我国水库大坝风险分析研究综述

包一

中国水利水电第三工程局有限公司 陕西西安 710024

摘要：简述我国水库大坝风险分析研究背景、目的与意义，回顾和评价国内外水库大坝风险分析研究的发展动态，总结了当前水库大坝风险分析的研究方法。结合当前水库大坝风险分析研究现状，指出水库大坝风险分析研究所取的的成果与存在的不足，对今后水库大坝风险分析研究的发展方向提出了自己的看法。

关键词：水库大坝；风险分析；方法研究；综述

0 引言

我国现有3.7万座水库存在不同程度的病险，约占我国水库总数的40%，本文从大坝风险分析的内容、程序以及估计方法出发，综述了国内当前开展水库大坝风险研究进展状况，并对今后的研究方向进行探讨。

1 水库大坝风险分析的研究内容

水库大坝风险以水库大坝存在的安全隐患可能对下游经济发展、人民生命财产造成的损失来衡量, 是大坝事故及溃坝可能性及产生后果的乘积。风险分析包括风险识别、风险估计、风险评价、风险转移和风险决策5个方面^[3]。

2国内大坝风险研究进展

我国开展这方面的研究较晚, 始于上世纪 80 年代末。十几年来, 我国学者一方面吸收和借鉴国外先进的大坝风险理论与方法, 同时研究和探索适合我国国情的大坝风险分析新理论、新技术, 并取得了不少成绩。1988年，郭子中等分析了开敞式溢洪道水力设计中的各种不确定性，提出了开敞式溢洪道泄洪风险的计算模型，首次将结构可靠度计算中广泛采用的JC法用于泄洪风险的计算。1990年朱元甡分析了长江南京段设计洪水位的变化情况，最后用风险分析方法合理的确定了设计水位。1991年3月，陈肇和等研究了针对水文系列的土石坝漫坝风险。1991年12月，吴世伟在讨论风险、风险损失和风险标准等概念的基础上，研究了水工结构风险分析的概率计算方法和风险损失的估算方法，较为详细的给出了国际大坝安全委员会对已建坝失事概率的统计成果。1994年，姜树海将随机微分方程运用于水库调洪演算，该方程能正确的反映各种不确定性因素对库水位过程的影响，使防洪风险分析建立在科学的基础上。1995年冯平等探讨了水库下游保护区内洪水淹没损失的计算方法。1996年杨百银等进行了水库泄洪布置方案的风险分析，对泄洪风险计算中的JC法和MC法进行了分析比较。1998年，赵勇君等把水温风险和水流风险分开，根据风险理论给出一种考虑水流风险因子的风险分析方法，探讨了河道防洪堤坝仅因水流参数出现偏差而失事的概率。1999年，姜树海等分析了防洪设计标准的内涵及其对大坝防洪安全的影响，采用事故树分析方法讨论了漫坝失事的形成，最后给出相应的防洪风险率。 2008年，莫崇勋等^[4]在综合考虑洪水、风浪、库容、泄水能力等不确定性的基础上，建立了土石坝对抗洪水与风浪共同作用的漫坝风险模型，并且将“积分一次二阶矩法”应用到漫坝风险的计算中。

3大坝风险估计的方法及其应用

大坝风险估计的研究方法众多，目前,各国用以评价大坝失事概率的方法主要有以下几种：

1、 历史性态法（也称重现期法、经验法）

即采用与其情况相类似的历史运行特性资料对大坝的历史事故频率进行评估，但其前提是假设未来的运行性态也一致。由于此方法不考虑大坝现行的运行实况，因此不能单独用于大坝的详细评价，一般只用于初步风险评价或作为投资取向的依据之一。

2、专家经验法：所谓专家经验法就是指借助专家的意见和经验直接给出大坝风险分析中环节事件的发生概率就我国而言,专家经验法的概率估值表格还不多见就目前而言,我国国内学者李雷^[1]等在参考相关国外经验并结合我国大坝风险现状的基础上提出了相应的风险事件定性描述与概率估值表。

3、直接积分法

直接积分法是通过对荷载和抗力的概率密度函数进行解析和数值积分得到。而在工程实际中，由于系统的复杂性以及受资料的限制，很难用解析方法推导出荷载和抗力的适当概率密度函数，即使有了解析式，求解积分也是相当困难的，特别是对于非线性的变量不同分布的复杂系统，直接积分法尤其显得无能为力。但直接积分法用于处理线性的、变量为同分布且相互独立的简单系统是比较有效的。

4、贝叶斯估计法

贝叶斯估计法是以历史性态法的概率估计作为初步估计，然后根据附加信息加以调整的方法。附加信息指的是实验研究、工况分析以及各种判断、计算所获得的有利于概率估计的信息。计算方便快捷。

5、可靠度法

就目前而言，我国许多学者对可靠度理论在土石坝工程中的应用进行了深入的研究,取得了可喜的进展。主要的可靠度法有一下几种：蒙特—卡罗法、一次二阶矩法、均值一次二阶矩方法（MFOSM）、改进的一次二阶矩方法（AFOSM）、JC法。

6.实用分析法：该方法由我国学者赵国潘教授依据帕洛黑姆和汉纳斯的/加权分位值的概念而提出的。此方法可以在变量为非正态变量下转换为正态变量的条件下，用来求解可靠指标

B该方法计算精度较高，但对于多变量的复杂系统，其计算较为复杂。

7.优化法:其中中心点法计算简便，但由于本身的缺陷一般只适用于可靠度要求不高的情况(可靠指标B)；JC法克服了中心点法的不足，计算量适中且计算结果精度高；映射变换法与JC法的计算量相当且结果基本一致；对于工程设计或规范编制常用的线性极限状态方程和常用的可靠指标B值(B<4.0)，实用分析法比JC法计算较为简单，而精度也相差不多。根据计算的可靠度指标值，就可以推求失效概率。计算精度高，但是常常需要求解超高次超越方程组，计算困难大，因此工程实际中应用较少。

4 大坝风险研究存在的问题

1、国内外现有的大坝风险分析方法大都是基于概率论或模糊逻辑的，应用时需要有大量详细的历史统计资料和通晓此类方法的专家。而我国恰恰缺少相关方面的统计资料,这些资料的收集往往需要花费相当大的精力,有时甚至无法获得。所以,迫切需要大坝工作者根据国内现有的条件,研究出一套合理且实用的风险分析新方法。

2、但目前在我国还没有引进风险和风险评价的概念,更不用说群坝风险分析了。虽然我国己在这方面做了不少工作,但完整的概念、方法、体系的建立及实际应用尚未形成。

5 大坝风险研究展望

虽然我国对于水库大坝风险分析研究已经取得了不少成果,但由于我国针对大坝风险的研究起步相对较晚，还有许多问题值得进一步研究，本文认为, 当前我国水库大坝风险研究主要需在以下几个方面做进一步发展：1、进一步开展溃坝模式与溃坝概率研究；2、开展溃坝后果评估方法研究；3、研究预报调度对大坝风险的影响；4、研究时变效应对大坝风险的影响；5、开展大坝风险标准研究；6、开展基于风险的大坝安全评价体系研究；7；开展我国大坝风险管理系统研究；8、开展水库大坝退役风险分析；9、开展群坝溃坝风险分析研究

本文所涉及的理论方法仅仅围绕单座水库进行了初步的溃坝风险分析。事实上,也可推广应用到群坝的风险排序中,但仍需要进一步探讨和完善。

参考文献

[1] 中华人民共和国水利部. 2012年全国水利发展统计公报[M]. 中国水利水电出版社, 2012: 5-11.

[2] 何晓燕，王兆印，黄金池，等. 中国水库大坝失事统计与初步分析[C]. 中国山东青岛: 2005.

[3] 麻荣永. 土石坝风险分析方法及应用[M]. 北京: 科学出版社, 2004: 27-33.

[4] 莫崇勋，董增川，麻荣永，等. “积分-一次二阶矩法”在广西澄碧河水库漫坝风险分析中的应用研究[J]. 水力发电学报. 2008(02): 44-49.