潰壩的殘余風(fēng)險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

胡蘇萍

（南京水利科學(xué)研究院,210024,南京）

一、潰壩的殘余風(fēng)險(xiǎn)

要確保壅水建筑物的安全，不僅需要按照公認(rèn)的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行以及安全監(jiān)測(cè)，還必須采取技術(shù)、管理和組織措施實(shí)施殘余風(fēng)險(xiǎn)管理。德國(guó)自1997年起開(kāi)始對(duì)DIN 19 700∶1986壅水建筑物標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，歷時(shí)7年，最終于2004年發(fā)布新修訂的標(biāo)準(zhǔn)。DIN 19 700∶2004采納了上述綜合和透明的安全概念，除要求按規(guī)定完成設(shè)計(jì)和安全驗(yàn)證之外，還要求重視超過(guò)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證極限的情況。在標(biāo)準(zhǔn)的第10部分明確指出，必須對(duì)因?yàn)槌^(guò)設(shè)計(jì)洪水流量或洪水水位以及超過(guò)設(shè)計(jì)地震而造成的壅水建筑物安全的殘余風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件通過(guò)附加的、建設(shè)性的、管理和/或組織措施充分降低殘余風(fēng)險(xiǎn)。這一要求表明：①壅水建筑物不可能達(dá)到100%絕對(duì)安全；②不是要排除風(fēng)險(xiǎn)，而是要降低風(fēng)險(xiǎn)；③必要時(shí)要采取預(yù)防事故的措施；④保留可接受的殘余風(fēng)險(xiǎn)。按照DIN 19 700∶2004必須針對(duì)極端地震和極端洪水兩種危險(xiǎn)情況，對(duì)大壩失事的殘余風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

二、潰壩情景的建立

對(duì)已建壩進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的第一步就是要建立假定的潰壩情景。潰壩時(shí)間進(jìn)程主要取決于大壩類(lèi)型，土石壩與砌筑壩的潰壩特性不同，拱壩可能會(huì)突然間完全崩潰，而土壩漸進(jìn)式侵蝕過(guò)程可能會(huì)持續(xù)數(shù)小時(shí)，充分認(rèn)識(shí)歷史潰壩事件將有助于選擇符合實(shí)際的潰壩情景。

大壩形成潰口的原因各不相同，但不同的原因也可能導(dǎo)致潰口形狀相似。表1總結(jié)了砌筑壩可能的潰壩原因及其相應(yīng)的潰口形狀。管涌和漫頂會(huì)導(dǎo)致土石壩潰決，而由地震或塌方造成邊坡或壩體破壞引起土石壩潰壩的情況則較為少見(jiàn)。

根據(jù)不同原因造成的潰壩情景可以推算出潰口大小及潰口形成時(shí)間，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于出流過(guò)程線具有決定性影響，可以利用由歷史或試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式確定，部分采用物理試驗(yàn)方法。表2給出了不同壩型的潰口參數(shù)和潰決歷時(shí)經(jīng)驗(yàn)值，考慮到這些經(jīng)驗(yàn)值固有的不確定性，建議就不同的潰口參數(shù)（如寬度、深度和形成時(shí)間）進(jìn)行敏感性分析。

近年，基于物質(zhì)輸移方程利用數(shù)值方法計(jì)算土壩潰口形成的可能性顯著增大，但歐盟IMPACT項(xiàng)目2005年的研究結(jié)果表明，計(jì)算值與原型值或試驗(yàn)值之間仍然有30%～50%的偏差，尤其是潰口最大出流量。堆石壩的潰壩特性顯然不同于土壩，雖然堆石壩能較長(zhǎng)時(shí)間地經(jīng)受住漫頂和滲流，但實(shí)際的潰壩進(jìn)展較快，致使最大出流量較大。

如果不了解壩體中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如防滲心墻或上游護(hù)面）對(duì)潰壩過(guò)程的影響，就很難作出正確的估算。對(duì)土壩的試驗(yàn)研究表明，與均質(zhì)土壩相比，設(shè)有防滲心墻的土壩遭受侵蝕的速度較快，因?yàn)槟蜎_蝕心墻構(gòu)成一個(gè)溢流堰頂，在它的后面紊流加劇，從而使沖蝕增強(qiáng)。關(guān)于防滲護(hù)面對(duì)潰壩過(guò)程的影響尚未進(jìn)行研究。

砌筑壩潰壩被描述為突然失事，自19世紀(jì)以來(lái)，潰壩事件時(shí)有發(fā)生，為此加強(qiáng)了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。砌筑壩潰壩后，潰口不再隨時(shí)間產(chǎn)生進(jìn)一步變化。如果把潰壩作為自由落體運(yùn)動(dòng)來(lái)考慮，就可以估算出取決于壩高的砌筑壩假定潰壩的最短時(shí)間。

針對(duì)一座由土壩和相鄰的圬工壩（設(shè)有溢洪道）組成的壅水建筑物建立了相應(yīng)的潰壩情景（表3）。在此情況下，尤其不具備足夠的抗震安全性。盡管有泄降限制，但仍然考慮了壅水位快速泄降，因?yàn)檎`操作可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)上述情形。根據(jù)特定荷載出現(xiàn)概率與特定荷載下實(shí)際發(fā)生潰壩概率的乘積，確定各種潰壩情景出現(xiàn)的總概率。

表1 砌筑壩潰壩原因及其相應(yīng)的潰口形狀

表2 不同壩型的潰口參數(shù)和潰決歷時(shí)

表3 由土壩和圬工壩組成的某壅水建筑物可能的潰壩情景

三、出流過(guò)程線的確定

要確定出流過(guò)程線，首先必須確定所研究情況下可能的水庫(kù)初始水位，該水位對(duì)確定最大出流量具有決定性意義。在表3所列舉的示例中，在大多數(shù)情況下考慮為大壩全水頭。

根據(jù)已獲得的Ritter解可以確定砌筑壩突然潰壩時(shí)的最大出流量，Ritter解的推導(dǎo)以平底無(wú)阻無(wú)限長(zhǎng)矩形河道為基礎(chǔ)，該值已通過(guò)不同試驗(yàn)在很大程度上得到驗(yàn)證，因此可以將其作為最大可能出流量應(yīng)用于突然潰壩、近似矩形潰口的實(shí)際潰壩情景。

土石壩一般不會(huì)像砌筑壩那樣瞬時(shí)全潰，土石壩潰決可以理解為一個(gè)潰口隨出流量逐漸擴(kuò)大的過(guò)程。初始潰口形成之后開(kāi)始的水庫(kù)泄放過(guò)程導(dǎo)致土石壩產(chǎn)生溯源侵蝕，這與出流量和水流拖曳力有關(guān)，因此潰口形成過(guò)程取決于筑壩材料抗侵蝕穩(wěn)定性和水流特性。如果估算出最終潰口尺寸和潰口形成時(shí)間，也可以根據(jù)寬頂堰流計(jì)算出流過(guò)程線，堰寬就相當(dāng)于潰口底部寬度，另外還需要其他一些參數(shù)，如水流收縮系數(shù)、潰口發(fā)展規(guī)律等，可以簡(jiǎn)化假設(shè)潰口均勻地加深和拓寬。

圖1所示為針對(duì)示例壩計(jì)算的出流過(guò)程線，在圖中將過(guò)程線沿x軸推移，使流量峰值總是在t=0的位置。為便于洪水波計(jì)算，按照出現(xiàn)概率對(duì)過(guò)程線進(jìn)行總結(jié)和簡(jiǎn)化，用點(diǎn)線繪出簡(jiǎn)化過(guò)程線，并標(biāo)出每年達(dá)到或超過(guò)該最大洪水流量的概率。

四、潰壩洪水波傳播與危險(xiǎn)圖

與強(qiáng)降雨和融雪引起的洪水波不同，潰壩波傳播速度顯然更快，而且最大洪水高度更高，這兩個(gè)特點(diǎn)也使這些現(xiàn)象的數(shù)值模擬更為困難。從歷史潰壩事件來(lái)看，潰壩洪水波的傳播速度為 5～65 km/h。

用于潰壩波計(jì)算的一維或二維數(shù)值計(jì)算模型以圣維南方程組為基礎(chǔ)，推導(dǎo)時(shí)簡(jiǎn)化假設(shè)表面曲率可以忽略不計(jì)。尤其對(duì)波峰而言，這一假設(shè)似乎沒(méi)有反映實(shí)際情況，然而測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較表明，圣維南方程組雖然不能描繪波峰形狀，但卻可以正確地計(jì)算波峰傳播速度。

在歐盟CADAM項(xiàng)目框架中，對(duì)法國(guó)Malpasset拱壩潰壩洪水波的比較計(jì)算表明，在采用相同的斯特里克爾系數(shù)情況下，與二維程序相比，一維程序所計(jì)算的潰壩洪水波速度較快，其原因在于一維程序未考慮流經(jīng)彎曲河谷所造成的速度損失。對(duì)于彎曲河谷，選用一個(gè)較小的斯特里克爾系數(shù)更為合理，從而對(duì)河谷彎曲造成的洪水波減速沿傳播路徑平均予以考慮。

針對(duì)所研究的河谷選擇一個(gè)合適的斯特里克爾系數(shù)對(duì)于淹沒(méi)區(qū)范圍的計(jì)算結(jié)果具有決定性影響。采用較低的斯特里克爾系數(shù)時(shí)（谷底高糙率）洪水波明顯減速，較為平緩，因而洪峰流量顯著減??；同時(shí)在斯特里克爾系數(shù)較低時(shí)，相應(yīng)于特定流量的水位增大。應(yīng)當(dāng)根據(jù)糙率系數(shù)的敏感性分析確定上述兩種相反的作用對(duì)于所計(jì)算淹沒(méi)區(qū)的影響。

高糙率使洪水波減緩，流速降低，同時(shí)致使水位增高。而在城市復(fù)雜的道路系統(tǒng)中，公路和鐵路上的流速則較大，在建筑物密集處流速減小，因此洪水波抵達(dá)城市某些地點(diǎn)的時(shí)間早于計(jì)算值。只有通過(guò)深入的研究和成本較高的二維或三維計(jì)算才能提供詳盡的說(shuō)明。

有些國(guó)家通過(guò)法律對(duì)潰壩計(jì)算作出了相應(yīng)的規(guī)定，例如法國(guó)對(duì)洪水波傳播的計(jì)算值設(shè)定了安全系數(shù)。將最大洪水波高度提高15%，將抵達(dá)時(shí)間縮短15%，這是根據(jù)敏感性分析和從實(shí)際考慮所作的修正。

初步估算時(shí)，可以根據(jù)過(guò)水?dāng)嗝娴淖枞韧茖?dǎo)出過(guò)濾（排水）速度與平均空隙速度的比值，這與多孔介質(zhì)中的情形相似?？梢源致约僭O(shè)，在持久抵御洪水波的建筑物阻塞度為1%～50%的水流條件下，采用斯特里克爾糙率系數(shù)kst=15 m1/3/s的自由斷面所計(jì)算出的速度要增加1倍。

潰壩洪水波的計(jì)算結(jié)果可用于建立風(fēng)險(xiǎn)圖，為防災(zāi)部門(mén)制定應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。在危險(xiǎn)圖中可以標(biāo)出可能的淹沒(méi)區(qū)以及可達(dá)到的最大水深，還應(yīng)通過(guò)有關(guān)潰壩情景、潰壩洪水波抵達(dá)時(shí)間、出流過(guò)程線和水位等說(shuō)明對(duì)危險(xiǎn)圖進(jìn)行補(bǔ)充。如果采用二維程序進(jìn)行計(jì)算，也可用矢量圖表示流速。要確保危險(xiǎn)圖不僅可以通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)用 （GIS，利用口令從互聯(lián)網(wǎng)下載），而且還要提供傳統(tǒng)的紙質(zhì)危險(xiǎn)圖，以防止停電或網(wǎng)絡(luò)中斷。

圖1 特定潰壩情景（表3）的出流過(guò)程線與簡(jiǎn)化過(guò)程線

若要在特殊危險(xiǎn)圖中標(biāo)明強(qiáng)度，可將局部水深與流速的乘積作為動(dòng)荷載。若要建立風(fēng)險(xiǎn)圖，應(yīng)當(dāng)標(biāo)明潰壩出現(xiàn)的概率。頻發(fā)的高強(qiáng)度洪水危害較大，即風(fēng)險(xiǎn)較大；而潰壩雖然危害強(qiáng)度高，但因?yàn)槌霈F(xiàn)概率低，所以潰壩風(fēng)險(xiǎn)一般較小。

五、結(jié) 語(yǔ)

基于潰壩后果的嚴(yán)重性，有必要認(rèn)識(shí)潰壩可能造成的影響，以便采取相應(yīng)的預(yù)防措施，如建立預(yù)警系統(tǒng)或制定應(yīng)急預(yù)案。鑒于大壩殘余風(fēng)險(xiǎn)的研究一方面可通過(guò)對(duì)大壩潰口形成時(shí)間和與此相關(guān)的出流過(guò)程線進(jìn)行推算，另一方面可通過(guò)對(duì)下游洪水波傳播及其影響進(jìn)行描述，并利用計(jì)算結(jié)果建立危險(xiǎn)圖。由于在計(jì)算假定中包含許多模糊變量，因此一張危險(xiǎn)圖只能描述一種特定的潰壩情景。根據(jù)各種不同的邊界和初始條件可以建立各自相應(yīng)的危險(xiǎn)圖。今后洪水波研究的另一種途徑就是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法，并在事件圖中標(biāo)繪出特定水位的超越線。為最大程度地降低潰壩的殘余風(fēng)險(xiǎn)，有必要不斷引入新的大壩安全管理理念和科學(xué)技術(shù)方法，開(kāi)展深入細(xì)致的研究。

[1]Bettzieche V.Das Restrisiko eines Talsperrenbruchs aus Betreibersicht[J].Wasserwirtschaft,2009,99(6):10-14.

[2]Pohl R,Bornschein A.Risikoabschtzung für einen theoretischen Talsperrenbruch [R].Interpraevent 2008—Conference Proceedings,Vol.1.2008.187-197.

[3]Bornschein A.Die Ausbreitung von Schwallwellen auf trockener Sohle unter besonderer Beruecksichtigung der Wellenfront [J].Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen,2006,(33):1-255.

[4]郭軍.歐美國(guó)家近期潰壩研究及發(fā)展動(dòng)向[J].中國(guó)水利,2005(4).