漫壩風(fēng)險分析在水庫防洪中的應(yīng)用

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一、引言

　　隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人口的增長，我國某些地區(qū)，特別是華北地區(qū)，日益感到水資源的不足，對非病險水庫，在汛期把洪水作為寶貴的水資源盡可能多地加以存蓄，則可解決旱的問題。但是，水庫盡量多蓄水，就有人擔(dān)心會不會發(fā)生土石壩漫頂溢流的情況。的確，這種擔(dān)心是可以理解的。不過，我們可以通過一種科學(xué)計算，即漫壩風(fēng)險分析計算，取得土石壩對抗洪水與風(fēng)浪聯(lián)合作用下的漫壩風(fēng)險的定量數(shù)據(jù)來消除這個擔(dān)心，并且給水庫科學(xué)合理的蓄水提供99.999%以上的漫壩安全可靠度。如此，我們想任何一級決策部門都會比較放心的。

　　二、漫壩風(fēng)險分析理論簡介

　　漫壩是指壩前水位超過壩頂、水流漫過壩頂溢流而下。風(fēng)險是指水庫發(fā)生漫壩的概率。漫壩風(fēng)險就是指在分析期內(nèi)，壩前水位超過壩頂?shù)母怕?。引起漫壩的主要風(fēng)險因素來自入庫洪水、風(fēng)浪、庫容和泄水能力四個方面的不確定性。對于入庫洪水，大家都承認(rèn)它有隨機性，不再贅述。對于泄水能力，盡管在傳統(tǒng)的水庫設(shè)計中，把泄水建筑物，包括溢洪道和泄水孔，的泄水能力，當(dāng)作確定量來處理，但嚴(yán)格地講，泄水能力是具有不確定性的。其不確定性源于對真實的三維水流簡化為一維水流模型而致的不確定性、糙率取值的不確定性、模型試驗的縮尺效應(yīng)以及各種幾何尺寸在施工方面的容許誤差，等等。作者認(rèn)為，所有這些影響泄流能力的隨機因素，可以通過把泄水建筑物的流量系數(shù)視為一定范圍內(nèi)的隨機變量加以處理。在傳統(tǒng)的水庫計算中，是把庫容或庫面積視為確定性的。但事實上，它們是有不確定性的。人們測出的庫區(qū)等高線圖，存在著測量的隨機誤差；利用等高線圖計算庫容，按梯形法或辛普森法時，存在著計算簡化誤差；庫區(qū)每年要經(jīng)受洪水，不可避免地產(chǎn)生沖淤，而限于人力、物力條件不能每年都對庫區(qū)進行水下地形的精確測量，因此沖淤也會引起庫容的不確定性。風(fēng)，在什么時間刮，從什么方向刮，風(fēng)速多大，風(fēng)力多少級，仍是隨機的。對于土壩來說，因風(fēng)引起的水面壅高e和風(fēng)浪沿斜坡壩面的爬高Rp，自然也是隨機的。應(yīng)予指出，在一般庫水位情況下，一般的風(fēng)所引起的水面壅高和風(fēng)浪爬高是不會引起漫壩的。只有當(dāng)洪水來臨，使庫水位升到一定值時，風(fēng)浪的作用才有可能配合洪水推波助瀾而導(dǎo)致漫壩風(fēng)險。因此，統(tǒng)計風(fēng)系列的前提，本應(yīng)是統(tǒng)計各場洪水發(fā)生時的風(fēng)，但因當(dāng)前往往缺乏這方面的資料，為安全起見，一般采用汛期最大風(fēng)系列。對漫壩風(fēng)險而言，只有吹向壩體的風(fēng)才對漫壩失事起作用，故而對漫壩風(fēng)險而言，其有效風(fēng)應(yīng)為汛期吹向壩體的最大風(fēng)系列。

　　嚴(yán)格地講，壩頂高程也存在不確定性。它來源于測量誤差和壩頂?shù)某两?，但對于已建成的工程，其離散性微乎其微，可以把它視為常數(shù)，這并不影響計算精度。

　　這樣一來，水庫調(diào)洪過程是一隨機過程，其調(diào)洪演算方程，是隨機微分方程，我們不僅須求其各隨機變量的均值，而且還須求其方差的值。在以校核或設(shè)計）洪水為其上限的洪水系列與汛期吹向壩體的有效風(fēng)系列聯(lián)合作用下，土石壩漫壩風(fēng)險須逐時段進行數(shù)值積分來求得。計算時，控制高程取在壩頂Zc1和防浪墻頂高程Zc2時，針對相應(yīng)的迎汛水位，將分別得出相應(yīng)的漫壩風(fēng)險值。用1減去算得的漫壩風(fēng)險值，就得出該壩在給定的迎汛水位條件下，對校核或設(shè)計洪水系列與汛期有效風(fēng)系列聯(lián)合作用下的漫壩安全可靠度。具體的漫壩風(fēng)險模型及其解算方法，限于篇幅，不再詳述，可參見有關(guān)文獻。目前，尚缺乏漫壩安全可靠度方面的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過分析國內(nèi)外漫壩、垮壩統(tǒng)計資料，我們提出可接受的漫壩風(fēng)險為10-6數(shù)量級。這相當(dāng)于人力無法抗拒的地震風(fēng)險數(shù)量級，或即可接受漫壩安全可靠度達99.999%以上。進行漫壩風(fēng)險的研究與實踐，也為今后制訂漫壩安全可靠度規(guī)范，奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。針對設(shè)計規(guī)定的水庫汛限水位，采用上述風(fēng)險分析方法和取值標(biāo)準(zhǔn)，便可對土壩進行漫壩安全評價。若其安全可靠度達不到99.999%，則須及早采取措施確保安全；若可靠度遠大于99.999%，則表明仍有蓄水能力，對于壩體堅固、管理人員素質(zhì)良好，且最好還有洪水預(yù)報系統(tǒng)的大型水庫，以及中型偏上的水庫，則可考慮抬高其汛限水位，在確保漫壩安全可靠度高達99.999%的前提下盡可能多地攔蓄洪水，以便減輕下游的防洪壓力，又可存留寶貴的水資源，做到興利與除害并舉。

　　三、工程實例

　　下表列舉上述方法在陡河、清河等水庫的成功應(yīng)用。對各水庫進行漫壩風(fēng)險分析時，安全控制用的臨界高程Zc有兩種：第一種是取土壩壩頂高程Zc1，只對抗洪水和風(fēng)浪壅水高度；第二種是取防浪墻頂高程Zc2，對抗洪水、風(fēng)壅高度和風(fēng)浪爬高。當(dāng)然，采用不同的臨界高程，其計算所得的漫壩風(fēng)險是不同的。

　　四、釋疑

　　也許有人要問：這樣一來，安全超高不是沒有了嗎？就此問題，我們作以下兩點說明：第一，在傳統(tǒng)水庫調(diào)度計算中，除了洪水是具有某種頻率性質(zhì)的隨機事件外，把水庫庫容、庫面積、汛期的風(fēng)情和泄水建筑物的泄流能力等都當(dāng)作確定量處理，且洪水頻率一經(jīng)給定，洪水過程線也成為確定量。在此條件下，人們采用安全超高，即在水庫演算中最高水位上再加一高度作為安全超高以策安全，實質(zhì)上是把確定量所未考慮的那些不確定性都囊括在內(nèi)。反過來，當(dāng)我們把洪水、風(fēng)壅高度和爬高、庫容和庫面積、泄水能力都看成是隨機量并將洪水調(diào)度過程看成是隨機過程時，已把這些不確定性考慮進去了，因而無需再采用安全超高。

　　第二，退一步說，即使是按國外習(xí)用的潛在公害分級法可視為高公害的大壩，上述分析方法也是適用的，只是此時臨界高程Zc可選在壩頂或防浪墻頂部以下某一位置，則此高程距壩頂或防浪墻頂之高差，就相當(dāng)于贅余安全超高。不過，此時漫壩風(fēng)險是否還要維持在10-6量級上，還有待于進一步研究。筆者看來，似乎沒有必要一定維持如此高的標(biāo)準(zhǔn)。