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震损土石坝溃坝风险定量评估研究

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  摘要 本文由土石坝的主要溃坝原因结合震损土石坝的破坏特点,分析了得出五大类溃坝模式和23条典型溃坝途径。并由此提出对震损土石坝进行溃坝风险定量评估的计算方法。
  关键词 震损;土石坝;溃坝风险;定量评估
  中图分类号P5 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2011)49-0088-02
  Abstract After analyzing the main causes of embankment dam failure and the characteristics of earthquake-damaged embankment dams, this paper summarized 5 classes of dam failure regime and 23 ways for dam failure.Based on this, it proposed methods for quantitative assessment of dam failure risk of earthquake-damaged embankment dams.
  Keywords earthquake-damaged, embankment dams, dam failure risk, quantitative assessment
  
  2008年5月12日发生的“汶川大地震”震惊了全世界,在这次地震中四川省有1997座水库震损,占四川省全省水库总数的30%,而这些震损水库中绝大多数是土石坝。虽然本次地震没有造成溃坝事件,但是国外曾发生土石坝因地震而溃坝的严重灾害,在我国也有土石坝因地震而发生滑坡、震陷、裂缝等灾害,这些震损水库如果溃决将造成生命财产的重大损失。地震发生后如能尽早对震损水库进行初步风险评估,及早的确定后续的除险加固的措施,就能更大限度的降低生命财产的损失。故震损水库的风险评估方法需要易于操作且在短时间内能够完成。
  目前国内常用的风险分析都是在地震还没发生的前提下,针对存在老化病害的水库进行的评价。汶川地震发生后,四川省的震损水库安全定级,是根据专家的经验来定性确定水库险情,需要耗费大量的人力物力。因此,建立震损土石坝的溃坝风险定量判别模型是非常有必要的。
  对某一座震损土石坝来说,确定其溃坝概率的过程有如下4个步骤:
  首先根据各水库的等级以及运行情况,确定死水位、正常运行水位、设计洪水位、校核洪水位四个工况。设计洪水位和校核洪水位,可以由水库的等级,根据规范规定的洪水概率结合水库溢洪道的泄水情况调洪演算后得出。死水位、正常运行水位可由多年的运行资料得出。若地震发生在汛期,以设计(校核)洪水水位作为主要控制特征水位。若地震发生在非汛期,则以死水位和正常运行水位作为主要控制特征水位。
  第二步,结合地震前水库存在的病险和地震发生后发生的破坏情况,估计在某一工况下水库可能的溃决途径。总结2008年成都市农水局统计的震损土石坝的资料得出,地震发生后土石坝常见的震损破坏形式主要有:坝体裂缝、坝坡滑坡、结构破损、渗漏四种坝体破坏情况。另外地震是否发生在汛期,土石坝的溃坝途径也有所不同。总结出地震后溃坝溃决路径有如下10种可能。
  第一种情况:地震发生在汛期,洪水漫顶大坝破坏。
  1)洪水-地震引起闸门故障-水库水位增高-坝顶高程不足-无法及时加高坝顶-洪水漫顶-人工干预-干预无效-大坝溃决;
  2)洪水-溢洪道由于地震破坏造成泄洪能力不足-水库水位增高-坝顶高程不足-无法及时加高坝顶-洪水漫顶-人工干预-干预无效-大坝溃决。
  第二类:地震发生在汛期,上下游滑坡引起溃决。
  1)洪水-地震引起下游滑坡-坝顶高程降低-坝顶高程不足-漫顶-人工干预-干预失败-大坝溃决;
  2)洪水-地震引起上游坡滑坡-坝顶高程降低-坝顶高程不足-漫顶-人工干预-干预失败-大坝溃决;
  3)洪水-地震引起纵向裂缝-坝体局部失稳-坝顶高程降低-坝顶高程不足-漫顶-人工干预-干预失败―大坝溃决;
  4)洪水-地震引起坝体深层横向贯穿性裂缝-渗流破坏-人工干预-干预失败-大坝溃决;
  5)地震引起下游坡大范围散浸-浸润线抬高-坝体失稳-坝顶高程降低-洪水-漫顶-人工抢险干预-干预失败-大坝溃决;
  6)坝体渗透管涌破坏-坝体失稳-坝顶高程降低-洪水-漫顶+管涌-人工抢险干预-干预失败-大坝溃决。
  第二种情况:地震发生在非汛期,后坝体、坝基或坝下埋管集中渗漏,渗流破坏导致大坝溃决。
  1)地震引起坝体集中渗漏-管涌-人工抢险干预-干预失败-大坝溃决;
  2)地震引起坝基集中渗漏-管涌-人工抢险干预-干预失败-大坝溃决;
  3)地震引起坝下埋管发生接触冲刷破坏-人工抢险干预-干预失败-大坝溃决;
  4)地震造成基础液化-大坝破坏-漫顶或管涌-人工抢险干预-干预失败-大坝溃决。
  第三步,计算每条可能溃决途径的溃决概率,即将各可能溃决途径的各个环节发生的条件概率的乘积。具体各环节下的概率,可参考采用《大坝风险评价与风险管理》一书中提到事件是否发生的定性描述到概率间的转换关系表[1]。如下表所示。
  定性描述 相应概率 判断依据
  事件不会发生 0.000001~0.0001 针对不同事件,根据历史资料和大坝安全鉴定结果并结合水库大坝具体震损险情具体确定。
  事件基本不会发生 0.0001~0.01
  事件可能发生 0.01~0.1
  事件很可能发生 0.1~0.5
  事件肯定发生 0.5~1.0
  地震发生后,实际上有多种可能的溃坝模式,但是70%~80%的可能只是其中由其中一种或两种造成的,因此,如果对主要溃坝模式判断错误,则会导致严重的后果。提高对溃坝概率的准确率有两种方法。第一种方法,若水库大坝在地震前已是病险水库,且已经做了安全鉴定,那么水库存在的主要问题己经在安全鉴定报告书中明确分析得出,通过安全鉴定也己经积累了相关资料,那么可以结合安全鉴定来判断溃坝路径。第二种方法,可由多位专家对溃坝概率进行估算,取各专家估算概率的平均值。
  最后一步,对所有特征水位逐一重复上述步骤,即可以得到所有荷载下可能溃决途径和溃决概率。大坝总溃决概率等于各种荷载状态下溃决概率之和。
  此定量评估方法简单易行,各土石坝主管部门在地震发生后可自行采用此种方法初步得出相应溃决概率,再上报给上级主管部门。上级主管部门可将各土石坝的溃决概率进行排序,优先处理概率值大的坝。从而既可以减轻上级主管部门的工作强度,又可以大大提高对震损土石坝的初步评估速度。相对比于以往常用的由专家定性评估的方法,此定量评估方法降低了操作难度,提高了效率,可进一步降低地震造成的人民生命财产损失。
  
  参考文献
  [1]李雷,王仁钟,等.大坝风险评价与风险管理[M].北京:水利水电出版社,2006.

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