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三峡工程溃坝的巨大量化风险-严重违背国际通行的风险量化标准(3)

已有 3545 次阅读 2017-3-11 04:34 |系统分类:观点评述| 三峡工程

三峡工程溃坝的巨大量化风险-严重违背国际通行的风险量化标准(3)

谈到B类危险的可靠度分析,这里简单介绍一下土木工程自19世纪以来的设计哲学变革的背景,第一阶段的设计方法是基于确定性思维的安全系数法,用构件的断裂强度除以典型工作荷载得到一个大于1的安全系数,这个安全系数在规范中的取值大小乃根据于具体结构种类的实际经验而来,之所以说是确定性思维是因为各种不确定性分析被一个基于经验的、理论数值上含糊不清的安全系数所包揽和代替。安全系数法的一个严重缺陷是安全系数的大小与工程的失事概率大小没有直接的联系,假如取两个具体的大坝比较,安全系数大的那个大坝其失事概率反而有可能会更大。这一阶段的工程师由于没有受过不确定性、工程风险、和工程的统计概率等训练,其确定性思维所犯的一个典型错误就是认为只要安全系数足够高,就能保证工程千年万年不垮。

第二阶段是基于不确定性思维的半概率法,1950年代首先在钢结构领域开始出现,在收集大量荷载和材料强度的统计数据之后,用概率方法进行结构极限状态分析,在保证结构达到一个可接受的目标失事概率后,推导出规范中相应的“分项安全系数”,以便于习惯于安全系数的工程师使用,之所以还称为半概率法,就在于规范中的“分项安全系数”是针对某一类建筑物设置的,而对某一个具体的建筑物其失事概率离目标有可能出现大偏差。这一方法由于采用不确定性思维,运用概率和统计手段,且使用方便,迅速被土木工程绝大多数专业规范所采用,一个例外是岩土工程,由于统计数据的不足和应力分析的复杂,半概率法在岩土领域的进展相当缓慢。

第三阶段是全概率法,不使用任何人为的“分项安全系数”,而是对具体工程根据收集到的荷载和材料强度用概率方法进行结构安全分析,这种方法由于代价昂贵一般只用于涉及重大安全的工程项目。

三峡大坝主要的结构稳定设计采用的是第一阶段基于确定性思维的安全系数法,也就像其它的水坝设计一样没有对大坝风险进行量化分析,虽然陆续有一些对三峡工程局部问题进行可靠度分析的研究(都缺失了模型的敏感度分析),但没有见到有对三峡工程整体风险进行量化分析的发表,本文尝试在此作一初步的量级估计以得到三峡大坝年失事概率大致的下限范围,也就是最乐观估计范围。

三峡大坝的两个主要极端荷载是洪水和地震。首先从三峡大坝防洪安全来看,三峡作为河道型水库,其库容比坝址处年径流量小很多,不仅防洪能力有限,而且面临相对大的漫顶风险。由于洪水预测过小而导致大坝设计能力不足最终失事的例子不少,直接的例子就有美国的SOUTHFORK, 巴西的OROS, 印度的MACHHUS II等。上个月在美国加州造成大恐慌撤退的Oroville大坝,设计时由世界一流的水文学家进行洪水重现期预测,结果就在10年的施工期内,大坝就遭遇了两个千年一遇,一个万年一遇洪水。

三峡工程设计的依据是按千年一遇9.88万立方米流量设计,可能最大洪水(MPF)按万年一遇11.3万立方米加10%校核,大坝最大泄洪流量为每秒11.6万立方米。这里直接取用一个根据历史洪水数据得到的洪水预测结果有两个潜在的问题,一是得到的预测流量没有考虑上游强震区域溃坝带来的巨大洪水增量的风险(年发生概率大致在~10-5到10-4量级之间),二是就长周期的流量预测来说,其结果的不确定性要考虑到统计模型的敏感度,例如一个改进的洪水模型显示其预测的三峡百年一遇洪水量即相当于传统模型得到的千年一遇洪水量(Liu et al, 2010)。

关于三峡漫顶风险的文献基本没有,有一个根据三峡校核洪水进行理想化模拟得到的漫顶概率为1.12%Xiong, 1996),若依此乐观结果为参考,那么仅考虑校核洪水得到的年漫顶概率大致是~10-6量级,加上比万年一遇更长重现期的所有洪水事件漫顶概率,以及考虑泄洪能力的不确定性因素(如闸门老化失灵),总的年漫顶概率将会接近~10-5量级(不考虑C类危险中的水库运行人为失误因素)。如果将前述两个潜在问题再考虑进来,三峡大坝的年漫顶概率大致在10-5和最大泄洪量的重现期概率10-4之间(可以通过MONTE CARLO法进行具体数值验证),这个估计也接近于其它大坝漫顶风险研究的结果。

                                                                    (续)




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