西南某特高心墙堆石坝溃坝概率研究

2023-04-11李大成张露澄钟启明

水力发电 2023年3期

李大成，张露澄，马黎，钟启明，3，吴迪

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081；2.南京水利科学研究院，江苏南京 210029；3.水利部水库大坝安全重点实验室，江苏南京 210029)

0 引言

目前，我国有水库大坝9.8万余座，总库容超9 000亿m3[1]。大坝建设特点为总量多、类型多、小坝多、土石坝多、老旧坝多、病险库多。据水利部大坝安全管理中心普查资料统计，1954年至2021年，我国共溃坝3 558座，年均溃坝52座，年均溃坝率5.3×10-4。通过对3 558个溃坝案例进行分析，可将溃坝原因归纳为3大类，分别是自然因素(洪水漫顶)、工程因素(渗透破坏)和人为因素(设计施工缺陷、管理不当等)。21世纪以来，我国大力推进水管体制改革和依法依规管理、大规模开展病险水库除险加固、强化水库应急管理工作，使年均溃坝率降至5×10-5以下，进入世界低溃坝率国家行列。在这一时期，极端天气导致的超标准洪水和各类渗流问题成为水库溃决的主要原因。同时，水库调度不当、盲目和非法超蓄、闸门操作失灵、无人管理等运行管理问题长期存在，当耦合库水位等运行条件发生改变时，极易导致溃坝事故。

目前，我国已建、在建和拟建的高度在200 m以上的特高土石坝数量居世界首位[2]，这些特高土石坝主要集中在西部山区，具有高海拔、高地震烈度、高边坡、复杂地质条件等特点[3]。这些特高土石坝库容庞大，大多为流域梯级开发中具有年调节作用的控制性水库甚至是龙头水库，一旦发生溃坝，洪水将在高山峡谷中迅速演进，如果无法有效拦蓄，将淹没下游平原地区，对人民生命财产和环境带来不可估量的损失[4-5]。因此，必须高度重视高土石坝安全风险问题。

根据国际大坝委员会(ICOLD)的定义，风险是指对生命、健康、财产和环境负面影响的可能性和严重性的度量，是溃坝可能性和产生后果的乘积[6]。因此，溃坝风险分为溃坝概率和溃坝后果两部分。本文重点研究高心墙堆石坝的溃坝概率问题。以我国西南地区拟建的某特高心墙坝为研究对象，本文采用破坏模式、后果和危害程度分析(Failure modes，effects and criticality analysis，FMECA)法确定大坝主要溃坝模式和溃坝路径，基于反映时序逻辑的事件树分析法计算其溃坝概率。

1 工程概况

某特高心墙坝位于我国西南山区，根据其可行性研究报告，该枢纽工程由砾石土心墙堆石坝、泄洪消能建筑物(右岸洞式溢洪道、右岸泄洪洞、放空洞)、引水发电系统、地下厂房等主要建筑物组成。坝体共分8个区，自上游至下游依次为上游堆石Ⅰ区、上游堆石Ⅱ区、过渡区、反滤料Ⅱ区、反滤料Ⅰ区、防渗砾石土心墙、反滤料Ⅰ区、反滤料Ⅱ区、过渡区、下游堆石Ⅰ区、下游堆石Ⅱ区、上下游护坡。

根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》[7]，库区基本全处于0.20g范围。据此，库区Ⅱ类场地50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.20g，反应谱特征周期为0.45 s，相应地震基本烈度为Ⅷ度。

该工程等别为一等大(1)型，对下游多个梯级电站具有调节补偿作用，是年调节水库。因此，为了提出防止溃坝和对其进行应急管理的措施，有必要研究大坝的溃坝模式和溃坝概率。

2 大坝风险要素识别

根据某特高心墙坝工程布置、水文气象、地形地貌等基本情况，结合设计资料，查找分析大坝主要风险要素，包括工程风险要素、环境风险要素、人为风险要素。

工程风险要素识别主要是查找可能导致溃坝的工程自身缺陷。工程自身缺陷包括工程地质缺陷，如近坝库岸不良地质体滑坡或崩塌等；工程质量缺陷，如坝体施工质量缺陷或坝坡偏陡可能导致滑坡，坝顶高程不足可能导致洪水漫顶，闸门破坏或启闭失效可能导致洪水漫顶等。

环境风险要素识别主要是查找可能导致溃坝的外力因素。外力因素包括洪水、地震等。

人为风险要素识别主要是查找大坝安全管理的薄弱环节和社会安全事件。大坝安全管理的薄弱环节包括管理缺失或不规范、缺少必要的安全监测设施与应急电源、无防汛抢险道路与通信设施、操作失误、盲目与非法超蓄等。社会安全事件包括人为破坏(战争、恐怖活动)等。

识别某特高心墙坝工程可能发生破坏的风险要素，结果具体如下。

2.1 大坝

(1)坝顶。可能破坏原因有：①坝体沉降不均导致坝顶路面出现裂缝；②沉降过大导致坝顶超高不足而漫顶。

(2)防浪墙。可能破坏原因有：①坝体沉降不均导致防浪墙开裂；②近坝库岸堆积体崩塌造成涌浪导致防浪墙失效；③地震作用导致防浪墙破坏。

(3)砾石土心墙。可能破坏原因有：①填筑质量差，水力坡降大于允许比降，产生渗透破坏；②高坝不均匀沉降导致心墙接触部位渗透破坏；③无控制下的库水位骤升导致砾石土心墙发生水力劈裂；④洪水漫顶冲刷致使心墙暴露，发生倾倒破坏或剪切破坏；⑤地震作用引起心墙剪切错动，导致渗透破坏；⑥强震作用引起心墙失稳，导致结构性破坏。

(4)接触黏土料。可能破坏原因有：①填筑质量差，水力坡降大于允许比降，产生渗透破坏；②高坝不均匀沉降导致接触黏土料与岸坡出现大剪切变形，防渗失效引起接触侵蚀破坏；③地震作用导致接触黏土层出现大剪切变形，致其失效，引起接触侵蚀破坏。

(5)反滤料。可能破坏原因有：①填筑质量差，水力坡降大于允许比降，产生渗透破坏；②反滤料不能满足反滤要求，导致堆石料细粒流失，堆石料变形加剧，形成管涌通道或引起过大沉降；③高坝不均匀沉降导致反滤料与砾石土心墙接触部位渗透破坏；④地震作用导致心墙失效，渗漏水加剧冲刷反滤料致其流失，引起渗透破坏。

(6)过渡料。可能破坏原因有：①过渡料不能满足反滤要求，导致反滤层流失，接触部位出现集中冲刷；②地震作用导致心墙失效，渗漏水冲刷过渡料致其流失，导致渗透破坏。

(7)堆石I区。可能破坏原因有：①堆石料沉降过大，坝顶超高不足；②堆石料沉降过大，变形协调问题突出，与反滤料接触面发生渗透破坏；③下游堆石料渗透系数偏低导致排水不畅，引起坝体浸润线抬升；④钢筋抗震加固效果不理想，地震作用导致堆石料失稳破坏。

(8)堆石II区。可能破坏原因有：①堆石料沉降过大，坝顶超高不足；②地震作用导致堆石料失稳破坏。

(9)块石护坡。可能破坏原因有：①填筑质量差导致局部滑坡；②地震作用导致局部滑坡。

(10)混凝土盖板。可能破坏原因有：①浇筑质量差，致使坝基渗漏加剧；②高坝变形协调问题导致垫层破坏，开裂、漏水；③地震作用导致盖板开裂、漏水。

(11)混凝土挡墙。可能破坏原因有：①填筑质量差，导致下游盖重区失稳；②地震作用导致挡墙开裂破坏。

(12)防渗帷幕。可能破坏原因有：①施工质量差，导致防渗帷幕透水性较强，渗漏加剧；②地震作用导致防渗帷幕变形、开裂。

(13)坝基。可能破坏原因有：①洪水漫顶冲刷坝基；②高坝不均匀沉降导致坝顶超高不足，导致漫顶破坏；③坝基渗透变形导致坝顶超高不足或防渗体系破坏。

(14)左右岸坝肩。可能破坏原因有：①高边坡失稳；②绕坝渗漏；③地震作用下坝肩滑坡。

2.2 右岸溢洪洞

(1)引渠。可能破坏原因有：①施工质量差，引渠底板、连接段存在渗流通道，导致渗透破坏；②地震破坏。

(2)洞身。可能破坏原因有：①冲刷破坏；②渗漏破坏；③混凝土基础遭掏刷，导致结构破坏；④地震作用导致坍塌。

(3)闸门。可能破坏原因有：①闸门无法开启或开启不足；②地震破坏；③闸门破坏库水无控下泄。

(4)泄洪消能。可能破坏原因有：①泄槽与挑流鼻坎凹段高度不足，水漫溢墙；②冲刷破坏；③渗漏破坏；④结构破坏；⑤地震导致破坏。

2.3 右岸泄洪洞/放空洞

(1)闸门。可能破坏原因有：①闸门无法开启或开启不足；②地震破坏；③闸门破坏库水无控下泄。

(2)洞身。可能破坏原因有：①冲刷破坏；②渗漏破坏；③结构破坏；④地震导致破坏。

2.4 引水发电系统

(1)进口边坡。可能破坏原因有：①滑坡；②地震作用导致坍塌。

(2)闸门。可能破坏原因有：①闸门无法开启或开启不足；②地震破坏；③闸门破坏库水无控下泄。

(3)洞身。可能破坏原因有：①冲刷破坏；②渗漏破坏；③结构破坏；④地震导致破坏。

3 溃坝模式分析

对识别的大坝风险要素，采用破坏模式分析确定大坝的溃坝模式和溃坝路径。破坏模式是指在大坝风险要素作用下，导致大坝最终破坏的路径。本文利用FMECA法[8-9]分析某特高心墙坝各建筑物可能的破坏模式及其后果和危害程度，在此基础上得到主要溃坝模式与溃坝路径。

3.1 破坏模式分析

采用FMECA法，分析某特高心墙坝大坝和泄水建筑物的可能破坏模式、后果和危害程度，结果见表1。限于篇幅，本文仅列出危害程度高的破坏模式。

表1 某特高心墙坝破坏模式、后果和危害程度分析

由表1可知，危害程度高的破坏模式为：①坝体沉降过大；②泄水建筑物闸门故障；③强震作用下坝体结构破坏；④强震作用下泄水建筑物闸门卡阻；⑤恐怖袭击导致心墙破坏；⑥心墙变形不协调而产生裂缝；⑦心墙与岸坡接触部位大剪切变形；⑧防渗帷幕破坏。

在工程运行中需要重点关注上述部位及其破坏模式，及时采取工程或非工程措施预防上述破坏模式。

3.2 主要溃坝模式与溃坝路径

根据统计资料分析[10-11]，土石坝最终的溃坝模式均可以归为漫顶溃坝和渗透破坏溃坝2类[12]。根据上述破坏模式分析结果，可以得到某特高心墙坝主要溃坝路径，具体如下。

3.2.1 漫顶溃坝

(1)溃坝路径L1。坝体沉降过大→洪水→库水位抬升→坝顶超高不足→不能及时加高坝顶→漫顶→冲刷坝体→干预无效→砾石土心墙暴露、发生倾倒破坏或剪切破坏→溃坝。

(2)溃坝路径L2。洪水→泄水建筑物闸门故障导致无法泄洪→库水位抬升→坝顶高程不足→不能及时加高坝顶→漫顶→冲刷坝体→干预无效→砾石土心墙暴露、发生倾倒破坏或剪切破坏→溃坝。

(3)溃坝路径L3。强震→大坝变形不协调→坝体结构破坏→堆石区松动、心墙产生裂缝→坝顶高程不足→不能及时加高坝顶→漫顶→加速冲蚀心墙→干预无效→溃坝。

(4)溃坝路径L4。强震→泄水建筑物闸门卡阻导致无法泄洪→库水位抬升→坝顶高程不足→不能及时加高坝顶→漫顶→冲刷坝体→干预无效→砾石土心墙暴露、发生倾倒破坏或剪切破坏→溃坝。

(5)溃坝路径L5。恐怖袭击→坝体结构破坏→心墙产生溃口→坝顶高程不足→不能及时加高坝顶→漫顶→冲刷坝体→干预无效→砾石土心墙暴露、发生倾倒破坏或剪切破坏→溃坝。

3.2.2 渗透破坏溃坝

(1)溃坝路径L6。心墙内部变形不协调→心墙裂缝→水力劈裂→反滤保护效果不佳心墙未能自愈→冲蚀心墙土料→渗透破坏→干预无效→溃口向两侧扩展→溃坝。

(2)溃坝路径L7。大坝不均匀沉降→心墙与岸坡接触部位大剪切变形→接触冲刷→形成渗流通道→渗透破坏→干预无效→砾石土心墙暴露、发生倾倒破坏或剪切破坏→溃坝。

(3)溃坝路径L8。防渗帷幕破坏→坝基渗透破坏→坝体失稳→干预无效→溃坝。

4 溃坝概率计算

根据破坏模式分析结果，结合洪水/地震重现期，构造事件树，利用事件树法[13-14]计算大坝溃坝概率。

4.1 事件树法

4.1.1 基本概念

事件树法是一种时序逻辑分析方法，该方法以初始事件为起点，按照事件的发展顺序，对可能的后续事件逐步进行分析，直至系统事故或破坏为止。事件发生顺序存在着一定的因果逻辑关系，当对每一事件赋予相应的发生概率时，就可以估算系统故障发生的总体概率。事件树法可用于各类大坝的溃坝概率计算。

4.1.2 计算方法

某种荷载状态下某条溃坝路径的溃坝概率Pi，j为

(1)

式中，Pi，j为第i种荷载状态、第j种溃坝模式的溃坝概率；p(i，j，k)为第i种荷载状态、第j种溃坝模式下第k个环节发生的概率；i为荷载状态，i=1，2，…，n；j为溃坝模式，j=1，2，…，m；k为溃坝路径中的某一环节，k=1，2，…，s。

当溃坝模式数量m较少时，某种荷载状态下的溃坝概率Pi按式(2)计算，否则，Pi可取式(3)的上限或者上限和下限的均值。

Pi=P(A1+A2+…+Am)

(2)

(3)

式中，Pi为第i种荷载状态的溃坝概率；A1、A2、…、Am为第i种荷载状态下的m个溃坝模式。

溃坝概率P为

(4)

式中，Pi为第i种荷载状态的溃坝概率；n为荷载状态数量。

根据洪水/地震重现期区间构造事件树，然后根据破坏模式确定破坏路径，根据破坏路径构造各分支事件树，求出不同破坏模式下的破坏概率。

各荷载状态发生概率f等于各重现期区间内的频率之差，计算结果见表2。

表2 各荷载状态发生概率计算

某荷载状态下，溃坝概率的计算方法见表3。

4.2 某特高心墙坝溃坝概率计算

4.2.1 漫顶溃坝概率计算

溃坝路径L1～L5中各环节的失事概率由专家经验法得到，失事概率为各环节失事概率的乘积。根据式(1)，溃坝概率是第i种荷载状态的发生概率与失事概率的乘积。溃坝路径L1～L5溃坝概率计算过程见表4～8。

表4 溃坝路径L1溃坝概率计算过程

表5 溃坝路径L2溃坝概率计算过程

表6 溃坝路径L3溃坝概率计算过程

表7 溃坝路径L4溃坝概率计算过程

表8 溃坝路径L5溃坝概率计算过程

用式(2)计算5种溃坝路径下的溃坝概率，计算结果见表9。由表9可知，溃坝路径L4发生的概率最大，即强震作用下泄水建筑物闸门卡阻导致无法泄洪而溃坝的概率最大。其他4种溃坝路径中，强震作用下坝体结构破坏(L3)、泄水建筑物闸门故障(L2)、坝体沉降过大导致坝顶超高不足(L1)、恐怖袭击导致心墙破坏(L5)的溃坝概率依次减小。