第３Ｏ卷 第１１期 Ｖｏ１．３Ｏ Ｎｏ．１１ ２００８缸 １１月 Ｎｏｖ．，２００８ 土石坝风险预警指标体系研究 马福恒 ，何心望 ，吴光耀 （１．南京水利科学研究院，江苏南京２１００２９；２．河南省燕山水库建设管理局，河南叶县４６７２２４；３．宁海县黄坦水库管理处，浙江宁海３１５６００） 摘要：风险预警指标体系与水库大坝的具体特点息息相关，针对土石坝的具体特点和工程实际，参照有关规范和法 规，详细介绍了土石坝风险预警指标的分类以及筛选条件和构建方法。在此基础上，结合大坝失事资料统计结果，分 析了影响土石坝安全的主要因素，将其失事模式主要分为洪水漫顶、渗透破坏、滑坡以及其他破坏等形式，从而建立 了土石坝的风险预警指标体系，并应用于实际工程中。 关键词：土石坝；风险；预警；指标 中图分类号：ＴＶ６９８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４５４８（２００８）１ １—１７３４—０４ 作者简介：马福 Ｉ￣（１９６９一），男，博士，高级工程师，主要从事大坝安全监控、安全评价和安全管理。Ｅ．ｍａｉｌ： ｍｆｈ８９１８＠】６３．ｔｏｍ。 Ｒｉｓｋ ｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｅａｒｔｈ ａｎｄ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍｓ ＭＡ Ｆｕ．ｈｅｎｇ ，ＨＥ Ｘｉｎ—ｗａｎｇ２ｗｕ Ｇｕａｎｇ．ｙａｏ （１．ＮａｎｊｉｎｇＨｙｄｒａｕｌｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００２９，Ｃｈｉｎａ；２．ＹａｎｓｈａｎＲｅｓｅｒｖｏｉｒＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＭａｎａｇｅｍｅｎｔＢｕｒｅａｕｏｆＨｅｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｙｅｘｉａｎ Ｃｏｕｎｔｙ ４６７２２４，Ｃｈｉｎａ；３．Ｎｉｎｇｈａｉ Ｈｕａｎｇｔａｎ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｎｉｎｇｈａｉ ３１５６００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ｃｌｏｓｅｌｙ ｒｅｌａｔｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ．Ｗｉｈｔ ｒｅｇａｒｄ ｔｏ ｓｐｅｃｉｉｆｃ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｄａｍｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｉｓｋ ｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｄｉｃｅｓ ｏｆ ｅａｒｔｈ ａｎｄ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍ，ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｔｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｗｉｔｈ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｒｅｌａｔｅｄ ｒｕｌｅｓ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ． Ｏｎ ｓｕｃｈ ａ ｂａｓｉｓ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｅａｒｔｈ ａｎｄ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｄａｍ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｍ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｍｏｄｅｓ ａｒｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｄａｍ ｃｒｅｓｔ ｓｕｂｍｅｒｓｉｏｎ，ｓｅｅｐａｇｅ ｄａｍａｇｅ，ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｄａｍａｇｅｓ．Ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｅａｒｔｈ ａｎｄ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅａｒｔｈ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍ；ｒｉｓｋ；ｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ；ｉｎｄｅｘ １ 预警指标的分类 大坝安全监控指标的诊断标准，详细研究土石坝变形 土石坝是采用最普遍的一种坝型，世界上土石坝 及渗流等的警兆指标。 占大坝总数的８２．９％，在中国土石坝数量占到大坝总 大坝风险预警的方式主要有指标预警法、统计预 数的９３％。由于土石坝风险预警系统错综复杂，危及 警法和模型预警法，其中指标预警法具有简单、实用 其安全的因素众多，既有内因也有外因，既有自然因 和快速的特点，是统计预警法和模型预警法的基础。 素也有人为因素。针对土石坝失事模式和破坏机理， 在研建大坝风险预警系统时，首先设计指标预警系统， 深入研究各关键警兆指标对土坝风险预警的影响，是 其次是分析统计预警系统，最后建立模型预警系统。 确定合理可行的风险预警指标体系的基础【ｌ Ｊ。 在这三套预警系统中，应以指标预警系统为基础，统 从预警系统的总体结构【２Ｊ（图１）可以看出，土石 计预警系统为重点，模型预警系统为补充。它们既相 坝风险预警指标的类型很多，从空间尺度看，主要有 对独立，又相互配合。但不论采用哪种方式进行大坝 宏观预警指标（如整个流域）、中观预警指标（如单个 风险的预警研究，选择和确定预警指标都是预警研究 库群）和微观预警指标（如单座大坝）；从时间尺度看， 主要有长期预警指标、中期预警指标和短期预警指标； 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（２００６ＢＡＣＩ４Ｂ０４）；河南 从预警指标的内涵看，主要有警情指标、警源指标和 省科技创新项目（ＹＳＳＫ—ＪＳ—ＪＡＯ一１３）；宁波市２００７年度重大科技攻关 警兆指标。其中，文献『ｌ－３］对警源指标进行了详细 项目（２００７Ｃ１１００３） 地研究。本文针对土石坝的特点及预警的要求，吸收 收稿日期：２００８—０９—０９ 第ｌ１期 层次雏空间维时问维预警指标维 马福恒，等．土石坝风险预警指标体系研究 １ ７３５ 的核心问题之一。 须全面利用定性和定量指标，从而全面反映大坝运行 的现状和趋势。此外，大坝安全是一个动态的系统， 因此对系统的动态变化过程进行监测评价，积累时间 系列信息，并依据监测信息的分析对系统总体变化趋 势进行评价和调控是实现大坝安全的关键。这要求指 标体系的构建需充分考虑动态与静态相结合，要求风 险预警指标及其评价标准应充分考虑动态性。 ２．２指标体系构建的方法 在大坝风险预警指标体系构建过程中，首先要进 图１预警系统的总体结构 Ｆｉｇ．１ Ｇｅｎｅｒａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 警源指标、警兆指标和警情指标密切相关、三位 体【ｌ】。警情指标是预警研究的对象，是大坝已存在 或潜伏着的问题；警情产生于警源，又必然要产生警 兆；根据警兆指标的变化状况，联系警兆的报警区间， 参照警素的警限确定和警度划分，并结合未来情况作 适度的修正，便可以预报警素的严重程度，即预报警 度；根据警素的警度，联系警源指标，采取相应的排 警措施，以便实现有效的排除警情。因此，大坝风险 预警系统要以警情为对象，以警源指标为依据，以警 兆指标为主体。 ２风险预警指标体系的构建 风险预警是监控大坝运行过程中出现的异常情 况，有助于保证大坝安全管理系统功能与秩序处于可 靠、可控的状态，为防止大坝失事提供一种管理模式 和决策方式。由于大坝安全监控指标是识别大坝所处 状态的科学判据，可为实现大坝风险预警提供技术保 障。由于大坝运行环境的复杂性、多变性，因此从监 测项目入手，设计大坝风险预警指标体系，同时根据 监测项目的内容及表现，按照监测量的特点及分类构 造大坝风险预警指标。 ２．１ 预警指标筛选的条件和原则 对大坝进行风险预警，单靠一个或几个指标往往 难以评价系统存在的问题与症结，因此需要建立评价 指标体系【１］。指标体系的科学与否直接决定着预警的 准确性，因此它是预警系统中的关键环节。 （１）大坝风险预警指标体系的确定依据。立足于 现有统计指标和数据，即使用统一、公认的各种指标 和以其为基础的变化量，便于中间结果、最终结果的 可比性。 （２）预警指标体系的确定原则。大坝风险预警系 统要求指标体系具有足够的涵盖面，能全面并综合地 反映构成大坝风险预警系统指标体系的各种要素。必 行触发大坝失事的隐患病害模式挖掘，找出大坝可能 的失事模式，对影响大坝安全的因素进行指标拟定， 般采用以下几个步骤： （１）层次分析。首先对大坝失事模式进行层次分 析，并根据实际情况，将其分为两个或三个层次，对 每个层次的指标进行初选。 （２）“海选”状态指标。即不受条件的限制，凡 是能够描述该层次状态的所有指标尽可能全面地一一 列出，其目的是全方位地考虑问题，防止重要指标（失 事模式）的遗漏。 （３）初步确立指标体系。初步确立指标体系就是 对“海选”的指标群（失事模式）进行初步筛选，筛 掉不适宜指标。首先根据专家经验和专业知识，断定 可以入选指标，此办法可以筛掉部分指标。然后进行 理论分析，去掉明显不符合该理论的指标；再利用频 度统计法选用使用频率较高的指标作为参选指标的种 子，从而初步确立指标体系。 （４）确立指标体系。初步确立指标体系后，还需 对指标体系进行最后一次筛选，其基本方法是独立性 分析和主成分分析，其目的是对指标间意义上有交叉 重复的指标再次选择或重组。所谓独立性分析就是在 计算各种指标相关系数的基础上，选择一定的阈值（通 常取大于０．９）作为标准，排除相关密切的指标，选用 相互独立的指标；主成分分析就是通过指标重组，仅 需选取少数几个主成分指标即可承载足够多的信息， 反映大坝安全状况。 ３土石坝风险预警指标体系 ３．１ 影响土石坝安全的因素 由于土石坝安全预警系统错综复杂，危及其安全 的因素众多，既有内因也有外因，既有自然因素也有 人为因素。针对土石坝失事模式和破坏机理，深入研 究各关键警兆指标对土石坝风险预警的影响，是确定 合理可行的风险预警指标体系的基础。 土石坝失事模式主要可分为洪水漫顶、渗透破坏、 滑坡及其他破坏等形式拉Ｊ。洪水漫顶是由土石坝高度 不达标、泄洪能力不够或超标准洪水造成的，涉及工 程等级的确定、设计洪水频率、土坝高度及设计洪水 岩土工程学报 ２００８缸 的计算等问题。土石坝渗流破坏主要与坝基和坝身的 材料特性及力学特性有关，如坝基及坝身填筑材料的 级配、黏粒含量、干密度、饱和度以及渗流系数等条 件有关。这些条件直接决定土坝渗流速度，由达西定 律知渗流系数越大越容易发生渗透变形，由砂土、砂 壤土等渗透系数较大的材料构筑的土坝较黏土、壤土 构筑的土坝易发生渗透变形；强透水性土基较弱透水 性土基易发生渗透变形和渗流破坏。影响边坡稳定的 主要内部因素为边坡条件，即土体的组成、土体的物 理力学性质、渗透特性等因素。高水位作用和降雨影 鱼 — 。响是岸坡稳定的主要外在因素，高水位和降雨均会引 起地下水位抬高，土坝被地下水长期浸泡后，土质会 饱和，呈软塑性，抗剪强度降低，常常引起边坡失稳。 此外土坝的位置、断面形式、坝身裂缝、生物洞穴和 人为空洞等隐患都对土坝边坡稳定有一定的影响。 ３．２土石坝风险预警指标体系 国［国［因［囱ｌ 里ｌ 本文从土石坝关键失事模式集入手分析预警指标 体系。选择洪水特性（洪峰、历时和预测预报成果的 可靠性）【４－ ，坝体特性（黏粒含量、干密度、土料级 配、饱和度、坝顶高程等），坝基特性（断层裂隙特性、 基岩岩性、透水性、基础处理等），外界荷载（水压荷 载、降雨强度、河势变化等），保护情况（工程等级， ４土石坝风险预警指标体系研究流程 根据上述土石坝三种主要失事模式的风险预警指 标体系网络结构，根据土石坝的实际情况，建立了土 石坝的风险预警指标体系，其研究流程主要包括大坝 土石坝渗流失事模式风险预警指标体系 外部条件 内部条件 坝身特性Ｉ 保护情况 Ｉ坝基特性ｌ ｌ Ｅ计Ｉ ｌ加固情况 水 位 值 图３土石坝渗透破坏模式风险预警指标体系网络结构 Ｆｉｇ．３ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｒｉｓｋ ｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｓｅｅｐａｇｅ ｄａｍａｇｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆｅａｒｔｈ ａｎｄ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍｓ 土石坝滑坡失事模式风险预警指示体系 内部条件 坝身特性ｌ ｌ坝基特性Ｉ Ｉ险情统计Ｉ ｌ加固情况 水 位 值 Ｉｆ Ｉ茎Ｉｌ霎Ｉｆ 《蓁Ｉ ｌ ｌＩ蓁ｌＩ蓁 图４土石坝滑坡失事模式风险预警指标体系网络结构 Ｆｉｇ．４ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｒｉｓｋ ｅａｒｌｙ—ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅａｒｔｈ ａｎｄ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍｓ 第１１期 马福恒，等．土石坝风险预警指标体系研究 １７３７ 一●ｊ ●ｉｉｉ！ｊ土石坝风险分析 ｊｊ ｒ－’ｊ ｒ’’ｊｊ●‘●●ｉ风险蓣警 ｉｊｊ 一 ｉ Ｅ 兰 兰塞 ｆ＿— ｌ 萎萎藿ｌ Ｉ随机有限元法ｌ ｌＩ｛ｌ 二．．．一．一．—＝二 二二 — ＝＝＝ｒ－］；一．一． ：！！！ 圈 ＝＿＝＿＝＃ ＝＝『 排序准则 降上 ［——［七＝＝。＝＝ｌ ＝＝＝＝＝＝＝＝一＝＝：＝＝＝＝＝＝＝＝一————————一 羹 匦 广ｉ磊面 广：＝二＝ｌ可接受风险ｌ 一＝ 一——————— ———］蜀罱 琢：； Ｉ；： 灾情动态评估Ｉ －Ｊ 应急预案制定 旨｝＝＝胃＝＝ 嚣蜀胃胃界 胃ｆ＝＝日：＝界＝ ＝＝＝＝ 冒冒＝万罱墨要至望墨虽签委星室墨墨蔓妻要窭墨互妻目 ： 图５土石坝风险预警指标体系研究流程图 Ｆｉｇ．５ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｆｏｒ ｒｉｓｋ ｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｅａｒｔｈ ａｎｄ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍｓ 病害模式挖掘、风险分析方法、预警系统的架构、警 兆辨识模型、降险减灾及应急预案等，具体见图５。 Ｙａｎ．Ｐｒｅ—ａｌａｒｍ ｆｏｒ ｈｅａｌｔｈ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏ－ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６：２５—２７． （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ５结 语 ［３］向 衍．高坝坝体与复杂坝基互馈的力学行为及其分析理 论［Ｄ】．南京：河海大学，２００５：９１—９３．（ＸＩＡＮＧ Ｙａｎ． Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆｈｉＩｇｈ ｄａｍａｎｄ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ 根据大坝安全预警指标体系的确定原则角度对预 警指标进行了分类，指出了预警指标筛选的条件和原 则以及指标体系的构建方法，构建了一套土石坝预警 指标体系。然而土石坝风险预警系统的建立和应用是 ｄａｍ ｎｄ ｉａｔｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅｏｒｙ［Ｄ］．Ｎａｎｊｉｎｇ：Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙ，ｔ ２００５：９１—９３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） 【４】 ＷＡＮＧ Ｄｏｎｇ， ＺＨＵ Ｙｕａｎ－ｓｈｅｎｇ．Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ 个复杂和庞大的工程，建立土石坝风险预警指标框 架体系只是重要的一步，后续还需要对预警指标的权 重、预警界限值、取值等进行分析处理，并根据结果 ｓｔａｔｅ—ｏｆ－ｈｅ－ｔａｒｔ ｏｆ ｉｒｓｋ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｆｌｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ［］．Ｊ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ，２００３，２３（２）：１ ５—２０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） 判断土石坝风险程度，发布预警信号，给出排警措施。 参考文献： 【１】马福恒．病险水库大坝风险分析与预警方法［Ｄ］．南京：河 海大学，２００６：６８—７０．（ＭＡ Ｆｕ－ｈｅｎｇ．Ｒｉｓｋ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ［５】ＭＡＮＧ Ｓｈｕ·ｈａｉ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｎ ｇｓｔａｎｄａｒｄ ｏｒｆ ｌｆｏｏｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｓａｆｅｙ ｏｆ ｔｄａｍ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９（５）： １９—２５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 【６】姜树海，范子武，吴时强．洪灾风险分析和设防标准的研 究［Ｒ］．南京：南京水利科学研究院，２００３：２４—２８．（ＪＩＡＮＧ Ｓｈｕ—ｈａｉ，ＦＡＮ Ｚｉ－、Ⅳｕ，ＷＵ Ｓｈｉ－ｑｉｎｇ．Ｒｉａｓｋ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｆｌｏｏｄ ｐｒｅ—ｗａｒｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄａｍｓ ｗｉｈ ｔｔｒｏｕｂｌｅｓ［Ｄ］．Ｎａｎｊｉｎｇ： Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００６：６８—７０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ｄｉｓａｓｔｅｒ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄｅｆｅｎｓｅ ｓｔａｎｄａｒｄ［Ｒ］．Ｎａｎｊｉｎｇ：Ｎａｎｊｉｎｇ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，２００３：２４～２８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） 【２】马福恒，向 衍．水工混凝土结构健康诊断的预警系统［Ｊ】． 水利水运工程学报，２００５，３：７—１２．（ＭＡ Ｆｕ－ｈｅｎｇ，ＸＩＡＮＧ
