一种确定梯级水库群大坝风险等级的方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域，是一种确定梯级水库群大坝风险等级的方法，是一种流域尺度下考虑风险概率和风险损失的梯级水库群大坝风险等级划分标准和确定方法。

背景技术

梯级水库群开发建设不仅为国家水资源调控、清洁电力供应、应对气候变化和经济社会可持续发展提供了强劲的动力，而且对农业灌溉、城市供水、防洪减灾、改善生态环境和航运等起到积极的作用。与此同时，级水库群中一旦出现滑坡堵江、超标准洪水或发生溃坝事件，极易导致下游梯级水库群大坝发生连续漫顶溃决，对流域沿岸人民的生命财产安全造成极大的威胁。

目前，单一梯级的风险分析研究成果较为丰富，但以流域为研究范围的梯级水库群风险分析与评估的研究成果较少。相比单一梯级，流域梯级群的系统风险源识别更为复杂，灾害链更长，影响程度更大。在流域尺度下，任何一座梯级溃坝洪水的灾害链若不能及时、有效截断，则必然出现“多米诺骨牌效应”，由此而产生的损失是无法承受的。为防止流域梯级水库群发生溃坝事件，从流域系统角度，对各个梯级水库的风险进行分析评估，确定风险等级，进而对不同风险等级的梯级大坝采取与之相适应的风险管控措施，实现风险分级管控，确保流域梯级水库群整体安全。

梯级水库群大坝风险等级确定可采用风险矩阵法，其难点在于分析各梯级大坝失事风险概率和相应的风险损失。风险概率的计算分析可采用可靠度方法，风险损失包括生命损失、经济损失、环境影响和社会影响，可通过逐项估算的方法计算确定。

本发明内容和效果

现有方法及其缺点

现有方法一：水利水电工程等级划分标准

1)水利行业

现行《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2017)是根据工程规模、效益和在经济社会中的重要性确定工程等别，具体见表1。

表1 水利水电工程分等指标

水库及水电站工程的永久性建筑物的级别是根据工程等级和建筑物的重要来确定，详见表2。此外，对表2中规定为2级、3级的水库大坝，如坝高超过表3规定的指标时，其级别可提高一级。

表2 永久性水工建筑物级别

表3 水库大坝提级指标

2)水电行业

现行水电枢纽工程等级划分及设计安全标准(DL5180-2003)根据其工程规模、水库总库容和装机容量确定工程等别，详见表4。

表4 水电枢纽工程的分等指标

水电工程永久性水工建筑物级别是根据工程等别及建筑物在工程中的作用和重要性确定，详见表5。对表5中确定为2级、3级大坝，当坝高超过表6所列的指标时，其建筑物级别可提高一级。

表5 永久性水工建筑物级别

表6 提高壅水建筑物级别的坝高指标

此外，水电行业对失事后损失巨大或影响十分严重的2级～5级永久性水工建筑物，经专门论证后可提高一级。

现有方法一的缺点

目前，水利行业和水电行业对水库大坝的工程等别和建筑物级别划分方法基本一致，均是根据工程规模、水库库容、防洪任务、装机容量等功能确定工程等别，再根据工程等别和建筑物在工程中的重要性，确定建筑物的级别，进而根据建筑物级别和类型，选取相应的设计安全标准。这种方法适用于确定性情景的单个水库大坝设计，可为工程设计提供依据，但也存在以下几方面的不足：

1)未考虑水库大坝运行面临风险的不确定性。水利水电工程等别和建筑物级别的确定主要依据其规模、功能目标及其重要性，在设计标准选取时以可能出现的确定性荷载为设防目标，并未考虑运行风险的不确定性，以及多种作用之间的组合。如发生地震后，又遭遇暴雨洪水等。

2)未能从流域系统安全的角度，考虑单个梯级大坝的安全水平，使得流域各梯级水库大坝可能处于不同的风险水平。如对于洪水和地震，该方法均是以工程自身等别确定设防标准，规模小的工程抗风险能力弱。就单个梯级而言，这样选取标准基本是合理的。但是，在流域尺度下，不满足流域风险标准的梯级，极有可能成为薄弱梯级而首先触发溃坝风险，若不能有效截断溃坝洪水，则必然出现“多米诺骨牌效应”，引发流域系统安全问题。

现有方法二：水库大坝安全类别鉴定

1)水利行业

现行《水库大坝安全鉴定办法》将大坝安全状况分为三类，标准如下：

一类坝：实际抗御洪水标准达到《防洪标准》(GB50201)规定，大坝工作状态正常；工程无重大质量问题，能按设计正常运行的大坝。

二类坝：实际抗御洪水标准不低于部颁水利枢纽工程除险加固近期非常运用洪水标准，但达不到《防洪标准》(GB50201)规定；大坝工作状态基本正常，在一定控制运用条件下能安全运行的大坝。

三类坝：实际抗御洪水标准低于部颁水利枢纽工程除险加固近期非常运用洪水标准，或者工程存在较严重安全隐患，不能按设计正常运行的大坝。

2)水电行业

现行《水电站大坝运行安全监督管理规定》将大坝安全等级分为正常坝、病坝和险坝三级。标准如下：

符合下列条件的大坝，评定为正常坝：(1)防洪能力符合规范要求；或者非常运用情况下的防洪能力略有不足，但大坝安全风险低且可控；(2)坝基良好；或者虽然存在局部缺陷但无趋势性恶化，大坝整体安全；(3)大坝结构安全度符合规范要求；或者略有不足，但大坝安全风险低且可控；(4)大坝运行性态总体正常；(5)近坝库岸和工程边坡稳定或基本稳定。

具有下列情形之一的大坝，评定为病坝：(1)正常运用情况下的防洪能力略有不足，但风险较低；或者非常运用情况下的防洪能力不足，风险较高；(2)坝基存在局部缺陷，且有趋势性恶化，可能危及大坝整体安全；(3)大坝结构安全度不符合规范要求，存在安全风险，可能危及大坝整体安全；(4)大坝运行性态异常，存在安全风险，可能危及大坝整体安全；(5)近坝库岸和工程边坡有失稳征兆，失稳后影响工程正常运用。

具有下列情形之一的大坝，评定为险坝：(1)正常运行情况下防洪能力不足，风险较高；或者非常运用情况下防洪能力不足，风险很高；(2)坝基存在的缺陷持续恶化，已危及大坝安全；(3)大坝结构安全度严重不符合规范要求，已危及大坝整体安全；(4)大坝存在事故征兆；(5)近坝库岸或者工程边坡有失稳征兆，失稳后危及大坝安全。

现有方法二的缺点

1)未考虑水库大坝失事后果损失的严重性。仅从防洪能力是否满足规范要求、大坝有无质量问题、大坝运行性态是否良好等方面对水库大坝的安全性进行评价，但未考虑水库大坝失事后可能造成的后果损失及其严重程度。

2)仅从大坝工程自身的结构安全评价其安全性，并未综合考虑大坝结构失事概率和后果损失的严重性，从风险的角度全面评价其可靠性。风险是客观存在的，绝对安全的工程是不存在的。因此，评价梯级水库大坝的安全水平应采用风险分析与评估方法，全面评价其可靠性。

3)未能从流域系统安全的角度，考虑单个梯级大坝的安全水平，使得流域各梯级水库大坝可能处于不同的风险水平。如对于洪水和地震，该方法均是以工程自身等别确定设防标准，规模小的工程抗风险能力弱。就单个梯级而言，这样选取标准基本是合理的。但是，在流域尺度下，不满足流域风险标准的梯级，极有可能成为薄弱梯级而首先触发溃坝风险，若不能有效截断溃坝洪水，则必然出现“多米诺骨牌效应”，引发流域系统安全问题。

发明内容

本发明从流域系统安全层面，综合考虑梯级水库群大坝溃决风险概率和潜在的风险损失，采用风险矩阵根据大坝风险概率等级划分和风险损失严重性等级划分，实现梯级水库群大坝风险等级确定，为梯级水库群大坝风险分级管理和系统提升梯级水库群整体安全水平提供科学依据。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种确定梯级水库群大坝风险等级的方法，所述梯级水库群包括至少两座或以上大坝，所述梯级水库群大坝风险等级确定方法步骤如下：

1)采用可靠度方法计算梯级水库群大坝失效概率，根据本发明提出的风险概率等级划分指标，确定梯级水库群大坝风险概率等级；

2)估算梯级水库群大坝溃决后可能的生命损失、经济损失、社会影响和环境影响，根据本发明提出的损失等级划分指标，确定梯级水库群大坝风险损失等级；

3)综合考虑梯级水库群大坝风险概率和风险损失，根据本发明提出的风险等级划分指标，采用风险矩阵确定梯级水库群大坝风险等级。

上述技术方案中，优选地，梯级水库群大坝失效概率采用可靠度方法计算，即

上述技术方案中，优选地，梯级水库群大坝风险概率等级划分指标按可能性由小到大依次为“几乎不可能”、“不太可能”、“可能”、“很可能”、“非常可能”五级，等级确定为1～5，对应风险概率取值见表7。

表7 风险概率等级划分指标

上述技术方案中，优选地，梯级水库群大坝风险损失等级划分指标按生命损失、经济损失、社会影响、环境影响，据其严重性依次划分为“一般”、“较大”、“重大”、“特别重大”和“灾难性”五级，分别确定为A～E，相应的各项后果描述见表8。

表8 风险损失等级划分指标

上述技术方案中，优选地，梯级水库群大坝风险等级是综合考虑风险概率大小和相应风险损失的严重性，分为极高(Ⅰ)、高(Ⅱ)、中(Ⅲ)、低(Ⅳ)四级，见表9。

表9 风险等级标准

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在流域的尺度下，综合考虑梯级水库群大坝溃坝风险概率和风险损失，采用风险矩阵，实现梯级水库群大坝风险等级定量确定。通过确定风险等级，将有限的风险防控资源用于风险等级相对较高的梯级大坝，以提高流域系统整体安全，弥补现行水利水电工程等级划分标准和水库大坝安全类别鉴定仅针对单个梯级大坝安全管理的不足，并在现行方法仅考虑工程安全的基础上，增加考虑后果损失，更为全面的评估各梯级大坝的安全水平，为梯级水库群大坝风险管理和系统提升梯级水库群的整体安全水平提供科学依据。

附图说明

图1为本发明技术流程图；

图2为功能函数的直方图及失效概率。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应该了解，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以A流域各梯级电站作为实施例。A流域已建梯级电站大坝提高了下游沿岸城镇的防洪标准，利用水能发电，也为下游城市供水及灌溉，服务库区及下游地区的经济建设，创造了巨大的经济效益。然而，各梯级水电大坝在发挥巨大社会和经济效益的同时，也存在失事风险。一旦发生超出控制的下泄洪水，必降对水电工程本身及上下游区域的人类生命、经济、社会和环境造成巨大损失和深重灾难。从工程设计角度来看，任何工程都有一定的可靠性，一旦因某种突发的地质灾害、洪水(如特大降雨、库区山体滑坡等)、坝体材料老化损坏、泄流能力不足、管理运行不当、恐怖袭击或战争，将对大渡河沿岸水电站大坝安全造成严重威胁，严重者甚至引起溃坝事故。另一方面，人类认识的局限性也使得工程设计中不可避免地存在不确定性和未知的因素。由此看来，流域内各梯级水库大坝在其使用基准期内总是存在着一定的失事风险。

因此，对流域各梯级水库大坝进行风险分析和评估，确定风险等级，对不同风险等级的梯级大坝采取与之风险相适应的防范措施，使得流域各梯级水库群大坝处于同一风险水平，从而提高全流域梯级电站库群系统的可靠性。

1)概率等级划分

若梯级水库群大坝坝坡抗滑稳定分析极限状态功能函数G，则

G＝F-1＝F(x

式中，F为安全系数，表达为输入参数x

由附图2可知，分布曲线的概型一旦确定为正态分布，图2中阴影的面积即唯一地表达为均值μ

式中，μ

则β可以和失效概率P

P

式中，Φ(β)为β的分布函数。

由此，可靠指标β和失效概率P

各梯级基本工程特性和大坝在正常工况和地震工况的设计安全系数，采用可靠度方法实现可靠指标与失效概率之间的换算，结果见表10。

表10 A河流域各梯级工程基本概况

根据表7的风险概率等级标准和表10的A流域各梯级大坝在正常工况和地震工况下的失效概率，可确定各梯级大坝两种工况下的概率等级，详见表11。

表11 A河流域各梯级工程大坝风险概率等级划分

2)风险损失等级划分

根据A流域各梯级电站溃坝后可能的淹没范围，对生命损失、经济损失、社会影响和环境影响进行分析和评估，并依据表8的风险损失等级划分标准，对各梯级大坝的风险损失进行等级划分，结果见表12。

表12 A流域各梯级工程大坝风险损失等级划分

注：1.生命损失按转移人口的1/1000进行估算。

2.经济损失按如下估算：生命损失(60万/人)+应急转移人员安置费(1万/人)+受灾房屋估价*0.4(按人均30m

3.转移人口数量根据溃坝影响范围及人口分布情况估算。

4.环境影响根据溃坝影响范围及可能造成的重大破坏进行描述。

5.以上指标仅供参考，更详细的指标需要进行现场大量的社会指标统计。

3)梯级水库群大坝风险等级确定

根据各梯级大坝的风险概率等级和风险损失等级，依据表9风险等级确定标准，即可确定各梯级大坝的风险等级。考虑正常工况和地震工况均为设计工况，风险损失可假定基本一致。因此，在设计的正常工况和地震工况下，A流域各梯级电站大坝的风险等级见表13和表14。

表13 A流域各梯级大坝设计正常工况下的风险等级

表14 A流域各梯级大坝设计地震工况下的风险等级

本发明可在流域的尺度下，通过确定风险等级，将有限的风险防控资源用于风险等级相对较高的梯级大坝，以提高流域系统整体安全，弥补现行技术一和技术二仅针对单个梯级大坝安全管理的不足，并在现行技术一和技术二仅考虑工程安全的基础上，增加考虑后果损失，更为全面的评估各梯级大坝的安全水平。例如，通过上述A流域各梯级电站大坝在设计正常工况和地震工况确定的风险等级，可以看出：在设计正常工况下，各梯级大坝均处于中风险等级(Ⅲ)及其以下，其中D-6、D-11、D-15、D-16均处于低风险等级(Ⅳ)；而在设计地震工况下，D-1、D-7、D-9、D-13、D-14则处于高风险等级(Ⅱ)。因此，从流域系统风险管理的角度，在A流域16座梯级电站大坝中，应重点关注D-1、D-7、D-9、D-13、D-14五座梯级大坝的安全管理和风险防控，尽可能通过提升大坝可靠指标，降低失效概率，或通过减小工程规模，降低下游淹没损失，或通过下游搬迁移民，减少下游风险损失，以降低这五座大坝在遭遇设计地震时的风险。

显然，本发明不限于上述实施例的细节。上述实施例应被视为是示范性的，而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求限定，且包括落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化。权利要求中的任何附图标记不应被视为对所涉及的权利要求具有限制性。

此外，本说明书应被视为一个整体，上述实施方式并非本发明唯一的独立技术方案，实施例中的技术方案可经适当组合调整，形成本领域技术人员可理解的其他实施方式。