南水北調(diào)東線(xiàn)三大系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子識(shí)別與分析

南水北調(diào)東線(xiàn)三大系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子識(shí)別與分析

1水系地形地貌南移工程是緩解中國(guó)北方水資源短缺的重要節(jié)水工程，涉及長(zhǎng)江、淮河、黃河和清河四個(gè)流域。東線(xiàn)一期工程主要從揚(yáng)州附近長(zhǎng)江干流取水,輸水北送,出東平湖后分為兩路:一路在位山穿越黃河后,路經(jīng)小運(yùn)河等自流至德州大屯水庫(kù);另一路向東開(kāi)辟山東半島輸水干線(xiàn)至威海米山水庫(kù)。調(diào)水線(xiàn)路總長(zhǎng)達(dá)1466.50km,其中長(zhǎng)江至東平湖1045.36km、黃河以北173.49km、膠東輸水干線(xiàn)239.78km、穿黃河段7.87km。南水北調(diào)東線(xiàn)一期工程預(yù)計(jì)在“十一五”末將建成通水,未來(lái)運(yùn)行將受到各類(lèi)不確定性因素的影響,任何不確定因素引發(fā)的事件都會(huì)造成極為惡劣的后果。因此,為避免或減少風(fēng)險(xiǎn)造成的損失,有必要采用運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管理。2單元風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模式針對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程特點(diǎn),存在兩種風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模式:(1)階段性風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模式,即將輸水系統(tǒng)按工程實(shí)施階段劃分,采用系統(tǒng)分析方法對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別;(2)單元風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模式,由于長(zhǎng)距離輸水工程沿途建筑物型式及種類(lèi)較多,可以將其按照工程單元進(jìn)行分解,然后對(duì)各類(lèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐層分解,找出可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn),分析各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)的影響因子,形成樹(shù)狀風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模式。根據(jù)南水北調(diào)東線(xiàn)工程運(yùn)行特點(diǎn),本文將采用單元風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模式,運(yùn)用層次分解法對(duì)東線(xiàn)運(yùn)行時(shí)的工程風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行識(shí)別。南水北調(diào)東線(xiàn)工程主要利用泵站工程系統(tǒng)從長(zhǎng)江引水,通過(guò)現(xiàn)有河道雙線(xiàn)輸水,利用沿線(xiàn)四大湖泊進(jìn)行庫(kù)容調(diào)節(jié),穿過(guò)黃河后,自流到北方地區(qū)。本文將東線(xiàn)工程分成三大系統(tǒng):提水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)和蓄水系統(tǒng)。2.1提水系統(tǒng)出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)綜合泵站系統(tǒng)提水效率和泵站系統(tǒng)工程安全兩方面,東線(xiàn)提水系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因子識(shí)別結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。一期工程主要由新建的21座泵站及江蘇省現(xiàn)有的13座泵站,共160臺(tái)套裝機(jī)構(gòu)成。考慮本以識(shí)別影響東線(xiàn)工程正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)因子,故界定提水系統(tǒng)出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)特指由于內(nèi)因和外因引起的提水系統(tǒng)的提水水量不能滿(mǎn)足規(guī)劃要求,即:在受水區(qū)有需水要求時(shí),提水系統(tǒng)不能滿(mǎn)足水量要求,對(duì)部分自身存在防洪要求的泵站,在受到洪水沖擊時(shí),不能正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。因此,主要從以下兩個(gè)方面分析提水系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因子。2.1.1水泵提水效率影響因素分析在水泵運(yùn)行過(guò)程中,出水量的變化、水泵需要揚(yáng)程的變化、電壓波動(dòng)、水泵陳舊等均可使系統(tǒng)提水效率發(fā)生變化,總體來(lái)說(shuō),可以歸納為3個(gè)方面:運(yùn)行條件、設(shè)備質(zhì)量、技術(shù)狀況。運(yùn)行條件對(duì)泵站提水效率的影響主要表現(xiàn)為:(1)攔污清污設(shè)備。泵站進(jìn)水流道前設(shè)置攔污柵攔截污物,攔污柵及污物阻力形成柵前后水位差,水頭損失造成揚(yáng)程改變,從而影響泵站提水功率。(2)進(jìn)流漩渦。前池水位低,來(lái)流有旋時(shí),葉輪需要克服反旋或利用正旋做功,揚(yáng)程增大(反旋)或減小(正旋),而流量變化不大,因此,水力功率隨之增大或減小,而水泵出口能量基本不變。設(shè)備質(zhì)量影響泵站提水效率主要表現(xiàn)為:(1)電網(wǎng)電壓波動(dòng)。電網(wǎng)電壓波動(dòng),端部電壓低于額定電壓時(shí),電動(dòng)機(jī)額定輸出功率減小。如果額定電壓時(shí)電動(dòng)機(jī)處于滿(mǎn)負(fù)荷工作狀態(tài),則降壓后就會(huì)過(guò)載,影響泵站提水效率。(2)設(shè)備老化、磨阻增加。根據(jù)江蘇省江水北調(diào)近40年的運(yùn)行現(xiàn)狀來(lái)看,泵站系統(tǒng)存在一定程度的老化現(xiàn)象,電機(jī)功率在運(yùn)行過(guò)程中存在一定程度的衰減。技術(shù)狀況對(duì)泵站提水效率表現(xiàn)為:(1)水泵特性誤差。通常水泵葉片角度越大,軸功率越大。制造安裝、調(diào)節(jié)顯示造成水泵葉片角度誤差,同時(shí)葉片形狀誤差也會(huì)造成水泵實(shí)際性能與設(shè)計(jì)性能的差異。(2)管理、維護(hù)狀況。根據(jù)調(diào)查,泵站的年運(yùn)行時(shí)間在10~150d/年不等,平日對(duì)泵站管理和維護(hù)十分重要,例如:淮安三站規(guī)定運(yùn)行滿(mǎn)5年或12000h后,進(jìn)行檢修,每年進(jìn)行定期狀態(tài)檢修,汛期前進(jìn)行安檢。若有關(guān)管理部門(mén)不能及時(shí)對(duì)泵站進(jìn)行管理、維護(hù),則易造成泵站工況點(diǎn)變化,影響提水效率。2.1.2按水泵流量和流量確定,建立站身防洪的一個(gè)布南水北調(diào)東線(xiàn)工程部分泵站需要具有一定的防洪功能,以保障其在汛期的正常運(yùn)行。影響泵站工程安全的主要有河道洪水水位和河堤堤高2個(gè)因素。在泵站系統(tǒng)中,建立站身防洪的泵站有:淮安四站、金湖、泗陽(yáng)、劉老澗二站、睢寧二站、皂河二站、邳州站、劉山、臺(tái)兒莊、解臺(tái)、韓莊、二級(jí)壩、八里灣、淮安二站、皂河一站。建立防洪圈堤的有:寶應(yīng)、洪澤、萬(wàn)年閘、長(zhǎng)溝、鄧樓。對(duì)修建引水渠的泵站而言,影響其安全運(yùn)行的因素主要是洪水漫堤威脅泵站安全性;對(duì)其他類(lèi)型而言,工程安全的風(fēng)險(xiǎn)因子主要為河道最高洪水水位。2.2全穩(wěn)定性故障輸水系統(tǒng)主要由沿線(xiàn)的河道和穿黃隧道組成。輸水系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)主要考慮河道堤防的安全穩(wěn)定性出現(xiàn)故障,不能滿(mǎn)足其規(guī)劃的輸水功能,從而影響輸水河道功能,其主要失事模式有:漫堤失事、滲透失事和失穩(wěn)失事3種;對(duì)穿黃隧道而言,主要考慮隧道工程安全性出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn),不能滿(mǎn)足隧洞輸水要求。南水北調(diào)東線(xiàn)輸水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子識(shí)別結(jié)構(gòu)如圖2所示。2.2.1洪水與防洪工程高度輸水河道系統(tǒng)的漫堤失事是由于河道堤防高度不足或堤前洪水位過(guò)高造成洪水漫過(guò)堤防引起潰堤失事。因此,影響輸水系統(tǒng)漫堤失事的主要風(fēng)險(xiǎn)因素為:洪水水位與堤防高度。具體來(lái)說(shuō),引起堤防高度不足的可能性有:(1)工程級(jí)別等級(jí)較低,設(shè)計(jì)的堤防高度未能防御河道的洪水;(2)堤防設(shè)計(jì)高度足夠,但在運(yùn)行過(guò)程中,由于地基等因素造成堤防沉降,導(dǎo)致堤防高度不達(dá)標(biāo);(3)施工偷工減料,工程質(zhì)量未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。影響洪水水位的主要因素有:(1)強(qiáng)降水條件導(dǎo)致的超設(shè)計(jì)洪水水位;(2)河道淤積導(dǎo)致在相同頻率下水位抬高;(3)河道存在阻水障礙物,縮小了河道的泄洪能力,使得洪水水位抬高。2.2.1.滲透力影響分析滲透破壞在堤防工程失事中較為普遍。滲透破壞主要是由于水體的滲透坡降大于土體臨界坡降值,在滲透力的作用下,堤防發(fā)生滲透變形,造成滲透破壞。影響滲透失事的主要風(fēng)險(xiǎn)因子有:堤防坡降和臨界比降。影響這兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子的主要因素有:堤身斷面大小、材料透水性,其中材料透水性與堤身材料的孔隙比、粘粒含量、干密度、顆粒級(jí)配等有關(guān)。2.2.1.響應(yīng)面對(duì)崩岸的影響失穩(wěn)失事是指河道河堤發(fā)生崩岸、滑坡等,主要是由于堤腳空虛或是堤基松軟而產(chǎn)生的大塊土體移動(dòng)。不同的失穩(wěn)形式,影響的外在因素各有不同。對(duì)滑坡來(lái)講,暴雨是導(dǎo)致滑坡的重要外在因素,水流沖刷力是導(dǎo)致崩岸的主要外在因素。影響失穩(wěn)失事的內(nèi)部因素主要指土體的物理參數(shù),包括容重、滲透系數(shù)、土體沉積強(qiáng)度指標(biāo)等。據(jù)調(diào)查,東線(xiàn)范圍內(nèi)在丘陵地區(qū)的邊坡有發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn),東線(xiàn)沿線(xiàn)主要利用現(xiàn)有河道,大部分未進(jìn)行護(hù)坡,為自然堤岸,部分河段有河岸坍塌災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。2.2.2水泵的取水需求穿黃隧道的風(fēng)險(xiǎn)主要界定為由于隧道安全性出現(xiàn)故障,不能滿(mǎn)足輸水需求。因此,穿黃隧道的風(fēng)險(xiǎn)因子主要有幾個(gè)方面:工程本身引起的風(fēng)險(xiǎn)(例如:隧道突水、突泥等),以及工程外在因素引起的風(fēng)險(xiǎn)(例如:頂部地面塌陷、穿越煤層開(kāi)采地區(qū)地基塌陷等)。2.3天然湖泊防洪工程措施南水北調(diào)東線(xiàn)工程的蓄水系統(tǒng)主要指輸水沿線(xiàn)包括洪澤湖、駱馬湖、南四湖和東平湖在內(nèi)的四大天然湖泊。東線(xiàn)工程的調(diào)水運(yùn)行引起沿線(xiàn)湖泊蓄水位的升高?？紤]到主要以識(shí)別工程風(fēng)險(xiǎn)因子為目的,故將蓄水系統(tǒng)的工程風(fēng)險(xiǎn)界定為天然湖泊堤防失事,從而引起不能滿(mǎn)足規(guī)劃要求的調(diào)蓄功能。因此,本文2.2節(jié)中分析的輸水系統(tǒng)中河道堤防的3種失效模式及其影響因素同樣適用于湖泊的工程風(fēng)險(xiǎn)因子分析。3關(guān)于失穩(wěn)事故的風(fēng)險(xiǎn)本文將南水北調(diào)東線(xiàn)工程劃分成三大系統(tǒng):提水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)和蓄水系統(tǒng),根據(jù)這三大系統(tǒng)的不同特點(diǎn),結(jié)合該工程運(yùn)行的實(shí)際情況,對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行識(shí)別。需要指出的是南水北調(diào)東線(xiàn)工程龐大,在對(duì)東線(xiàn)工程不同地段進(jìn)行多風(fēng)險(xiǎn)因子分析時(shí),將根據(jù)各空間段的實(shí)際工程情況,考慮主要可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)南水北調(diào)東線(xiàn)輸水系