三項(xiàng)土石壩安全管理新技術(shù)介紹與研究

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065； 2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002)

1 研究背景

目前，我國(guó)共有各種規(guī)模類型的水壩 9.8萬(wàn)余座，其中多數(shù)已運(yùn)行30～40 a，有的甚至長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)以上。由于持續(xù)承受巨大的水壓和滲壓荷載，水壩壩體難免出現(xiàn)一些安全問(wèn)題，因此需要通過(guò)分析評(píng)價(jià)，對(duì)存在的壩工病害進(jìn)行及時(shí)地診斷和治療。

通過(guò)分析全國(guó)潰壩累計(jì)曲線及其斜率(見(jiàn)圖1)可知，第一個(gè)潰壩累計(jì)高峰集中在1958年的大躍進(jìn)時(shí)代。第二個(gè)高峰則集中在文革后期。歷史的教訓(xùn)啟發(fā)我們，提升大壩安全狀態(tài)須在“內(nèi)在質(zhì)量”與“管理”兩方面雙管齊下、缺一不可。內(nèi)在質(zhì)量是基礎(chǔ)，但對(duì)于水壩這種特殊土木工程，加強(qiáng)管理更為重要。

圖1 我國(guó)潰壩累積曲線(截至1980年底)

自2000年以來(lái)，我國(guó)每年仍有一定數(shù)量的潰壩事件發(fā)生，尤其是土石壩首當(dāng)其沖[1]。鑒于此，就需要更多專業(yè)的技術(shù)工具為其服務(wù)。本文對(duì)土石壩現(xiàn)場(chǎng)安全管理圖譜、土石壩工程安全評(píng)價(jià)體系以及用于水工事故識(shí)別與決策輔助的水工事故辭典3項(xiàng)安全管理新技術(shù)作了研究和介紹。

2 土石壩現(xiàn)場(chǎng)安全管理圖譜

在對(duì)我國(guó)土石壩事故歷史資料統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析的理論和土石壩現(xiàn)場(chǎng)安全管理的特點(diǎn)，結(jié)合以往在大壩安全問(wèn)題、發(fā)展各階段所采取的措施以及安全狀況發(fā)展與所采取措施之間的相互作用與結(jié)果，利用事件樹方法，首先建立安全管理演進(jìn)樹(見(jiàn)圖 2)。在統(tǒng)計(jì)整理我國(guó)3 976例土石壩非潰壩性及潰壩事故案例后[2]，考慮土石壩現(xiàn)場(chǎng)安全管理的特點(diǎn)與過(guò)程，以安全管理中“非潰壩性事故”和“潰壩事故”兩個(gè)關(guān)鍵事件為頂事件逐一進(jìn)行分析，分別建立對(duì)應(yīng)的兩個(gè)故障樹，將其與安全管理演進(jìn)事件樹聯(lián)合形成“土石壩安全事故因果分析圖”。田川等[3]分析研究了土石壩潰壩原因，基于此，對(duì)歷史案例中的事故具體分類處理措施作了進(jìn)一步分

圖2 土石壩安全管理演進(jìn)事件樹

析，構(gòu)建出對(duì)應(yīng)事故的處置措施對(duì)策樹，最終將上述安全管理演進(jìn)樹、故障樹、處置措施對(duì)策樹進(jìn)行邏輯遞歸，有機(jī)組合建立“土石壩安全管理綜合圖譜”，如圖 3所示。

該圖譜涵蓋了土石壩現(xiàn)場(chǎng)安全管理的相關(guān)環(huán)節(jié)，綜合、清晰地表達(dá)了土石壩安全管理中典型“安全事件”的發(fā)展階段及不同安全決策導(dǎo)致的可能后果。透過(guò)該圖譜，土石壩安全狀況的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，引發(fā)關(guān)鍵事件的基本原因，所采取的各項(xiàng)決策、處置措施及相應(yīng)的各種可能結(jié)果一目了然。根據(jù)圖譜中左下角“非潰壩性事故”的現(xiàn)象分類，在右上角對(duì)應(yīng)的分類里選擇具體的處置方案和措施。在土石壩安全管理過(guò)程中，一旦出現(xiàn)事故苗頭或線索，該圖可為緊急決策提供具有可操作性的方向和思路，有利于提高壩工事故的處置決策質(zhì)量。

該圖譜可作為土石壩安全管理監(jiān)督檢查的參考之一，也可以作為土石壩工程安全管理實(shí)施中尋找風(fēng)險(xiǎn)源、防范于未然的主要指南之一。

3 土石壩狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)體系

通過(guò)對(duì)數(shù)千例土石壩歷史病害事故案例的統(tǒng)計(jì)特征分析，構(gòu)建了土石壩安全事故因果關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，從土石壩現(xiàn)場(chǎng)安全管理、監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)出發(fā)，綜合考慮歷史事故中底事件的分類特征，依“自上而下宏觀劃分、自下而上歸納事故底事件”相結(jié)合的原則，首先依據(jù)相關(guān)安全因素的歷史事故頻次及現(xiàn)場(chǎng)安全工作特點(diǎn)，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)體系的一級(jí)指標(biāo)；再以各故障樹中基本事件為最小致因因子，根據(jù)因果分析圖中各基本事件與頂事件的邏輯關(guān)系以及各基本事件統(tǒng)計(jì)頻數(shù)，以一級(jí)指標(biāo)為歸宿，組合建立二級(jí)指標(biāo)，最終構(gòu)建了普遍意義下的包含4個(gè)一級(jí)指標(biāo)、22個(gè)底層指標(biāo)、若干個(gè)中間過(guò)渡指標(biāo)的多項(xiàng)目、多層次的土石壩安全狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見(jiàn)圖 4)。該指標(biāo)體系以土石壩歷史安全事故因果分析為基礎(chǔ)，其本質(zhì)是基于歷史上大量專家經(jīng)驗(yàn)的集合來(lái)構(gòu)建，更符合客觀實(shí)際。

圖4 土石壩安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

作為綜合評(píng)價(jià)體系，需構(gòu)建配套的指標(biāo)權(quán)重?；仡櫼酝斯?gòu)權(quán)的特點(diǎn)與缺陷，提出了基于土石壩歷史事故統(tǒng)計(jì)規(guī)律的自然權(quán)重伴隨生成構(gòu)權(quán)方法。研究認(rèn)為，我國(guó)土石壩歷史事故案例中發(fā)生頻數(shù)較大的基本事件反映了該類建筑的某種特征，表明目前及今后一段時(shí)間內(nèi)需要得到重視或急需解決的問(wèn)題，因此可以認(rèn)為基本事件頻數(shù)的大小反映了該基本事件對(duì)土石壩安全風(fēng)險(xiǎn)的影響程度和重要性。再考慮到土石壩安全因果關(guān)系中各層事件之間的邏輯關(guān)系，便可以確定各類事件的信息貢獻(xiàn)度，經(jīng)過(guò)在各歸屬范圍內(nèi)的歸一化處理，即可確定各層指標(biāo)的相應(yīng)權(quán)重(見(jiàn)表1)。結(jié)合巨量案例所包含的眾多專家的判斷與經(jīng)驗(yàn)，該研究以統(tǒng)計(jì)歸納的方法間接吸收這些經(jīng)驗(yàn)，也深刻揭示了土石壩安全管理的一些規(guī)律，比如“滲流特征”的重要程度大大超出以往的認(rèn)識(shí)，對(duì)“人員與管理”因素的重要性也有不同認(rèn)識(shí)。

4 水工事故辭典[5-6]

土石壩工程安全管理水平亟待提升，且應(yīng)吸取歷史事故案例的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、總結(jié)規(guī)律[7]。就大壩安

表1 土石壩安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重分配

全監(jiān)管系統(tǒng)而言，實(shí)施水壩風(fēng)險(xiǎn)管理首先應(yīng)進(jìn)行水工建筑物的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)。對(duì)影響工程安全和人身健康或生命安全的主要危險(xiǎn)、有害因素的識(shí)別、分類和風(fēng)險(xiǎn)分析，是保證后續(xù)安全評(píng)價(jià)工作順利進(jìn)行的根本。因此，對(duì)水工建筑勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)的各類事故案例資料進(jìn)行收集、整理，建立事故案例資料的規(guī)范表達(dá)范式，構(gòu)建開放式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，開展有效的信息檢索、數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)于目前我國(guó)大壩的風(fēng)險(xiǎn)管理具有重要意義?！八そㄖ锸鹿首R(shí)別與決策輔助系統(tǒng)”的開發(fā)正是為解決這一問(wèn)題。

輔助系統(tǒng)的開發(fā)是結(jié)合災(zāi)害案例數(shù)據(jù)庫(kù)的要求及特點(diǎn)，將水工建筑物事故數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)成為結(jié)構(gòu)合理、邏輯清晰、穩(wěn)定可靠、性能高效的數(shù)據(jù)庫(kù),將大量病壩、險(xiǎn)壩的信息按照一定組織順序存儲(chǔ)、管理并加以分類歸納、分析、處理，成為系統(tǒng)中有價(jià)值的信息。

該數(shù)據(jù)庫(kù)可滿足用戶不同的需求，以“查詢部位”、“查詢病癥”等方式進(jìn)行分類查詢、篩選?；鶎影踩芾韱T通過(guò)輸入工程的具體安全線索，可快速檢索到同類經(jīng)驗(yàn)或教訓(xùn)，輔助進(jìn)行安全狀況識(shí)別和進(jìn)一步的決策，以提升安全管理的效率和質(zhì)量。研究人員可通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)快速檢索到分類數(shù)據(jù)和信息。人類健康領(lǐng)域“醫(yī)生”培養(yǎng)中的“案例教學(xué)法”就是一種重要的教學(xué)方式，該數(shù)據(jù)庫(kù)同樣可以為“大壩醫(yī)生”培養(yǎng)提供重要的案例庫(kù)。水工事故辭典使用示意見(jiàn)圖5。

圖5 水工事故辭典使用示意

作為開放式數(shù)據(jù)庫(kù)，使用者可將意見(jiàn)、建議以及新案例以例行范式上傳，添加數(shù)據(jù)記錄，逐步擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫(kù)，可為我國(guó)乃至世界壩工界提高大壩風(fēng)險(xiǎn)管理水平做出一定貢獻(xiàn)。

5 結(jié) 論

土石壩事故成因及對(duì)策是工程界長(zhǎng)期關(guān)注的熱點(diǎn)，由于其影響因素和機(jī)理的復(fù)雜性而難以獲得具有廣泛指導(dǎo)意義的技術(shù)或產(chǎn)品。本文基于對(duì)壩工歷史事故統(tǒng)計(jì)資料的歸納研究，研發(fā)了土石壩現(xiàn)場(chǎng)安全管理圖譜、土石壩現(xiàn)場(chǎng)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、水工事故辭典3項(xiàng)安全管理新技術(shù)：

(1)土石壩現(xiàn)場(chǎng)安全管理圖譜是基于我國(guó)3 976例土石壩歷史事故案例經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)總結(jié)的圖示表達(dá)。事故歷史數(shù)據(jù)反映出的統(tǒng)計(jì)規(guī)律可為土石壩安全管理提供指導(dǎo)。該圖譜可作為土石壩安全監(jiān)督檢查的參考之一，各管理單位還可結(jié)合具體土石壩特點(diǎn)，在該圖譜基礎(chǔ)上修訂構(gòu)建具體工程的安全管理基礎(chǔ)圖譜，提升現(xiàn)場(chǎng)安全管理的直觀性、效率和質(zhì)量。

(2)土石壩安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以土石壩歷史安全事故因果分析為基礎(chǔ)，是歷史上大量事故調(diào)查專家經(jīng)驗(yàn)的集合，具有廣泛意義上的安全評(píng)價(jià)代表性，具有工程實(shí)用價(jià)值。用于安全常規(guī)檢查和管理時(shí),可明確管理方向和重點(diǎn)，理性分配安全管理資源；用于安全綜合評(píng)價(jià)時(shí),有助于清晰掌握全局、快捷識(shí)別安全短板，落實(shí)管理責(zé)任。以歷史事故案例的統(tǒng)計(jì)特征構(gòu)建客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

(3)水工事故辭典是事故識(shí)別與決策之輔助工具，將事故案例中的風(fēng)險(xiǎn)因素、事故原因、決策措施及效果等資料模塊化、規(guī)范化地存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)對(duì)各類型水工建筑物事故案例的分類歸納、總結(jié)分析，以及事故調(diào)查報(bào)告的整理，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，指導(dǎo)水壩管理人員采取針對(duì)措施來(lái)降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，可減少事故造成的損失，是提高水壩安全管理水平的技術(shù)工具。