漫坝风险分析在水库防洪中的应用

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一、引言

　　随着工农业的发展和人口的增长，我国某些地区，特别是华北地区，日益感到水资源的不足，对非病险水库，在汛期把洪水作为宝贵的水资源尽可能多地加以存蓄，则可解决旱的问题。但是，水库尽量多蓄水，就有人担心会不会发生土石坝漫顶溢流的情况。的确，这种担心是可以理解的。不过，我们可以通过一种科学计算，即漫坝风险分析计算，取得土石坝对抗洪水与风浪联合作用下的漫坝风险的定量数据来消除这个担心，并且给水库科学合理的蓄水提供99.999%以上的漫坝安全可靠度。如此，我们想任何一级决策部门都会比较放心的。

　　二、漫坝风险分析理论简介

　　漫坝是指坝前水位超过坝顶、水流漫过坝顶溢流而下。风险是指水库发生漫坝的概率。漫坝风险就是指在分析期内，坝前水位超过坝顶的概率。引起漫坝的主要风险因素来自入库洪水、风浪、库容和泄水能力四个方面的不确定性。对于入库洪水，大家都承认它有随机性，不再赘述。对于泄水能力，尽管在传统的水库设计中，把泄水建筑物，包括溢洪道和泄水孔，的泄水能力，当作确定量来处理，但严格地讲，泄水能力是具有不确定性的。其不确定性源于对真实的三维水流简化为一维水流模型而致的不确定性、糙率取值的不确定性、模型试验的缩尺效应以及各种几何尺寸在施工方面的容许误差，等等。作者认为，所有这些影响泄流能力的随机因素，可以通过把泄水建筑物的流量系数视为一定范围内的随机变量加以处理。在传统的水库计算中，是把库容或库面积视为确定性的。但事实上，它们是有不确定性的。人们测出的库区等高线图，存在着测量的随机误差；利用等高线图计算库容，按梯形法或辛普森法时，存在着计算简化误差；库区每年要经受洪水，不可避免地产生冲淤，而限于人力、物力条件不能每年都对库区进行水下地形的精确测量，因此冲淤也会引起库容的不确定性。风，在什么时间刮，从什么方向刮，风速多大，风力多少级，仍是随机的。对于土坝来说，因风引起的水面壅高e和风浪沿斜坡坝面的爬高Rp，自然也是随机的。应予指出，在一般库水位情况下，一般的风所引起的水面壅高和风浪爬高是不会引起漫坝的。只有当洪水来临，使库水位升到一定值时，风浪的作用才有可能配合洪水推波助澜而导致漫坝风险。因此，统计风系列的前提，本应是统计各场洪水发生时的风，但因当前往往缺乏这方面的资料，为安全起见，一般采用汛期最大风系列。对漫坝风险而言，只有吹向坝体的风才对漫坝失事起作用，故而对漫坝风险而言，其有效风应为汛期吹向坝体的最大风系列。

　　严格地讲，坝顶高程也存在不确定性。它来源于测量误差和坝顶的沉降，但对于已建成的工程，其离散性微乎其微，可以把它视为常数，这并不影响计算精度。

　　这样一来，水库调洪过程是一随机过程，其调洪演算方程，是随机微分方程，我们不仅须求其各随机变量的均值，而且还须求其方差的值。在以校核或设计）洪水为其上限的洪水系列与汛期吹向坝体的有效风系列联合作用下，土石坝漫坝风险须逐时段进行数值积分来求得。计算时，控制高程取在坝顶Zc1和防浪墙顶高程Zc2时，针对相应的迎汛水位，将分别得出相应的漫坝风险值。用1减去算得的漫坝风险值，就得出该坝在给定的迎汛水位条件下，对校核或设计洪水系列与汛期有效风系列联合作用下的漫坝安全可靠度。具体的漫坝风险模型及其解算方法，限于篇幅，不再详述，可参见有关文献。目前，尚缺乏漫坝安全可靠度方面的国家或行业标准，经过分析国内外漫坝、垮坝统计资料，我们提出可接受的漫坝风险为10-6数量级。这相当于人力无法抗拒的地震风险数量级，或即可接受漫坝安全可靠度达99.999%以上。进行漫坝风险的研究与实践，也为今后制订漫坝安全可靠度规范，奠定了科学基础。针对设计规定的水库汛限水位，采用上述风险分析方法和取值标准，便可对土坝进行漫坝安全评价。若其安全可靠度达不到99.999%，则须及早采取措施确保安全；若可靠度远大于99.999%，则表明仍有蓄水能力，对于坝体坚固、管理人员素质良好，且最好还有洪水预报系统的大型水库，以及中型偏上的水库，则可考虑抬高其汛限水位，在确保漫坝安全可靠度高达99.999%的前提下尽可能多地拦蓄洪水，以便减轻下游的防洪压力，又可存留宝贵的水资源，做到兴利与除害并举。

　　三、工程实例

　　下表列举上述方法在陡河、清河等水库的成功应用。对各水库进行漫坝风险分析时，安全控制用的临界高程Zc有两种：第一种是取土坝坝顶高程Zc1，只对抗洪水和风浪壅水高度；第二种是取防浪墙顶高程Zc2，对抗洪水、风壅高度和风浪爬高。当然，采用不同的临界高程，其计算所得的漫坝风险是不同的。

　　四、释疑

　　也许有人要问：这样一来，安全超高不是没有了吗？就此问题，我们作以下两点说明：第一，在传统水库调度计算中，除了洪水是具有某种频率性质的随机事件外，把水库库容、库面积、汛期的风情和泄水建筑物的泄流能力等都当作确定量处理，且洪水频率一经给定，洪水过程线也成为确定量。在此条件下，人们采用安全超高，即在水库演算中最高水位上再加一高度作为安全超高以策安全，实质上是把确定量所未考虑的那些不确定性都囊括在内。反过来，当我们把洪水、风壅高度和爬高、库容和库面积、泄水能力都看成是随机量并将洪水调度过程看成是随机过程时，已把这些不确定性考虑进去了，因而无需再采用安全超高。

　　第二，退一步说，即使是按国外习用的潜在公害分级法可视为高公害的大坝，上述分析方法也是适用的，只是此时临界高程Zc可选在坝顶或防浪墙顶部以下某一位置，则此高程距坝顶或防浪墙顶之高差，就相当于赘余安全超高。不过，此时漫坝风险是否还要维持在10-6量级上，还有待于进一步研究。笔者看来，似乎没有必要一定维持如此高的标准。