刘志全

(广州市从化区水利技术中心,广州 510900)

0 引 言

修建水库可产生多重效益,但水库在拦蓄洪水的同时也伴有低概率、高危害的溃决风险。 许多水库承担着重要防洪任务,一旦溃决将对下游群众生命财产安全造成极大危害。 目前,监控设备在设计时缺乏针对性,通常都是平均分布,所布设的地点并非真实存在病害或险情,有的还与实际存在的病害或险情差异较大,造成了监控结果不能反映出异常状态,监控设备也不能对潜在的安全风险进行有效监控,很难精确反映大坝的局部安全状态[1-2]。 对监控设备进行科学合理的配置,充分发挥监控设备的作用,对水库的安全生产具有重要的意义。

近年来,许多国家采用多种水库风险管理技术方法,并收到了较好的效果[3]。 风险管理技术将应用风险分析的原理和方法,发现岩石坝体的危险部位,并有目标地设置监控设备,进行安全监控[4]。 通过对危险部位进行定期观察和数据分析,可以更好地反映岩石坝体危险部位的实际情况,有助于水库坝体的风险防治,减小崩坝的危险程度,提升投资的使用效率。

本文以失效模式与效应分析为评估手段,识别大坝各种破坏形式的危险等级,并对各种破坏形式的严重程度和结果进行评估。

1 基于风险分析的水坝安全监测设计

1.1 基于风险分析的监测原则及风险等级划分

为了监督工程施工,不仅需要考量当前设备的投运状态,还需要考量修建水坝所产生的安全因素。 因此,在进行安全监测时,应遵守以下基本原则：监督计划与危险水平的程度相符。 从水库运行的实际危险角度出发,对危险程度高的水库宜安排观察点,对危险程度低的水库可以不安排或减少观察点[5]。 坚持与已有监控设备配合使用,最大限度发挥已有监控设备的作用,降低新增监控设备的投资和资源消耗。 监督机构的设置要有一定的代表性和综合性。 监控设备要能最大限度反映相关位置的危险性,并简化监控设备数目,提升监控设备效率[6]。 将监控的频率和危险程度结合起来,对高危区周边的监控设备,加强监控。 图1 为以了解风险为基础的监控设计工作步骤图。

图1 监控设计工作步骤图

资料数据收集是指收集大坝的原材料,如基础材料、加固和安全评估报告以及安全监测数据。 现场检查是对水库中存在的安全隐患和危险点进行彻底调查,并对所收集数据中所体现出来的突出问题进行调查,对危险因素进行辨识[7]。 风险分析的基础是区分风险元素,基于元素分析来求解风险程度和对风险类型做出判断。根据评价结果,对监控系统进行优化,并对监控系统中应增加或改建的监控系统进行建议[8]。在此基础上,根据最优的监控设备布局,对监控设备进行风险评估,以评估监控效果,进而提出下一步的监控设备布局。 图2 为风险等级划分图及取值对应的具体内容。

图2 风险等级划分图及取值对应的具体内容

对通过风险辨识得到的损坏类型及其过程进行分析,考虑到该分析评价作为决策基础,因此该评价不需要太复杂,只要对破坏模式进行简单排名,并对其进行风险分类即可[9]。 故障模式和效果分析方法包括故障模式的影响和关键度的分析,同时还具备辨识和评价功能,其目标是认识系统的构成要件,明确各个结构的作用,了解所有部件的故障方式及其对系统功能的影响。故障模型影响评估应明确界定体系的界限,并对评估的范围和限制进行评估[10]。 在该界限内,一切关系都要清楚。 如一个水坝一般由坝体、溢洪道及泄洪、取水和其他一切运输设施、为确保大坝和蓄水池的正常运作而必需的一切其他设备和构造、库区及其周围的天然景观、边坡、上游地区、大坝下游地区、渠道及通信设备、电力供应、溃坝淹水地区等组成。

利用大坝决口概率及其所造成的结果相乘来确定风险。 风险指数计算表达式如下：

式中：M为风险指数;P为失效模式可能值;Q为失效模式后果值。

按照级别的通用划分原则,本次研究分为4个级别。M值在1～7 之间,危险程度为1 级;M值在8～14 之间,危险程度为2 级;M值在15～21之间,属于3 级危险;M值在22～30 之间,危险程度为4 级。 测压管水头在渗流场中占总渗流水头的百分数计算表达式如下：

式中：ϕi为编号为i的测压管水位;H1、H2为上下游水位。

1.2 基于风险评估的大坝监测设计

基于风险评估的大坝监测设计是在分析潜在失效模式和危险等级的基础上决定的,监测工程和分布量可用于监测故障路径和整个发展过程。 在每一种损坏形式的基础上,应考虑其破坏形式的特异性来确定监测设施,如漫顶、渗透破坏等等。 在考虑洪水漫顶风险的基础上,设置水雨情观测装置。 当在较高安全风险时,应加设防洪报警系统。 根据坝体的渗透损伤情况,可设置渗透压和渗透率监测点等。 表1 为水坝安全监控工程的项目分类表。

表1 水坝安全监控工程项目分类表

从表1 可知,在漫顶风险中,上下游水位、降水量、现场检查等都是必须设置的监控项目,而在1 级危险的情况下,可以不设置洪水预测监控。 在渗流失稳危险方面,必须设置的内容以上游水位为主;在危险等级2 以上的情况下,需增设渗透压和渗透率监测站,在危险等级4 的情况下,需加强对裂隙的监测。 在坝肩失稳危险方面,必须设置上游水位;1 级和2 级危险时,应设置坝肩表面位移,而3 级和4 级危险时,必须设置坝肩面位移。 在结构失稳危险方面,1 级和2 级危险时,应设置渗透压力监测,3 级和4 级危险时,应设置裂缝和内部变形监测。

根据危险区域布局来决定危险区域设置,对于危险性低的区域,可以减少或不设置设备。 以茂墩水库为例,该水库为均质±坝,由于大坝反滤体渗流量较大,为防止地基发生漏水,除对大坝及坝基进行防渗加固处理外,需增设渗透压和渗透率监测站,重新设置测压井及集渗沟流量计等安全监测设施。 此外,还应该与危险程度相联系来决定观察的频率。 如当水坝出现明显管涌等渗透破坏候,其危险程度较高,因此应加大观察的频率;还可以考虑使用一种自动化收集方法,实现对水坝的实时观察。 同时,对于水坝重点部位还要进行现场检测,在危险程度不高的部位,如坝体的变形趋于平稳时,只要依据规范中的基础条件进行监测即可。

2 基于风险评估的水库工程案例分析

2.1 工程概况

茂墩水库位于从化区琶江(二)河上游茂墩水,1966 年3 月建成投入使用。 水库集雨面积12.9km2,灌溉面积0. 084×104hm2,正常蓄水位97.50m (1956 黄海高程系统),相应库容1 100×104m3;设计洪水位(P=2%)99. 01m,相应库容1 241.31 × 104m3; 校核洪水位(P= 0. 1%)99.87m,相应库容1 339.10×104m3,是一座以灌溉为主、兼顾供水和发电的中型水库,属于Ⅲ等中型水利水电工程,主要建筑物为3 级,次要建筑物为4 级。 主要建筑物有大坝、溢洪道、塔式输水涵管和坝后一、二级电站。

原大坝坝顶高程 102. 00m, 最大坝高29.00m。 大坝于1997 年进行加高,加高后坝顶103.45m,最大坝高30.45m,坝顶宽5. 0m,坝顶长135.0m。 迎水坡用块石护坡,坡比1：2. 75～1：3.25;背水坡坡比1：2.5～1：3.0,设垫褥式反滤层,并有戗台二道,宽1.5m。 溢洪道布置在大坝左侧的山丘处,溢流堰为驼峰堰,堰顶宽4.5m,堰前用长35m 的扭曲面与上坡衔接,底为1：10 反坡,堰后为二级陡坡段,坡比分别为1：3.6～1：8。陡坡段之后是挑流消能,鼻坎挑射角15°。 溢洪道设计最大单宽流量23.6 m3/s。 驼峰堰顶高程95.2m,堰顶设钢闸门,门高2.5m,启闭机启门力10t。 输水涵进口高程77.5m,涵管内径1. 29m,采用钢筋砼圆管型式,最大输水能力2. 1m3/s。输水涵管主管直通一级电站,主管分出3 个叉管,分别为鱼塘养殖管、自来水厂供水管和水库排洪管。 坝后分一级电站和二级电站,总装机容量485kW。

2.2 基于风险评估的监测设计结果分析

在常态下,水库溃坝多为洪水期间由坝基渗流或接触型渗流等损伤引发,而较少因溢洪道泄流程度不够、闸门失效等原因出现滑移引发。 本次研究对可能出现的危险程度进行分析,结果见表2。

表2 风险评估结果

表2 显示,水坝漫顶风险整体风险指数为5,风险等级较低,为1 级;而渗透破坏导致的风险指数较高,为15 或者20,属于3 级风险,主要体现为两侧坝肩渗透严重。 此时,其失效可能性为3 或者5,失效后果严重性为4 或者5。 而因水坝变形导致的结构失稳风险指数为5,风险等级为1,风险总体较低。

图3 为纵断面测压管水位过程线对比图。从各纵向剖面上观察,渗透压力的空间变化规律是不一致的。 从大坝测压管道上观察,新管1 比其他两个管道的水位要高4.2m 左右,表明这一段的渗透危险大于其他位置。 但新管2 设置在大坝左侧,管道的水平面约76. 8m,比大坝上游低,导致大坝的渗透压较高。 从大坝基部测压管道的水位上观察,渗透压相当,管道水位均在77.6m 以上。

图3 高程超过80m 的纵断面测压管水位过程线对比图

图4 为高程超过90m 的纵断面测压管水位过程线对比图。 从图4 可知,旧管1、旧管2 的水位均低于库水位,水位约86. 5m,渗透压相差不大。 而新管4 水位则高于前两种管道,水位约97.6m,其发生渗透的风险较高。

图4 高程超过90m 的纵断面测压管水位过程线对比图

表3 为测压管水位数据的对比分析。 由表3可知,背水坡处一排的管水位较高,其最高平均位势为86.32%,而最低位势为9.31%,表明此段的坡降大部分出现在大坝内,其坡降约0.2,并且排水棱作用良好。 针对背水坡处二排的测压管,在接近坝脚处,其旁侧压管的位势范围在44%左右,这是一个非常高的位置,而且在该截面集渗沟中出现渗水出逸情况,很有可能存在渗漏破坏。

表3 测压管水位数据的对比分析

3 结 论

目前,坝工生产经营逐步转向风险经营,常规的监控方式已经无法满足坝工生产经营的要求。 因此,在坝工生产经营中引入风险监控是一种发展方向。 在风险分析的基础上,本文论述了水坝安全管理问题、风险分级方法,并分析了监测设计的优化技术。 结果显示,渗透破坏造成的风险指标较高,为16 或20,为3 级风险,具有较高的风险。 新增加的渗漏监控设备所反映出的整体危险程度均较高,表明监控资料的重要性也就越大。