南水北調東線一期工程運行風險評價

南水北調東線一期工程運行風險評價

水生百合工程是我國的一個重要戰(zhàn)略基礎設施，有助于緩解北方水資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化，確保社會經濟與生態(tài)協(xié)調可持續(xù)發(fā)展。線路一期從長江下游河段站取水，利用京杭運河等河流，通過水泵站逐步排放，進入東平湖后，分為兩條河流。一條是黃河，另一條是小運河和小運河。在東部開放了威海米山水庫。引水線路全長1466.50公里，其中從長江到東平湖1405.36公里，黃河以北173.49公里，山東省廢水線路124.78公里，黃河-蘆隱河段7.87公里。全長13個泵站，總溢流約65m。設計一線1號線路的輸送線示意圖如圖1所示。由于多年來涉及多個工程，項目運行不可避免地受到幾個不確定因素的影響。為了避免或減少不必要的損失，需要采用項目風險管理。本文從工程角度對東線工程運行風險進行識別、分析和評價,依據(jù)風險評析結果,進一步提出風險控制技術與控制對策.1水質系統(tǒng)劃分南水北調東線工程以電力為動力,通過泵站逐級提高水頭,在各級泵站之間依靠水位差通過河道自流輸送,在調水沿線設有若干個用于調蓄的湖庫.因此,根據(jù)東線工程建筑物與功能的不同,將東線工程劃分成提水、輸水和蓄水等三大系統(tǒng).其中,提水系統(tǒng)主要由一期工程新建的21座泵站及江蘇省現(xiàn)有的13座泵站,共160臺套裝機構成;輸水系統(tǒng)主要為輸水河道和穿黃工程;蓄水系統(tǒng)主要指輸水沿線包括洪澤湖、駱馬湖、南四湖和東平湖在內的四大天然湖泊.南水北調東線工程系統(tǒng)分解概化見圖2.2運行風險分析風險分析,首先需識別系統(tǒng)可能出現(xiàn)的失事形式、導致失事的影響因子以及系統(tǒng)失事可能造成的后果.根據(jù)東線工程運行特點和破壞機理分析,運用層次分析法對影響三大系統(tǒng)正常運行的風險因子進行界定和識別,確定各系統(tǒng)風險評價的準則層和指標層.在此基礎上,運用模糊綜合評價法對風險發(fā)生的概率及后果進行定性與定量分析.綜合考慮失事風險率和損失后果,建立評價標準以衡量風險的大小和程度,確定風險是否需要處理和處理的程度.東線工程運行風險分析、評價流程詳見圖3.層次分析法和模糊綜合評價法結合應用,在處理復雜的大系統(tǒng)時具有得天獨厚的優(yōu)勢.層次分析法能夠對工程系統(tǒng)進行分解,合理的概化系統(tǒng),使其條理化、清晰化;模糊綜合評價法能夠將隸屬于不同層次及類別的各種因素進行有效地綜合、歸納,尤其適用于系統(tǒng)定性信息較多的情況,能很好地處理人的判斷偏好固有的模糊性以及定性信息的模糊性.層次分析法可歸納為如下幾個步驟:明確問題;建立層次結構;構造判斷矩陣并計算權重向量;次單排序和一次性檢驗;次總排序和一次性檢驗.模糊綜合評判法首先需建立評價問題的目標集和評定集,在滿足一定條件下,對每一個指標定義隸屬函數(shù),然后根據(jù)層次分析法所確定的各層次(指標組,指標類)的權重,確定各層次的隸屬度,最后計算系統(tǒng)總隸屬度,根據(jù)總隸屬度的大小,對評價對象進行逐一總評價.層次分析法和模糊綜合評價法的具體計算步驟可參考文獻.在運用模糊綜合評價法確定各系統(tǒng)運行風險率等級時,將工程運行風險率評價等級分為5級.從1級到5級,是風險率逐漸增加的過程.具體的風險評價等級取值與相應的風險描述見表1.同時,對工程運行條件及運行情況進行分析,將失事后果也劃分為5個等級,分別為重大、大、較大、中等和較小.組合風險概率等級和失事后果,確定系統(tǒng)運行風險等級.風險等級劃分成5類:風險低、風險較低、風險中等、風險較高、風險高.風險評價標準見表2和表3.3運行風險率評價及后果分析提水系統(tǒng)運行風險主要表現(xiàn)為各種內因和外因引起的提水系統(tǒng)的提水水量不能滿足規(guī)劃要求,即受水區(qū)有需水要求時,提水系統(tǒng)不能滿足水量要求,對部分自身存在防洪要求的泵站,在受到洪水沖擊時,不能正常運行的風險.因此,提水系統(tǒng)運行風險主要來自兩個方面.從導致泵站系統(tǒng)提水效率降低角度考慮,主要風險因子為系統(tǒng)運行條件、設備質量、技術狀況.運行條件主要表現(xiàn)為攔污清污設備、進流漩渦兩個方面;設備質量主要表現(xiàn)為電網電壓波動、設備老化、磨阻增加等;技術狀況表現(xiàn)為水泵特性誤差、管理、維護狀況等.從泵站系統(tǒng)工程安全角度考慮,主要為河道洪水水位和河堤堤高兩個風險因子.風險因子識別具體過程詳見文獻.根據(jù)提水系統(tǒng)運行風險因子識別結果,采用模糊綜合評價法來確定其相應的運行風險率.首先按照客觀性、系統(tǒng)性、目的性、代表性和科學性等5個方面的原則,選取設備質量、技術狀況、泵站系統(tǒng)工程安全等3個方面評價準則,建立提水系統(tǒng)運行風險評價層次結構(見圖4).其次,依據(jù)一定原則和方法確定南水北調東線提水系統(tǒng)5個評價指標具體分級標準.然后,采用層次分析法確定權重.最后利用效用函數(shù)計算得到各泵站的風險指標值.模糊綜合評價方法對13級梯級泵站的風險評價結果表明,東線工程的13級梯級泵站中,大部分梯級泵站的風險率等級都在3～4之間,屬于風險率較低級別.在13級梯級泵站中,風險率等級評價結果最劣的為淮陰樞紐,其綜合風險等級評價結果為2.63,相應的風險率等級屬于中等.主要原因是由于淮陰樞紐的3個泵站的單機流量為30和34m3/s,淮陰樞紐的備用機組比例較低,僅為9%,根據(jù)該指標的評價標準,其風險率等級為2級,風險較高.風險是失效風險率與失效造成的后果兩個因素的函數(shù),風險的大小不僅與失效風險率有關,而且也與失效后果息息相關.在風險率評價的基礎上,對提水系統(tǒng)失效后果進行評價.由于東線各梯級泵站除了主要承擔南水北調的提水任務以外,還承擔了調水沿線地區(qū)的地方供水,因此,各串聯(lián)的梯級泵站的設計流量呈現(xiàn)出由南向北逐級減小的趨勢,這一趨勢與直觀上的各梯級泵站失效造成的后果等級趨勢是一致的.采用各梯級泵站的設計流量表征其失效后果的嚴重性.根據(jù)風險概率等級和梯級泵站流量的不同組合結果,劃定風險評價標準,確定風險等級劃分成5類:風險低、風險較低、風險中等、風險較高、風險高.通過提水系統(tǒng)工程安全風險在圖上的投影可知,南水北調東線工程提水系統(tǒng)13級梯級泵站中,淮陰樞紐的風險性最高,風險等級為中等;其次是江都樞紐、淮安樞紐,風險等級為較低;其余的梯級樞紐風險等級均為低.需要指出的是:江都樞紐和淮安樞紐處于13級梯級樞紐的水源區(qū),而且其設計流量大,分別承擔了第一級梯級樞紐和第二級梯級樞紐總設計抽水量的80%和66.7%,因此,盡管這兩級梯級樞紐風險率等級不高,但這兩個梯級樞紐的風險等級是13級梯級樞紐中次高的.另外,東線工程采用了南四湖以南即江蘇省境內為并聯(lián)結構,南四湖以北為串聯(lián)結構的工程輸水特性,這一組成特點將提升東線工程提水系統(tǒng)的運行安全性.4安全風險評估輸水系統(tǒng)分為輸水河道工程和穿黃工程兩部分.對輸水河道而言,風險主要表現(xiàn)為河道堤防的安全穩(wěn)定性出現(xiàn)故障,不能滿足其規(guī)劃的輸水功能,從而影響輸水河道功能.堤防失事模式主要為漫堤失事、滲透失事和失穩(wěn)失事三種,風險因子則對應為洪水水位和堤防高度、堤防坡降和水力比降、以及土體的物理參數(shù)和水流沖刷力.對穿黃隧道而言,風險主要表現(xiàn)為隧道工程安全性出現(xiàn)故障,不能滿足隧洞輸水要求,風險因子主要有幾個方面:工程本身引起的風險,例如:隧道突水、突泥等,以及工程外在因素引起的風險,例如:頂部地面塌陷、穿越煤層開采地區(qū)地基塌陷等.采用模糊綜合評價方法對輸水河道工程系統(tǒng)進行風險評價,綜合考慮河道工程系統(tǒng)的荷載情況、工程結構及運行管理等各種影響因素,建立輸水河道工程安全風險評價層次結構如圖5.根據(jù)以上的層次結構,選取已有堤防中工程條件明確且安全性狀較好的標準堤段作為參考,分析實際堤段與標準堤段之間存在的差距,利用模糊綜合評價法確定各堤段的風險率等級.分析計算結果表明:南水北調東線一期輸水河道工程中,運河線中韓莊運河運行風險率較高,風險率等級介于2～3之間,主要為人為采空沉陷、巖溶塌陷引起的滑坡、失穩(wěn)破壞;中運河風險率為中等,風險率等級介于3～4之間,主要為輸水渠道的滲漏、地裂縫滑坡等;里運河、高水河風險率為較低.運西線徐洪河風險率等級為中等,存在地裂縫引發(fā)滑坡的可能;新通揚運河、三陽河、潼河、金寶航道、三河以及不牢河風險率等級均較低.出南四湖后,由梁濟運河輸水至東平湖,由于地面沉降及巖溶塌陷的作用,易存在滑坡、失穩(wěn)破壞,且存在可液化土層,梁濟運河風險率等級為較高.濟平干渠、濟南～引黃濟青段風險率較低,濟平干渠全線全斷面采用高性能砼板防滲和多功能的排水設施,基本解決了穿越區(qū)濕陷性黃土狀土層的滲漏、失陷變形以及邊坡穩(wěn)定等問題.在風險率評價的基礎上,對輸水河道失效后果進行評價.輸水河道失效后果評價主要考慮河道的輸水能力損失及工程經濟損失,兼及其他功能如飲用水源、航運、灌溉、行洪等.工程在南四湖以南采用運河線、運西線并聯(lián),南四湖以北采用串聯(lián)結構輸水,并聯(lián)模式較大地提高了輸水系統(tǒng)的運行安全性.將河道工程風險概率等級及失事后果投影在風險圖中,可知梁濟運河風險較高,中運河、韓莊運河風險為中等,徐洪河、里運河及高水河風險為較低,其余輸水河道段風險等級均為低.穿黃工程為南水北調東線控制性工程,主要包括穿黃隧洞以及進出口閘門、埋涵等工程.由于工程水文、地質條件復雜,國內外尚無先例可循,隧洞突水、突泥以及圍巖穩(wěn)定問題則主要依托穿黃勘探試驗洞的工程運行情況進行分析.對探洞的防滲阻水工程失事機理及運行工況進行分析,認為穿黃隧洞發(fā)生突水、圍巖穩(wěn)定性下降可能性較高;進出口閘門、灘地埋涵等工程失事風險率較低.由于隧洞涌水可能產生滲流沖刷堤基威脅黃河大堤安全,遭成險工岸垮堤,失事后果重大,風險較高.5調度運行影響分析東線工程蓄水系統(tǒng)主要指沿線天然蓄水湖泊.界定蓄水系統(tǒng)的工程運行風險為天然湖泊堤防失事,不能滿足規(guī)劃調蓄功能的要求.因此,除荷載情況需添加風浪作用外,上述輸水河道工程運行風險評價層次結構圖(圖5)亦適用于蓄水工程風險分析.蓄水系統(tǒng)水情工情較南水北調東線工程建設前有較大改變.工程建設前蓄水系統(tǒng)的運行主要分為汛期及非汛期,工程運行期間則主要為汛期和輸水期.根據(jù)南水北調東線一期工程調度運行方案可知,蓄水系統(tǒng)汛期工況較之前改變甚微,而輸水期則意味著湖泊堤防將長期遭遇高水位浸泡.蓄水系統(tǒng)運行風險率計算方法與輸水河道相似,汛期失事后果分析主要參考湖泊歷史出險情況及經濟損失,輸水期失事后果分析主要參考江水北調運行期、南水北調東線工程試運行階段的湖泊險情及輸水損失,并分析非汛期和輸水期工況改變對調輸水的影響.分析結果表明:在汛期洪澤湖風險較高,風險率等級介于2～3之間,主要表現(xiàn)為行洪期間的風浪漫溢及滲透失事;南四湖及東平湖風險中等;駱馬湖風險較低.與未建設南水北調工程的情況相比,由于工程建設過程中對穿堤涵閘及其他建筑物進行重建或加固,對蓄水湖泊的部分險工段進行防滲處理,在汛期同樣工況情況下,風險等級均有一定程度的降低.在輸水期間,湖泊堤防將長期遭遇高水位浸泡,洪澤湖和南四湖的風險為中等,洪澤湖蓄水工程風險主要表現(xiàn)為滲漏造成的輸水效率降低以及堤防的滲透失事,南四湖蓄水風險主要表現(xiàn)為高水位運行條件下采煤沉陷段堤防產生新的沉陷.東平湖和駱馬湖的風險均為較低.6防洪工程措施由于提水系統(tǒng)的大型泵站是南水北調東線的核心工程,其安全性是保障東線工程按設計暢通運行的重要保障.根據(jù)南水北調東線提水系統(tǒng)的風險評價結果,制定如下提水系統(tǒng)的風險控制技術及對策:注重泵站系統(tǒng)的巡視、維護和保養(yǎng);進一步完善泵站樞紐管理體制;提高泵站自動化程度,保障工程效益發(fā)揮;定期進行地基監(jiān)測,保障泵站的工程安全;提高泵站樞紐管理人員的素質,降低人為技術風險.通過以上風險管理措施,有效規(guī)避和降低泵站的失效風險,保障泵站的安全運行.輸水河道風險主要影響因素為人為穿堤采煤及地下水開采.針對堤防工程中存在的風險,提出采取非工程措施和工程措施并舉的方法降低堤防的工程失效風險.主要的非工程措施有:劃分堤防安全等級;落實穿堤采煤報批手續(xù),事前在預沉區(qū)內采取應對措施,確保堤防安全及完整;嚴禁河道內無序采砂改變河道水流、水力條件;加強信息化建設,及時獲得水情信息;實施堤防工程安全實時監(jiān)測系統(tǒng)等.主要的工程措施有:復合堤頂高程,對堤防進行加固、提高;當遭遇滲透風險時,提高堤身和堤基抵抗?jié)B透破壞的能力,同時降低滲流的破壞能力;當遭遇邊坡失穩(wěn)風險時,采用“上部削坡與下部固腳壓重”,對因滲流作用引起的滑坡,采取“前堵后排”的工程措施.對穿黃工程而言,需加強工程安全檢測,定期進行加固處理,確保帷幕、襯砌等防滲阻水工程處于最佳阻水狀態(tài);加強區(qū)域地下水檢測,控制巖溶水的開采等.蓄水系統(tǒng)主要風險控制對策為:進一步落實河道險工段及在建工程的防汛責任;提高流域排洪通道防洪標準,減小防洪工程實際防洪泄洪能力與設計標準間差距;及時全面掌握防洪工程運行情況,扎實做好水閘工程維修,確保啟閉靈活,運用自如;加快對采煤沉陷段應急處理及加固進程,確保堤防安全及完整;改進洪水預報方法,不斷提高預報速度和精度.進一步完善搶險預案,落實搶險物料、隊伍等度汛措施,明確防汛責任等等.7工程事件危害風險本文將南水北調東線工程分解為提水、輸水和蓄水三大系統(tǒng),結合層次分析法和模糊綜合評價法建立了各系統(tǒng)工程運行風險因子識別體系和評價結構模型.對東線一期工程運行風險進行了定性與定量計算.南水北調東線工程提水系統(tǒng)13級梯級泵站中,淮陰樞紐的風險性最高,風險等級為中等,其余梯級樞紐風險等級均較低;輸水系統(tǒng)中梁濟運河風險較高,中運河、韓莊運河風險為中等,徐洪河、里運河及高水河風險為較低,其余輸水河道段風險等級均為低.穿黃工程穿黃隧洞發(fā)生突水、圍巖穩(wěn)定性下降可能性較高,進出口閘門、灘地埋涵等工程失事風險率較低;蓄水系統(tǒng)在汛期洪澤湖風險較高,南四湖及東平湖風險中等,駱馬湖風險較低.在輸水期間,湖泊堤防將長期遭遇高水位浸泡,洪澤湖和南四湖的風險為中