大坝可接受风险标准及风险等级-中国水利水电科学研究院

大坝可接受风险标准及风险等级岩土工程研究所王玉杰、周兴波1学科方向大坝风险学科是工程风险学与水利水电工程学的交叉学科，重点研究的对象是水库及梯级水库群对大坝下游生命和财产等造成的风险问题。从风险的定义出发，主要包括正常和非正常工况下大坝安全问题和溃坝损失，以及如何避免或降低生命损失两方面的问题。水库大坝数量的日益增多，加之老坝年久失修，如若管理不善，潜在的风险就会加大，成为重大的安全隐患。溃坝是发生概率低，破坏力度极大的小概率事件，如若大坝一旦遭到严重破坏而导致库水失控而下泄，对水库下游的生命财产造成的灾害损失将远远超出大坝自身的损失。同时，大坝安全性的提高需要大量的人力和财力的投入，过分的安全又会造成浪费。因此，大坝对下游潜在的安全问题并非单纯的安全问题，其实质是风险问题。风险管理技术在土木水利工程的应用始于20世纪60年代，美国学者CasagrandeA.提出，土木工程及其基础设计多种不确定性，应根据工程失事造成的损失大小来确定合适的设计安全度。1973年美国土木工程协会（ASCE）发表采用风险分析方法对溢洪道设计进行评估的检查报告，由此，开启了水工建筑物风险分析的先河。1979年美国颁布了联邦大坝安全导则，包含关于安全评价、大坝设计、坝址选择的风险决策分析。1991年加拿大BCHydro将风险分析方法引入大坝安全分析和评价中，以实现在确定水库大坝安全程度的基础上，采用最为经济的方法加固不安全的大坝。1994年澳大利亚大坝委员会（ANCILD）颁布了《ANCILD风险评估指南》，为大坝安全评估提供了依据，并不断对该指南进行修订。2000年北京举办的第20届国际大坝会议第一次将大坝风险分析作为会议议题，标志着大坝风险分析与管理技术已经在世界范围内得到广泛的认可。此后，相关的研究在许多国家得到了迅速的发展。2005年，国际大坝委员会发布了《大坝安全管理中的风险评价》，进一步推动了世界范围内大坝风险管理技术的推广与应用。随着众多大坝的建成和老坝龄期的增长，大坝安全问题越来越凸显，每个大坝对下游潜在的安全问题的实质是风险问题，并非单纯的安全问题。已建和在建的水库大坝当中，每一个大坝对其下游的风险水平是不等的，每一个大坝下游区域的人和财产对风险的可接受程度和可容忍程度也是不同的，甚至同一座大坝在不同的阶段（施工期、正常运行期、非正常运行期）对下游区域的风险也是不同的。因此，大坝风险学科主要研究内容包括：（1）大坝可接受、可容忍风险标准81研究；（2）大坝失效模式及失效概率研究；（3）大坝风险损失的确定方法研究；（4）大坝风险等级确定原理及方法研究；（5）大坝风险分析技术及评价方法研究；（6）高风险大坝风险防控理论及防控技术研究。通过以上内容的研究，针对不同风险等级的大坝，建立完善的大坝风险预警预案，提前制定针对性的风险控制措施，为决策者在紧急情况下采取避害措施提供科学依据，使得大坝更好的服务于人类社会和生态环境。2调研背景概述本调研涉及近年来大坝风险学科国际国内权威学术期刊：WaterResourcesResearch、WaterResourcesManagement、RiskAnalysis、CanadianGeotechnicalJournal、JournalofHazardousMaterials、StructuralSafety、JournalofGeotechnicalEngineering、JournalofHydraulicEngineering、NaturalHazardsandEarthSystemSciences、NaturalHazardsandEarthSystemScience、水利学报、水力发电学报等；国内外相关规范：GuidelinesonRiskAssessment（ANCOLD）、UKHealthandSafetylaw、ICOLDEUROPEANCLUB-DamLegislations、Eurocode1、Eurocode7、大坝风险导则等；国际学术会议：The23rdInternationalconferenceondam、The35thInternationalConferenceonWaterConservancyScience等国际会议；专业委员会报告和平台：AustralianNationalCommitteeOnLargeDam、InternationalCommissiononLargeDam、USFederalEmergencyManagementAgency、ASCETechnicalCommitteeonRiskAssessmentandManagement、FederalEmergencyManagementAgency、FederalEnergyRegulatoryCommittee、USBureauofReclamation等机构研究报告也是信息来源的主要手段之一。根据相关论文的研究成果总结分析了当前国际大坝风险领域主要研究动向新的观点及理论研究、方法、技术和最新研究进展。3学科发展新动向和值得关注点风险理论的发展，促使工程界的设计理念逐渐由“工程安全”向着“工程风险”转变，由“单一时期”向着“全生命周期”转变，由“单一工程”向着“流域系统工程”的转变。大坝安全分析和管理贯穿大坝全生命周期的整个动态管理过程，包括风险识别、风险分析、风险评价、风险决策和风险处置等内容，将大坝失效概率、溃坝后果、风险控制标准等有机结合起来综合考虑，可以较为科学地判断流域梯级水库的安全状态和群坝连溃的可能性，预测可能造成的生命损失和对社会造成的影响，将现有的工程加固财力用在风险最高的梯级，从而降低整个流域的风险水平，这是传统安全系数评价和管理方法所不能实现的。目前，学术界均认识到风险研究的重要性，但82在不同的应用领域，风险的定义和评判标准也有所不同。由风险的客观存在性和不可抗拒性可知，风险主要强调了其本身的不确定性和损失的不确定性，而且风险是随着时间在动态的变化，并非一个恒定值。在水利水电工程领域，其风险是由其自身安全的不确定性所引起，进而可能对下游淹没，造成下游生命、财产、社会等巨大的损失。3.1水利水电工程可接受风险标准研究由于风险具有不确定性，在风险研究中，有两个重要的指标，即可接受风险和可容忍风险，通过这两个指标，对风险进行了界定。根据英国健康和安全委员会（TheHealthandSafetyExecutive，HSE）定义，可接受风险是指为了工作和生活等目的，任何承受风险影响的人在风险控制机制不变的条件下准备接受的风险。可容忍风险是为了取得某种利润或达到某种目的，社会所能够忍受的风险，这种风险在一定范围内不能忽略，需要定期检查，如果可以应该进一步减小这种风险（HSE，1988）。3.1.1可接受风险标准研究现状国外对可接受风险标准的研究起步较早。20世纪60年代，美国科学家ChaunceyStarr提出“多安全才安全”的问题，引起了当时学术界对风险可接受性研究的重视，并根据显示偏好法得出了不同风险情况下的社会可接受性（StarrC.,1974）。到70年代，风险领域的ALARP（AsLowAsReasonablyPracticable）准则首次在英国法律中采用，该准则对于可接受风险的研究和合理降低风险措施的制定都具有重要意义（UK，HealthandSafetylawAct1974）。1984年，剑桥大学Fischhoff提出风险不是无条件的接受的，可接受的风险即所获得的利益可以补偿因此而带来的风险，也就是说可接受风险其实质是由决策产生的，而非风险本身所具有（FischhoffB.,1984）。1988年，英国健康和安全委员会对可接受风险给出了明确的定义，并通过对核电站风险调查，他们建议主要工业灾害的典型个体可接受风险值取10-6~10-5次每年（HSE，1988）。1989年，Reid收集了美国、英国及澳大利亚等国家不同行业主动和被动承受风险者的可接受风险统计值，据其统计结果发现自然灾害和一般风险如雷电、火车旅行的以年计的死亡概率不到10-5，建筑、铁道等职业风险可达10-4，危险运动如高空滑翔的风险高达10-3（ReidSG.,1989）。1993年，Fell主张对于被动风险接受者，以年计的可接受风险值的应在10−6~10−5，并提出了各行业可接受风险的确定方法如下式：410fsdrPKNN−=（1）83式中：Nr为受影响的人数量，Nd为设计基准年限，Ks为区域重要性指数，其取值按建筑物类型不同可取0.005（大坝，人群聚居处）、0.05（办公室，商业，工业区）、0.5（桥梁）、5（塔，近海结构）(FellR.,1994)。近年来，美国土木工程协会（ASCE）规定使用安全指标（SafeIndex，SI）值作为风险可接受性准则，加拿大标准协会（CSA）规定水域海上石油对生命损失和环境污染的可接受风险为10-5/a~10-3/a。在水电工程行业中，尤其是挡水大坝，美国、加拿大、澳大利亚、荷兰等国家在风险标准和风险分析方面的研究起步较早，澳大利亚等一些国家编制了相应的风险分析导则和行业规范。对于水利水电工程风险主要包括自身的失效概率和失效后的风险损失两方面，风险损失主要涉及生命损失风险、经济损失风险和环境损失风险。目前，国外大坝风险主要考虑生命风险和失效概率，通常以“F-N”风险控制图的形式表述，其中F代表以年计的失效概率，N代表受影响的人数。澳大利亚、荷兰、美国、加拿大、南非以及我国的香港，均制定了相应的风险控制图。澳大利亚大坝委员会、美国垦务局、加拿大哥伦比亚水电局所制定的F-N曲线如图3-1~图3-3所示（ANCOLD，2003），南非针对于大坝制定的风险F-N曲线如图3-4所示（KreuzerH.,2000），荷兰水防治技术咨询委员会引入了个人意愿系数β（数值为0.01~10），对于主动和被动承受的风险分别作了设定，如图3-5所示。国内对于风险管理及可接受风险标准的研究起步相对较晚，各个行业的研究成果差异性比较大，很多领域都还处在起步的阶段。罗云等人提出通过统计的方法得出个人风险的上下限值，针对于英美个人风险统计，得出将个人风险的上下限分别设为10-3和10-6（罗云等，2004）。李雷、蔡跃波等人分析了我国大坝安全管理的三个阶段，认为风险理念已在我国得到广泛接受，风险管理技术也日益受到关注（李雷，蔡跃波，盛金保，2008）。姜树海给出了允许风险作为大坝防洪可接受风险的阀值范围，介绍了基于允许风险的大坝防洪标准确定方法（姜树海，1999）。马福恒在国外可接受风险标准的基础之上，建立了我国大坝的个人、社会、经济以及环境的可接受风险标准（马福恒，2006），有的建议直接采用了国外的标准，但国外的标准未必适合我国的实际情况，因此其可行性还需要进一步的探讨。杜效鹄，杨健等人，对我国水电站大坝溃坝生命风险标准进行了讨论，建议我国水电站大坝溃坝个体可容忍风险标准不低于10-4，可接受风险标准不低于10-5（杜效鹄，杨健，2010）。陈伟、许强等人对我国地质灾害可接受水平的确定进行了研究，提出我国地质灾害可接受风险标准为10-6~10-7/a（陈伟、许强，2012）。目前，我国仅有香港地区针对于本地区生命与社会风险制定了可接受风险的标准。84图3-1澳大利亚大坝委员会图3-2美国垦务局图3-3加拿大哥伦不列颠比亚水电局图3-4南非图3-5荷兰水防治技术咨询委员会目前，国内可接受风险标准研究主要是参照国外的标准和确定方法，试图根据我国实际现状，借用国外方法来确定我国各行业的可接受风险标准，在可接受风险研究领域，自主创新的方法研究方面涉及较少，可接受风险标准系统性的基础理论研究较为缺乏，总之，我国对于可接受风险标准及其系统理论的研究应该引起学术界的重视。3.1.2确定可接受风险标准的方法风险接受标准的确定主要受一个国家或地区的经济发展程度、人口密度及环境等因素的影响，这些因素在有的行业有时很难以定量化的指标来确定，如水库垮坝对公众的影响程度，但大型水库垮坝肯定要比小型水库垮坝