措施便是提高防洪标准，将洪水标准提高至500年一遇，或坝顶超高提高至1m，则能将年均大坝漫顶风险率降至相应的分级区域。因此，可根据大坝的风险率分区图，计算大坝风险率，为大坝的风险决策提供技术依据。

值得注意的是，本文讨论的漫顶风险分区与大坝可接受标准[7]考虑的角度不同，大坝可按受标准综合考虑了下游的人民生命、经济、社会环境等因素，而本文风险接受区间只是针对大坝自身的安全，因此，如何衔接两种接受风险标准，是今后要讨论的课题。

4 结 论

本文以坝顶超高作为评价指标，构建了大坝防洪风险分析模型，定量分析了坝顶超高与防洪风险的关系；结合《导则》有关大坝安全等级的划分，建立了大坝防洪风险等级分区图；实例计算表明：对于小型水库，由于其防洪标准低，防洪风险率较大，而对于大中型水库，其防洪风险率则在相应的分区范围内。本文研究可为大坝防洪与风险分析提供决策依据。