阮建清，劉忠恒，嚴祖文

（1.云南省水利水電建設管理與質(zhì)量安全中心，云南昆明650024；2.水利部，北京100053；3.中國水利水電科學研究院巖土工程研究所，北京100048）

基于風險的病險水庫除險加固方案優(yōu)化技術

阮建清1，劉忠恒2，嚴祖文3

（1.云南省水利水電建設管理與質(zhì)量安全中心，云南昆明650024；2.水利部，北京100053；3.中國水利水電科學研究院巖土工程研究所，北京100048）

目前病險水庫的除險加固設計只偏重于工程治理措施，傾向于水庫大壩工程的安全，未考慮除險加固設計方案對下游居民安全、社會經(jīng)濟、城鎮(zhèn)交通等的風險以及對自然環(huán)境的影響。因此，基于風險分析的除險加固優(yōu)化技術對于今后病險水庫除險加固方案是有效和必要的。本文參考國外病險水庫大壩安全和除險加固風險分析理論的最新進展，結(jié)合我國病險水庫大壩和除險加固技術的特點，進行了除險加固方案與大壩風險關聯(lián)分析與決策、除險加固方案評價指標分析和基于風險分析的除險加固方案優(yōu)化技術的研究，提出了基于風險的病險水庫除險加固方案的評價、分析和優(yōu)化方法，為今后病險水庫除險加固工作提供技術支撐。

病險水庫；除險加固；風險分析；方案優(yōu)化

1 研究背景

病險水庫除險加固方案的優(yōu)選，不僅涉及到水文水資源、地質(zhì)地貌、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟與社會諸多因素，而且涉及到現(xiàn)有工程利用，庫區(qū)淹沒等多種因素。在這諸多因素中有些可以定量，而有些只能定性分析，如果采用傳統(tǒng)方法，只對方案優(yōu)缺點進行籠統(tǒng)的定性分析，人為因素較大，顯然不符合社會發(fā)展要求。因此，為了能客觀定量地優(yōu)選方案，就需要有一種方法，它既能集結(jié)所有決策者的意見，又能進行多目標的綜合評判，同時將定量和定性問題有效地結(jié)合起來，定量做出備選的優(yōu)劣次序。

基于風險的除險加固優(yōu)化技術是以最大程度降低大壩風險為目標，既考慮有針對性的工程加固措施，也考慮下游實際情況以減少潰壩后可能造成的嚴重后果的工程治理措施［1］。本文參考國外病險水庫大壩安全和除險加固風險分析理論的最新進展，結(jié)合我國病險水庫大壩和除險加固技術的特點，進行了除險加固方案與大壩風險關聯(lián)分析、除險加固方案評價指標分析和基于風險分析的除險加固方案優(yōu)化技術的研究，提出了基于風險的病險水庫除險加固方案的評價、分析和優(yōu)化方法，為我國今后病險水庫除險加固設計方案優(yōu)化決策開拓一條新思路。

2 除險加固方案與大壩風險的關聯(lián)分析與決策

2.1 決策因素集加固方案決策的影響因素可用集合C表示：

式中：j為影響因素的個數(shù)。其中，第一個影響因素c1為病險水庫的大壩風險，是必須考慮的；c2-cm為其它影響因素，除加固規(guī)模、加固效果和大壩安全程度外，決策者還可以依據(jù)實際情況確定［2-3］。

2.2 加固方案集加固方案集是將病險水庫的加固方案集合在一起，用集合B表示：

式中：bi表示第i種加固方案。

2.3 關聯(lián)矩陣由決策因素集C和加固方案集B的關系可以得到兩因素集的關聯(lián)矩陣X，即關聯(lián)集Xi=BTC。

2.4 關聯(lián)分析與決策加固方案與大壩風險的關聯(lián)決策過程具體如下［3-4］：

（1）關聯(lián)系數(shù)集E為比較序列Xi（i＝1，2，…，n）中各序列與參考序列X0關聯(lián)系數(shù)集合：

式中：ξnm為第n項加固技術方案第m項決策因素的關聯(lián)程度。

（2）決策權重一般用權重數(shù)據(jù)集W表示：

在加固技術方案的確定中，大壩風險是最重要的，故決策權重據(jù)集W中數(shù)據(jù)最大的應當是w1。

（3）在綜合考慮加固方案與決策影響因素的關聯(lián)程度及其權重后，選取最佳加固方案關聯(lián)度集為：

（4）通過關聯(lián)分析選取r值最大的為最佳加固技術方案。

3 基于事件樹法的除險加固方案優(yōu)化

從風險估計的定義來看，其包括2部分內(nèi)容：風險估算和損失分析。但是，由于進行損失分析時，收集全部所需資料要花費大量的時間以及人力和物力，使得這種意義上的風險分析在短期內(nèi)無法實現(xiàn)。本文對水庫大壩加固方案篩選進行風險分析，旨在明確其加固前后的風險程度，分析比較加固前后的風險大小，以找出加固工作的薄弱環(huán)節(jié)，為進一步加固工作提供依據(jù)。因此，基于事件樹分析的風險估計方法初步遴選出加固方案主要是針對大壩在加固前后的潰壩概率進行估算，基本思路如下：（1）針對除險加固設計方案，進行水庫大壩加固前和加固后的潰壩模式分析，篩選出加固前后大壩的主要潰壩模式和可能潰壩路徑。（2）估算水庫大壩的潰壩風險率。依據(jù)之前識別出的潰壩路徑，構(gòu)建潰壩事件樹，運用基于事件樹法的風險估算方法對水庫加固前后的潰壩風險進行估算。（3）通過對加固前后潰壩風險率進行比較，分析除險加固設計方案的薄弱環(huán)節(jié)，指出加固后水庫大壩的主要風險所在區(qū)域，優(yōu)先考慮加固后風險明顯降低的方案，而加固后風險仍比較大的加固方案應調(diào)整優(yōu)化，篩選出在可接受風險允許內(nèi)的加固方案，可將有限的時間、資金投入到對主要風險事件的處理上，以求得最好的資金效益。

4 基于層次分析法的除險加固方案優(yōu)選

基于風險的病險水庫除險加固方案設計，核心思想是建立除險加固方案優(yōu)選評價指標體系（圖1），通過不同除險加固方案的風險分析，綜合考慮安全、經(jīng)濟、技術、工期、施工便利等因素，得到最優(yōu)的除險加固方案，其一般流程如圖2所示，基本步驟如下。

（1）方案的概念設計。根據(jù)場地的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)報告以及相關的安全鑒定調(diào)查資料，明確除險加固工程目的，初步選出幾種可供考慮的除險加固方案。

（2）大壩風險因素識別。通過分析、歸納和整理各種統(tǒng)計資料，對病險水庫除險加固工程施工過程中的風險類型及其生成原因、可能影響后果做定性估計、感性認識和經(jīng)驗判斷。

（3）風險估計。在識別病險水庫除險加固工程施工過程中可能出現(xiàn)的風險基礎上，利用概率統(tǒng)計理論、專家調(diào)查等方法，估計和預測風險發(fā)生的可能性和相應損失大小。

（4）除險加固方案風險評價。根據(jù)風險接受準則，從效果（安全）可靠性、經(jīng)濟合理性、技術可行性、施工便利性等方面對初選的病險水庫除險加固方案進行風險評價。采用層次分析法（AHP）［5］，根據(jù)不同大壩類型、不同的加固技術、險情類型和加固效果，對上述建立的4項評價指標進行綜合分析，從而選出最優(yōu)除險加固方案。

（5）評估選取的最優(yōu)除險加固方案是否滿足實際工程需要。如果滿足，則除險加固方案確定；如果不滿足，修改完善除險加固方案，重新進行選擇，直至確定除險加固方案。

除險加固方案確定后，施工過程中應嚴格按照進行風險分析的施工工藝和施工參數(shù)來進行風險管理，把風險降低到最小或者控制在目標風險以內(nèi)。

5 工程實例分析

某大型水庫工程實際防洪能力低于100年一遇設計洪水標準，除險加固設計在確定工程洪水標準時進行了大量比較工作，重點研究了以下4種方案：

方案1：維持現(xiàn)有泄洪能力不變情況下，混凝土壩按2000年一遇洪水加高，土壩按5000年一遇洪水加高（加高方案）。

方案2：混凝土壩按2000年一遇洪水校核，土壩按5000年一遇洪水校核，增加一座泄洪閘（增加泄洪閘方案）。

方案3：維持現(xiàn)有泄洪能力不變情況下，各擋水建筑物均按2000年一遇洪水加固處理（2000年一遇校核方案）。

方案4：采用爆潰方式形成爆潰溢洪道（爆潰式非常溢洪道方案），設計防洪標準同方案1、2。

各加固技術方案工程直接投資比較見表1，綜合評價見表2，其中大壩風險與加固規(guī)模屬于成本型指標，加固效果和安全程度屬于效益性指標。

根據(jù)效益性指標值越大越好，成本型指標值越小越好的原則，可以得出各個指標的理想值，并構(gòu)成參考系列：X0={0.10，11155，1.00，0.90}。

比較序列為由綜合評價表得出的各方案的評價數(shù)據(jù)集：

由參考序列和比較序列構(gòu)成的矩陣為：

對矩陣Ti進行規(guī)范化處理，得出規(guī)范矩陣：

規(guī)范矩陣中比較序列Yi（i＝1，2，3，4）與參考序列X0中各點的關聯(lián)系數(shù)矩陣如下：

大壩風險、加固規(guī)模、加固效果、安全程度四個指標的權重矩陣如下：W={0.35，0.15，0.20，0.30}。各加固技術方案與參考指標序列的關聯(lián)度矩陣如下：R=WET{0.845，0.567，0.850，0.627}。

可見方案3的關聯(lián)度最高，故選取方案3為水庫的最終加固方案。

6 結(jié)論

（1）基于灰色關聯(lián)分析決策模型，構(gòu)建了囊括大壩風險的決策因素集及病險水庫加固方案集，初步探討了除險加固方案與大壩風險的關聯(lián)分析與決策，其影響因素指標可待進一步完善。（2）基于事件樹法的風險估計方法對水庫加固前后的潰壩風險進行了估算，分析出加固工作的薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)先考慮加固后風險明顯降低的方案，初步篩選出了在可接受風險允許內(nèi)的加固方案，為進一步加固方案優(yōu)化工作提供依據(jù)。（3）提出了一種新的病險水庫除險加固設計理念，即基于風險的病險水庫除險加固方案設計，通過不同除險加固方案的風險分析，綜合考慮安全、經(jīng)濟、技術、工期、施工便利等因素，采用層次分析法選出最優(yōu)除險加固方案，并給出了設計流程圖。

［1］李雷，王仁鐘，盛金保，等.大壩風險評價與風險管理［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［2］馬福恒，劉成棟，向衍.水庫大壩風險綜合評價標準及其適用性［J］.河海大學學報（自然科學版），2008，36（5）：610-614.

［3］嚴祖文，魏迎奇，李維朝.水庫除險加固技術方案關聯(lián)分析與決策［J］.中國水利水電科學研究學院學報，2012，10（2）：153-159.

［4］李榕.基于灰色關聯(lián)分析的煤礦工傷風險綜合評價［J］.中國煤炭，2009，35（2）：80-86.

［5］馬國梁，夏祥哲，王廣月.基于層次分析法的堤防工程設計方案優(yōu)選［J］.實驗技術與管理，2006，23（9）：26-28.

Op tim ization techniques of rein forcem en t alternatives for hazardous reservoir based on risk analysis

RUAN Jian-qing1，LIU Zhong-heng2，YAN Zu-wen3
（1.Center of Construction Management and Quality Security of Hydropower Projects in Yunnan Province，Kunm ing 650024，China；2.TheM inistry ofWater Resource，Beijing 100053，China；3.China Institure ofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100048，China）

At present，most engineering measures for dam reinforcement focus on dam safety without consid?ering the risk presented to the downstream inhabitant safety，the national economy，the transportation net?work and the ecological environment.Therefore，it is effective and essential to analyze dam reinforcement optim ization techniques based on risk analysis.Referring to the newest progress in risk analysis theory and relating hazardous dams in China and the technological characteristics of dam reinforcement，this paper has studied the relationship between the dam reinforcement alternatives and the dam risk，the guideline on rein?forcement alternatives evaluation，and the technology of dam reinforcement alternatives optimization based on risk analysis.At the same time，a method to evaluate，analyze and optimize the measures for dam rein?forcement was proposed based on risk analysis and the Chinese national conditions.This study will provide the technical support for dam reinforcement.

dangerous reservoir；dam reinforcement；risk analysis；alternatives optim ization

TV697.3

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.006

1672-3031（2014）01-0036-06

（責任編輯：李琳）

2013-04-12

國家自然科學基金青年科學基金項目（51309260）；國家科技支撐計劃項目（2006BAC14B04，2012BAH 10B01）；中國水利水電科學研究院科研專項（巖集1364）

阮建清（1963-），女，云南建水人，高級工程師，主要從事水利工程建設管理研究。E-mail：slrjq@126.com