世界先进国家大坝安全管理的风险评价模式

风险分析技术的发展,最早起源于美国,使用在军事工业方面。1974年,美国原子能委员会发表了商用核电站风险评价报告[3],引起了世界各国的普遍重视,推动了风险分析技术在各个领域的研究与应用。自从20世纪80年代初美国发表了不少关于水库大坝风险分析的原理、方法和实例的文章以来,大坝风险分析技术发展很快,特别是在美国、加拿大、澳大利亚和西欧发展迅速。下面主要介绍这些国家大坝风险分析的发展现状。

1.2.1 美国陆军工程师团(USACE)

美国各部门用于水库大坝风险评判的标准各异,风险分析方法也各异。美国陆军工程师团(USACE)的Hagen(1982)最早提出了风险的概念[4,5],用相对风险指数来判别大坝风险。相对风险指数用下式计算:

式中:Oi为洪水漫顶的第i项风险因素值;O 1为溃坝危及的家庭数;O 2为按现行洪水设计标准达到的防洪库容;O 3为大坝抗御漫顶破坏的能力;Sj为建筑结构的第j项险情值(含地震及洪水);S 1为溃坝危害的家庭数;S 2为建筑物明显的损坏数;S 3为潜在的地震活动性。

式(1.1)中有两大类风险因素,按项分别打分,共250分。即漫顶因素(占125分)和结构险情因素(占125分)。Oi、Sj值随风险的高低而相应增减。这种方法中的各类风险值靠专家判断,若Rr值高,则表明该工程危险。

2005年4月,USACE的大坝安全特别顾问刘桢业先生在南京讲学时,介绍了他们近年来在风险评价方面所做的工作。陆军工程师团将风险评价的方法作为大坝安全评价的一种工具,对所属的609座大坝进行了群坝风险分析,用于指导降低大坝风险的决策过程。特别是在风险排序方面进行了深入的研究。

1.2.2 美国垦务局(USBR)

美国垦务局(USBR)是美国大坝管理机构之一,负责管理350多座大坝。USBR推荐使用现场评分(site rating)法来衡量水库大坝的风险[4,5]。现场评分法是在美陆军工程师团Hagen(1982)的启发下形成的,按下式计算:

式中:(SR)i为第i因素的评分值,所考虑的各风险因素如表1.1所示。将各因素构成的险情分成低、中、高、极高4级,各级从低至高相应赋予风险值。若某工程的SR值高,则表明该工程危险。

表1.1　现场检查时考虑的风险因素

USBR把风险分析和评价视为改进安全管理的一种手段,是大坝管理的一部分。他们把大坝风险评价作为一种决策工具,指导往风险最大的工程上投入。为了保证大坝不出现威胁公共安全、财产和社会安全的不可接受的风险,USBR建立了大坝安全管理程序,通过比较不同荷载作用所导致的风险和不同大坝间的风险,对产生不可接受风险的大坝进行确认,并采取有效的、费用合理的适当措施降低或消除这些风险。USBR认为,安全的大坝首先是它的风险可以被公众接受,其次才是完成预定的功能。

1.2.3 美国国家气象局(NWS)

由于大坝风险分析的一个重要组成部分是大坝溃决的下游影响分析,因此必须研究溃坝洪水及其演进,为此美国国家气象局(NWS)开发了一系列溃坝模型,从DAMBRK模型到BREACH模型[6],再到FLDWAV模型[7],为溃坝洪水计算提供了强大的软件支持,大坝风险分析可以直接应用这些计算成果进行溃坝后果评价。

DAMBRK模型是Fread(1984)研究开发的溃坝洪水预报模型。模型由3个主要部分组成:①描述溃口随时间和空间变化的破坏模型;②溃口泄量;③下游河谷的洪水演进。

BREACH模型是基于Fread(1984)预报土坝溃坝洪水过程线而开发的一个数学模型。模型建立在水力学、泥沙输移、土力学、大坝几何尺寸与数学特征、水库库容特性、溢洪道特性以及入库流量随时间变化的基础上。模型包括7个主要部分:①溃口形成;②溃口宽度;③库水位;④溃口泄槽水力学;⑤泥沙输移;⑥突然坍塌引起溃口的扩大;⑦计算方法。模型可以模拟因漫顶或管涌引起的溃坝。大坝可以是均质的,也可以是由两种不同特性的材料组成的坝壳和心墙。

FLDWAV模型是Fread(1998)在DAMBRK模型和BREACH模型基础上开发出来的功能更强大的模型,本文溃坝后果分析用的就是FLDWAV模型。

1.2.4 加拿大BC Hydro[8]

加拿大BC Hydro(不列颠哥伦比亚省水电公司)是加拿大BC省的水电公司,负责管理BC省内43座水库大坝的安全。BC Hydro于1991年把风险分析方法引入大坝安全评估中。BC Hydro风险分析有3个主要目标:①确定水库大坝的安全程度;②确定水库大坝是否安全的判别标准;③用最经济的方法加固不安全大坝达到安全的标准。因为传统的工程分析难以实现这些目标,所以BC Hydro引入了风险分析和管理技术,其风险管理框图如图1.1所示。由图可见,大坝风险分析从大坝安全审查工作开始,包括设计计算、设计标准、施工记录、大坝工况及大坝运行和维护方式。如果每个方面都令人满意,则可认为大坝是“安全”的,没必要进行风险评价。反之,如果不满足标准的要求,或者标准已更新,且查明大坝存在潜在的隐患,则应进行风险评价。由参加大坝安全审查和现场检查的工程师组成专家组,负责判断失事模式和事故,画出初步事件树,并估算失事的概率和后果。初步风险评价之后,专家组可以对风险较大的失事模式进行进一步的风险评价,直至找到最好的解决办法。

图1.1　加拿大BC Hydro大坝风险管理框图(www.xing528.com)

大坝风险评估的主要任务是根据风险标准来评价风险分析的结果。BC Hydro的风险标准是根据业主大坝安全管理条例、下游居民的生命财产价值、国家法律和业主的赔偿能力来制定的。任何一个风险标准的制定首先要了解系统中的所有风险,这个系统可能仅限于大坝本身,也可能包括下游地区、整个省、全国,甚至可能包括邻近国家。BC Hydro曾制定了一个临时性的风险标准,不过目前BC Hydro对大坝进行风险分析时执行的是ALARP(as low as reasonably practicable)原则(使风险在合理可行的情况下尽可能地低的原则)。

BC Hydro认为,以风险为主的大坝安全管理有如下主要优点:①可增强对大坝薄弱部位的了解;②在情况了解不够或资料不足的情况下鉴定大坝的工况;③鉴定可能被忽略的潜在的问题;④可充分了解大坝的安全程度;⑤为比较不同大坝的安全性提供了一种方法。

1.2.5澳大利亚[9]

在澳大利亚,风险分析已经在相当数量的水库大坝上应用。在昆士兰州,已在2/3的水库大坝上应用。群坝风险评价也已经在澳大利亚的几个大坝群中应用,并取得了一系列成果。澳大利亚有关大坝法规建设和风险管理也走在世界的前列。1994年,澳大利亚大坝委员会(ANCOLD)颁布了《ANCOLD风险评估指南》,为大坝安全评估的应用提供了概念性基础,但没有提供进行风险评价的细节指南。1995年以来不断对指南进行修订,2003年完成了新指南的草稿,该草稿提供了澳大利亚大坝风险管理的一般性框架,确定了风险分类、风险分析、风险评估和风险处理过程中的主要步骤,其对单个大坝风险评价过程和群坝风险评价过程分别如图1.2和图1.3所示。

澳大利亚还制定了许多风险评估工作中的其他指南,例如,1994年ANCOLD《大坝安全管理指南》,1998年ANCOLD《大坝地震设计指南》和《大坝环境管理指南》,1999年ANCOLD《大坝可接受防洪能力选择指南》,2000年5月ANCOLD《大坝溃决后果评估指南》,2002年2月昆士兰州政府自然资源和矿产部《大坝溃决影响评价指南》和《昆士兰州大坝安全管理指南》等。

1.2.6 英国[10]

目前,英国大坝业主的定量风险分析并未得到官方的支持和应用,也未进行可接受风险标准的应用。不愿应用定量风险评估(QRA)主要是由于在确定大坝溃决的可靠性概率方面的困难而导致的,英国大坝做定量风险评估(QRA)的费用和正常维护所需费用差别很大,而且1975年实施《水库法》以来安全事故发生得非常少。

图1.2　ANCOLD典型大坝风险评价过程

但苏格兰和南方能源公司认为,风险评估是大坝安全和资产管理极其重要的一部分,是英国已建坝安全办法的补充,而且是经济有效的。苏格兰和南方能源公司是英国主要的大坝业主,拥有84座大坝,其中56座大坝是在ICOLD(国际大坝委员会)注册的。1996年以来,在Babtie咨询顾问支持下,公司开展了大坝失事模式、影响及严重程度分析(FMECA)过程研究。

英国健康和安全委员会(HSE)针对有危险的工业部门研究了一种相当好的风险框架,非常有用。1988年,HSE发布了《核电站可容忍风险指南》(以下简称《指南》),建立了一套公共安全框架,即“风险的可容忍性框架”。《指南》说明了HSE的核电站风险控制理论,有关风险的法规编制人员和核能源以外的工业部门都很大程度上接受了这个思想。关于人员死亡风险,《指南》要求“几乎不发生”,因为这类小概率事件会引起很严重的社会后果。这种要求反映出了国际社会的一致性,也适用于大坝风险评价。

图1.3　ANCOLD群坝风险评价典型过程

1.2.7 芬兰[11]

1999年6月1日～2001年3月31日,芬兰环境研究院和芬兰农林部、芬兰内务部、芬兰西部地区环境中心联合开发了RESCDAM计划,并提交了《根据溃坝洪水分析开发营救行动计划RESCDAM》总报告。该计划分为3部分:①风险评价(分析);②溃坝危险分析;③应急/营救行动计划。RESCDAM计划提出了一套风险分析方法,应用数字地形模型对溃坝洪水进行一维和二维模拟。另外,还研究了人在流水中的稳定性和机动性、流水中房屋的性能等。

1.2.8 瑞典[10]

瑞典政府已经考虑建立大坝安全法规,大坝业主在1997年建立了RIDAS指南。政府明确表示大坝业主应全部负责大坝安全和大坝溃决后果,这要求业主必须非常了解群坝的全部风险。风险分析在瑞典正在被作为一种大坝安全隐患加固的排序方法。为此,瑞典能源公司Vattenfall和主要的大坝业主,在瑞典能源咨询公司的支持下,用定量分析和失事模式、影响及危急程度进行分析,以估计哪一种方法更合适。

1.2.9 葡萄牙[4,5]

葡萄牙工程师考虑了多达11个风险因素,提出了综合风险指数法,即

式中:α为综合风险指数;αi为环境因素,分为地震、库岸塌滑、洪水、水库调节能力、环境侵害等5项;αj为工程结构因素,分为结构可靠性、坝基优劣、防洪设施安全性、工程管理维修好坏等4项;αk为溃坝损失因素,分为水库库容、洪泛区可能损失情况等。

以上各种风险,均按低、中、高三级风险划分,每一级又细分为两级,也就是将风险共细分为6级,每级1分,每一因素最低风险值为1,最高风险值为6。α值愈高,水库大坝愈危险。这种风险指数法计算简单,可操作性强,可用于定性风险分析。