李嘯嘯，馮永祥

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，610056）

0 引言

錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣和木里縣境內(nèi)雅礱江干流上，是雅礱江干流中下游水電開發(fā)的控制性水庫梯級。大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高305.0 m，是目前世界已建成運行的第一高壩。錦屏一級水電站地處深山峽谷地區(qū)，地質條件復雜，具有特高拱壩、特高水頭、特高邊坡、高山峽谷、高地應力和深部卸荷等“五高一深”的技術特點，工程規(guī)模和技術指標遠超現(xiàn)行拱壩設計規(guī)范界定范疇，大壩建設難度與復雜性均超越現(xiàn)有認知水平。如何保障大壩在高水頭、高地應力和強震等復雜環(huán)境條件下長期安全穩(wěn)定運行，是目前大壩運行安全管理面臨的重大挑戰(zhàn)。

雅礱江公司高度重視大壩安全管理工作，統(tǒng)籌考慮大壩工程安全與社會公共安全。通過識別分析錦屏一級大壩運行安全風險，組織開展風險管控關鍵技術研究，建立大壩運行安全風險管理體系，有效實現(xiàn)風險管控，為公司大壩安全管理科學決策提供了技術支持[1-2]。

1 大壩運行安全風險識別

大壩運行安全風險識別是風險管理的基礎環(huán)節(jié)。風險識別包括對風險事件、引發(fā)因素和范圍的確定[1]，大壩運行安全風險識別主要任務是確定主要影響因素及潛在失事模式和路徑。

1.1 主要風險因素

錦屏一級大壩運行安全風險影響因素可概括為工程因素、人為因素和環(huán)境因素3個部分[1,5-7]。

工程因素主要表現(xiàn)在大壩防洪設防標準不足、壩體質量較差等方面。大壩在勘察、設計、施工過程中，由于地質條件勘察不明、設計不合理、局部質量控制不嚴等，在外部不利動荷載作用下可能發(fā)生局部壩基變形、壩體開裂和邊坡滑坡等事故。

人為因素主要表現(xiàn)在管理問題和非工程措施不完善等方面。在大壩安全管理工作中，監(jiān)測設施運行維護不到位會影響監(jiān)測數(shù)據(jù)準確采集，不能及時反映大壩運行性態(tài)；泄洪設施維護不當可能導致泄洪建筑物不能正常泄洪或閘門不能開啟，以致洪水漫壩及荷載超過設計荷載，并可能疊加其他缺陷因素導致壩體失穩(wěn)；應急預案編制不符合實際等。

環(huán)境因素包括自然環(huán)境因素和社會環(huán)境因素。自然環(huán)境因素包括超標準洪水、特大暴雨、超設計標準地震、重大地質災害、上游大體積漂移物堵塞或撞擊泄洪建筑物等；社會環(huán)境因素包括戰(zhàn)爭、恐怖襲擊等[1]。

1.2 失事模式和路徑

分析國內(nèi)外水庫電站大壩失事案例，混凝土壩潰壩模式多表現(xiàn)為漫頂、大壩結構破壞等（約占總潰壩案例的85%[8]）。結合錦屏一級大壩實際運行情況，大壩潛在失事模式包括漫壩、拱肩破壞、壩體破壞和壩基破壞。在超標準洪水、地震、結構施工及設計不足等因素下，失事路徑可主要概括為以下4種情況（具體原因及事件導致失事路徑可進一步細化）：（1）大壩泄洪設施故障或泄洪能力不足，水庫水位快速上升，造成漫頂；（2）大壩結構應力超限、止水破壞或大體積物體撞擊，造成壩體結構破壞；（3）壩基受基巖疲勞破壞、揚壓力異常和軟弱面開裂等影響，造成壩基破壞；（4）拱肩巖體（邊坡）失穩(wěn)，造成拱肩破壞。根據(jù)發(fā)展過程，上述失事模式和失事路徑可能產(chǎn)生不同等級的失事后果，嚴重的將導致大壩潰決。

各種風險影響下，錦屏一級大壩從出現(xiàn)險情到潰壩均存在中間發(fā)展過程，其中在遭遇超抗震設防標準地震和戰(zhàn)爭打擊的情況下，可能會出現(xiàn)快速潰壩風險，可能的潰決形式是壩體與壩基產(chǎn)生錯動，在壩基形成過流通道，大幅降低壩體的穩(wěn)定性，加上壩體結構破壞產(chǎn)生的壩體開裂等，在壩上游強大的水壓力作用下，壩體局部出現(xiàn)滑動或缺口，最終導致壩體大范圍滑動、坍塌后發(fā)生大壩潰決。

2 大壩運行安全風險管控關鍵技術

基于錦屏一級大壩風險因素識別情況，雅礱江公司依托多課題研究成果，開展了大壩運行安全風險管控關鍵技術研究，建立了包括多源信息感知、分析、預警、應急處置的完善的風險管控體系。

2.1 信息感知

錦屏一級大壩設有全面的安全監(jiān)測項目，在傳統(tǒng)儀器、傳感器技術基礎上，探索研究GNSS、無人機和人工智能等技術以實時感知大壩運行性態(tài)和環(huán)境風險因素等多源信息。

（1）GNSS：針對錦屏一級大壩、庫區(qū)滑坡體（變形體）位移實時、動態(tài)、全天候監(jiān)測預警需要，以北斗/GPS雙星系統(tǒng)融合的高精度平面位移變形監(jiān)測技術為基礎，通過改進北斗/GPS數(shù)據(jù)質量控制方法，建立環(huán)境自適應模型，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法，研發(fā)了GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)。其中，自主研發(fā)的高精度接收機實現(xiàn)了毫米級載波相位觀測、大容量存儲、多個通訊接口和多種傳輸協(xié)議功能；自主研發(fā)的高精度測量天線涵蓋了BD（B1、B2）和GPS（L1、L2）雙星四頻，滿足目前測量設備多系統(tǒng)兼容的需求；布設在監(jiān)控中心的信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和顯示，最終實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理、管理、災害監(jiān)測與預警等。

（2）無人機+智能圖像識別：通過無人機進行邊坡圖像采集，利用局部特征匹配算法（SIFT、SURF等），實現(xiàn)多圖層（地形坡度、植被發(fā)育、結構面、巖體松動）數(shù)字信息融合的3D大場景重建；采用深度學習目標識別網(wǎng)絡框架，在多圖層融合建模實現(xiàn)目標物的識別、分類和分割（見圖1）；在高清語義信息庫中，實現(xiàn)快速、智能分析邊坡安全隱患（危巖體分布、不穩(wěn)定區(qū)等），并對邊坡安全穩(wěn)定性進行評價與預警。

圖1 邊坡危巖體實例分割（智能圖像識別）Fig.1 Segmentation of the unstable rock mass in slope(intelligent image recognition)

（3）流域水情自動測報：雅礱江流域水情自動測報系統(tǒng)由遙測站和中心站組成。中心站是系統(tǒng)的功能集成地，負責信息接收處理、數(shù)據(jù)庫管理及為水情預報和信息服務提供軟硬件平臺；遙測站布設在流域現(xiàn)場，包括水文（位）站、雨量站和自動氣象遙測站等，覆蓋范圍占雅礱江全流域的75.7%。該系統(tǒng)能準確、及時地收集水雨情信息，完成長、中、短期水文預報，為現(xiàn)場水情測報、水庫調(diào)度等提供決策支持（見圖2）。

圖2 水情自動測報系統(tǒng)工作流程Fig.2 The automatic hydrologicalforecasting syst em workflow

（4）地震監(jiān)測：雅礱江公司按照法規(guī)要求建設了流域微震監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了流域梯級電站水庫地震臺網(wǎng)與國家臺網(wǎng)的統(tǒng)籌規(guī)劃、資源共享。系統(tǒng)由數(shù)字遙測地震臺站、數(shù)據(jù)傳輸信道、中繼站和臺網(wǎng)中心組成。錦屏庫區(qū)共設置20個臺站，監(jiān)測范圍覆蓋壩址下游5～10 km、壩址上游20 km和水庫兩側10 km區(qū)域，有效地震監(jiān)測下限為ML0.5級，震中定位精度優(yōu)于2 km。另外，在錦屏一級大壩上布置了22個強震觀測設備，對大壩等重要水工建筑物地震加速度進行觀測，實現(xiàn)了地震影響的快速評估，為抗震減災提供科學支持。

2.2 風險預警

（1）風險分級：雅礱江公司遵循“統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、分級管理，全面防范、重點監(jiān)控，持續(xù)改進、不斷完善”的風險管理基本原則和“全員參與、日常管理、及時準確”的執(zhí)行原則，綜合大壩工程安全等級和大壩潰決后果等級，將風險從高到低劃分為特別重大風險、重大風險、較大風險和一般風險4個等級，分別用Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級表示，對應Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級突發(fā)事件。具體分級標準按照行業(yè)標準DL/T 1901—2018《水電站大壩運行安全應急預案編制導則》進行設置。

（2）分級預警：在對大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)開展測值可靠性研判、安全監(jiān)控模型建立、監(jiān)控指標擬定、水工巡視檢查的基礎上，提出了錦屏一級大壩長期運行安全分級預警體系，將預警等級分為4級：Ⅰ級預警、Ⅱ級預警、Ⅲ級預警、安全運行（見圖3）。

圖3 錦屏一級大壩運行安全風險分級預警調(diào)控示意圖Fig.3 Hierarchical warning and control of the operation safety risk of Jinping I hydropower dam

3 大壩運行安全在線監(jiān)控

2015年，雅礱江公司聯(lián)合國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，以錦屏一級拱壩為試點，開展了特高拱壩安全在線監(jiān)控平臺課題研究。該課題研究了在線監(jiān)控關鍵技術問題，研發(fā)了集在線監(jiān)測管理、在線快速結構分析和在線安全綜合評判等功能于一體的特高拱壩安全在線監(jiān)控平臺。其中，在線監(jiān)測管理功能以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，對數(shù)據(jù)評判、反饋和檢查等各方面進行探索，建立了缺測數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)的自動識別和反饋系統(tǒng)，并能實時或定期對監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況進行評估；在線快速結構分析功能設計了拱壩快速結構分析工具的架構，建立拱壩缺陷快速建模技術；在線安全綜合評判功能研究了快速通過監(jiān)測信息識別結構異常的技術，得到了量值異常、趨勢異常和協(xié)調(diào)性異常的研究成果，通過產(chǎn)生式規(guī)則法進行多源信息融合評判。

大壩運行安全在線監(jiān)控技術實現(xiàn)了對大壩運行安全信息的實時分析，以及對大壩運行性態(tài)的實時評判，大幅提升了電站現(xiàn)場、公司及國家不同層面的大壩安全管理技術水平，是大壩運行安全風險管控的有效手段。目前，相關技術成果已在國家能源局大壩安全監(jiān)察中心監(jiān)管的大壩進行推廣應用，取得了預期效果。

4 流域應急管理

在開展大壩運行安全風險管控的同時，通過建立應急管理體系，對現(xiàn)場突發(fā)事件進行事前、事中、事后的全流程管理[2]。雅礱江公司緊密結合流域應急管理工作特點，建設了流域應急管理平臺，有效整合數(shù)字雅礱江、流域大壩信息和水情信息等多源信息，為應急管理提供決策支持。

為規(guī)范指導錦屏一級水電站防洪搶險應急工作，組織編制了《雅礱江錦屏一級水電站水庫防洪搶險應急預案》，提高了水庫防洪度汛工作中應對突發(fā)事件的能力。預案編制以最大程度確保人民群眾生命安全、減少生命損失為首要目標，體現(xiàn)行政屬地及公司分級負責、各司其職的預案責任體系，堅持重預警、早準備等預防為主的安全工作方針。每年汛前組織防汛搶險演習，以專題討論會、訓練、桌面演習和操作演習等形式開展，不斷對預案進行改進和完善。

5 結語

近年來，隨著風險理念的發(fā)展，大壩安全管理正從工程安全管理向工程風險管理發(fā)展。雅礱江公司高度重視錦屏一級大壩運行安全，開展了大壩運行安全風險分析，有效識別了大壩失事路徑與影響因素，通過建立完善的風險監(jiān)控管理體系，有效實現(xiàn)了大壩運行安全風險管控。

下一步，公司將圍繞大壩運行風險標準、風險評估和風險處理等難點問題進行研究，特別是流域梯級水庫電站群安全運行風險動態(tài)評估與控制方法，進一步綜合監(jiān)測、檢測等多源信息和數(shù)值仿真反饋信息，實時評估梯級水庫群的動態(tài)風險。