专题论述

丰满水电站全面治理（重建）工程施工导流风险分析^[1]

¹卢政佐，¹胡志根，¹刘全，²齐志坚，²崔金铁，²王福运，³巩宪春 李旭光，⁴任文杰 喻文振

（¹武汉大学水利水电学院，湖北武汉，430072；²中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春，130021；³中水东北勘测设计研究有限责任公司；⁴武汉大学水利水电学院）

关键词：丰满水电站　导流方案比选　风险分析　多目标风险决策

1 工程概况

丰满水电站位于中国吉林省吉林市境内、松花江干流上，距吉林市24km。上游距白山水库250km，距红石水库210km，形成第二松花江3个梯级^［1］水库联合运行。丰满水电站是东北电力系统主力电厂之一，担负着调峰、调相、事故备用等任务。丰满水电站现总装机容量1004MW坝址以上流域面积42500km²。多年平均年径流量136.8亿m³，水库总库容107.8亿m³。原丰满大坝正常蓄水位263.50m，汛限水位260.50m，死水位242.00m，校核洪水位267.70m，即坝顶高程。丰满重建电站安装6台机组，单机容量200MW，6台机总装机容量1200MW，加上利用原来的三期电站装机容量280MW，本工程总装机容量为1480MW。枢纽建筑物由碾压混凝土重力挡水坝段、发电引水坝段、溢流坝段、右岸坝后式发电厂房及原三期发电厂房组成。

设计洪水的洪峰流量见表1。

工程治理重建期间，控制导流洞与三期厂房机组联合泄流的泄量，使其最大泄量不超过2500m³/s，利用水库控制水位和库容调蓄，保证大汛期导流标准以下洪水时原溢流坝不开闸，以满足工程施工要求。当施工洪水超出导流标准时，仍由原丰满大坝溢流坝段正常泄洪，以满足施工期度汛要求。

2 工程治理重建条件下导流方案及其风险率

2.1 施工导流方案

丰满重建工程为一等工程，工程规模为大（1）型。主要建筑物大坝为1级建筑物，坝后式厂房和开关站为2级建筑物，其他次要建筑物为3级，大坝施工、厂房施工的导流建筑物为4级建筑物，拟定10年一遇、20年一遇两个导流标准。为了减少施工期降低水库汛限水位带来的电量损失，根据丰满水库水情测报，可以测报未来0～15d的水情，采取提前临时预泄库水位，在导流建筑物规模不变的前提下，满足遭遇20年一遇洪水时，原大坝不开闸泄流，形成基于水情预报20年一遇、一次拦断导流方式方案；同时拟定全年10年一遇、20年一遇导流标准的导流方式（分期导流、一次拦断），形成5个导流风险分析方案，见表2。

2.2 施工导流风险率

利用Monte-Carlo方法模拟施工洪水过程和导流建筑物泄流，通过系统仿真方法进行施工洪水调洪演算，用统计分析模型确定施工导流的上游围堰堰前水位分布和导流系统风险。施工导流风险率计算分为两种工况，即不考虑随机因素和考虑水文随机因素和水力随机因素。

不考虑随机因素的计算工况为不考虑导流系统中存在的水文、水力等不确定性，洪水过程以导流方案的洪水的频率标准为准，为导流系统的风险分析提供参考。

考虑系统不确定性的计算工况计入水文系统的不确定性和水力系统的不确定性等因素，进行导流系统风险评估，测度当前导流标准及泄流建筑物组合条件下上游控制高程对应的风险。

本工程1991年典型洪水为两峰相当的双峰型洪水，次峰在前、主峰在后；而1995年典型洪水主峰在前、次峰在后。故需同时考虑两种典型洪水并对比取最大风险率。设计水位对应考虑随机模拟综合风险表如表3、表4所示。

3 施工导流多目标风险决策指标分析

就导流标准选择而言，处理风险、投资（或费用）与工期三者之间的关系，取决于两方面的约束，一方面是最大允许的施工进度要求，另一方面是最大允许投资费用的限制。因此，在进行导流标准决策时，要在决策者能够接受的风险范围内，协调处理确定性投资、导流围堰施工进度、超载洪水发生的导流建筑物损失及发电工期损失。导流标准决策的目标有导流标准重现期（动态风险率）、导流建筑物建设投资（确定性费用）、导流建筑物及工期综合风险损失（不确定性费用）、施工进度及施工工期。

3.1 施工导流的动态风险率

考虑水文、水力不确定性因素的影响，采用Monte-Carlo方法模拟施工洪水过程和导流建筑物泄流，统计分析确定上游水位分布，计算确定导流系统的导流风险R。因此，在挡水建筑物运行年限内，k年内遭遇超标洪水的动态风险R（k）为R（k）=1-（1-R）^k。

根据拟定方案的导流风险指标，对应的动态综合风险如表5所示。

3.2 费用分析

（1）确定性费用估算。该项费用包括挡水、泄水建筑物的施工费用及基坑的抽水和开挖费用。

对于本工程主要包括原大坝发电量损失和全面治理工程投资，包括挡水、泄水建筑物的施工费用及基坑的抽水费用。各导流方案的确定性费用见表6。

（2）不确定性总损失费用估算。在确定导流标准时，考虑到河道具有一定的行洪能力和导流建筑物本身也具有一定的预防基坑淹没的措施，本工程导流标准风险多目标决策分析不考虑下游淹没损失，即不计入不确定性间接损失；只计算不确定的直接损失，即基坑淹没后给基坑造成的损失，每一次超载洪水导致基坑淹没的风险损失Cr（n）可估算为

式中：Cr₁（n）为下游围堰重建费用；Cr₂（n）为工期损失导致推迟工程发电费用，其中发电损失使用贝叶斯统计方法，结合当前电价综合计算得到。

在围堰运行使用期内，超载洪水导致基坑淹没风险总损失为

式中：k为围堰运行使用年限；i为风险损失折算成工程投资概算基准年的折现率。

按上述计算可得丰满水电站不确定性损失费用见表7。

3.3 施工进度与施工工期分析

施工导流方案风险决策中，工程的总工期或发电工期的差异影响，在工程发电效益的计算中已经计入，因此在进行施工导流方案的风险决策时，应该充分考虑各导流方案与导流密切相关的技术指标，如方案涉及的度汛年度，该指标是导流工期的重要指标，表征施工导流可能历经风险的次数，综合反映导流度汛对施工组织带来的复杂程度，能较好地代表施工导流工期特征。

工程一次拦断导流方案与分期导流方案的工期指标比较，见表8。

4 导流标准风险多目标决策分析模型

4.1 多目标决策分析模型

设有m个导流标准的可行方案，每个可行方案有n个评价指标，则对于所有可行方案的评价指标特征矩阵为

在构造特征矩阵C时由于评价指标很难精确估计，具有不确定性和模糊性特征。同时，方案的择优，是对各备选方案集中元素之间的相对比较而言的，具有相对性。为了便于计算和优选分析，应对目标方案集的指标绝对量值转化为相对量。

假设目标方案i、评价指标j的隶属度r_ij，对于目标为越大越好，有

对于目标为越小越好，有

由此特征矩阵（3）可转化为对应的隶属度矩阵R，即

令Φ=（φ₁ ，φ₂ ，…，φ_n）=，称为正理想隶属度特征向量。

令Ψ=（ψ₁，ψ₂，…，ψ_n）=，称为负理想隶属度特征向量。

设备选方案评价指标的权重为ω₁，ω₂，…，ω_n，并令特征向量R_i为

分别称L^（1）（R_i，Φ）、L^（2）（R_i，Ψ）为备选方案i的正理想距离和负理想距离。

对于各备选方案i，设μ_i（v_i）为从属于正（负）理想隶属特征向量的隶属度，则有

分别称D^（1）（R_i，Φ）、D^（2）（R_i，Ψ）为多目标系统备选方案i的正理想度和负理想度。

为了求得最优解，计算评价向量M和N，可按最小二乘法优选准则，对本课题所备选的施工导流标准方案，使D^（1）（R_i，Φ）、D^（2）（R_i，Ψ）的广义距离平方和最小。根据这一优选准则，建立目标函数，即

计算整理后有

对所有备选方案按式（17）计算，以正隶属度极大原则，择优施工导流标准及方案，即

4.2 多目标风险决策的权重分析

多目标决策指标是不同类型、不同特性，具有不可共度性，故才用标度赋值法即“1～9”比率标度法，量化标准见表9。

对于丰满水电站大坝重建工程而言，考虑确定性费用、不确定性费用及导流工期等决策指标。判断指标的关系见表10。

采用求和法求解得排序权重为：W₁≈0.28；W₂≈0.15；W₃≈0.57。

确定性费用权重W₁≈0.28；不确定性费用权重W₂≈0.15，导流工期权重W₃≈0.57；即认为施工工期较确定性费用略微重要，而确定性费用较不确定性费用略微重要。

4.3 导流标准风险多目标决策分析

对于丰满重建工程施工导流方案的比选，按照式（17）可以确定各备选方案隶属度确定各导流方案排序，并对目标权重进行敏感度分析，分析优选结果的稳定性，见表11及表12。

得到排序结果为：基于水情预报的20年一遇方案略优于其他方案。首先，一次拦断导流方式其度汛年度较分期导流方式少1年，因此，从施工组织和施工导流可能经历的风险次数的角度，认为一次拦断导流方式较优；基于水情预报的20年一遇方案、方案1和方案2中，方案2导流标准较高，汛限水位较低，发电损失较高，因此方案1在工程投资指标方面占优，方案2在风险损失方面占优，而基于水情预报的20年一遇方案利用水情预报，综合了二者的优势，将20年一遇方案的部分发电损失转换为不确定性损失，同时风险较低，因此导流方案优选排序表明，在4个导流方案中基于水情预报的20年一遇方案略好，即一次拦断、基于水情预报的20年一遇洪水标准的导流方案较优。通过各个方案之间的正隶属度值比较可以看出，基于水情预报的20年一遇方案作为优选导流方案。

5 结语

丰满电站施工导流方案的选择受到很多不确定性因素的影响，其方案的多目标决策分析是在给定的坝体施工进度满足要求下进行的。在导流标准风险分析的基础上，采用多目标决策技术，综合分析导流系统确定性费用、不确定性费用、导流度汛年度和运行期间的动态风险，通过构建的施工导流标准多目标决策模型对拟定的备选方案集进行优选分析，选定基于水情的20年一遇方案为最终导流方案。

参考文献

［1］水利水电工程施工组织设计手册第1卷［M］.北京：中国水利水电出版社，1996.

［2］胡志根，刘全，陈志鼎.施工导流风险分析［M］.北京：科学出版社，2010.

［3］肖焕雄,史精生.施工导流标准多目标风险决策［J］.水利学报,1990(11):66-71.

［4］胡志根,刘全,贺昌海.基于Monte-Carlo方法的土石围堰挡水导流风险分析［J］.水科学进展,2002,13(5):634-638.

［5］范锡峨，胡志根，靳鹏，等.基于Monte-Carlo方法的施工导流系统综合风险分析［J］.水科学进展，2007,18(4)：604-608.

［6］钟登华,毛寨汉,刘东海.施工导流方案的多目标总体综合评价方法［J］.水利水电技术，2002(5).

［7］钟登华,黄伟,张发瑜.基于系统仿真的施工导流不确定性分析［J］.天津大学学报，2006(12).

［8］程燕.梯级水电站施工导流设计标准及流量确定的探讨［J］.东北水利水电，2001（5）.

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[1] *基金项目：国家自然科学基金项目（51279137，51379164）。