南水北調東線三大系統(tǒng)風險因子識別與分析

南水北調東線三大系統(tǒng)風險因子識別與分析

1水系地形地貌南移工程是緩解中國北方水資源短缺的重要節(jié)水工程，涉及長江、淮河、黃河和清河四個流域。東線一期工程主要從揚州附近長江干流取水,輸水北送,出東平湖后分為兩路:一路在位山穿越黃河后,路經小運河等自流至德州大屯水庫;另一路向東開辟山東半島輸水干線至威海米山水庫。調水線路總長達1466.50km,其中長江至東平湖1045.36km、黃河以北173.49km、膠東輸水干線239.78km、穿黃河段7.87km。南水北調東線一期工程預計在“十一五”末將建成通水,未來運行將受到各類不確定性因素的影響,任何不確定因素引發(fā)的事件都會造成極為惡劣的后果。因此,為避免或減少風險造成的損失,有必要采用運行風險管理。2單元風險識別模式針對長距離輸水工程特點,存在兩種風險識別模式:(1)階段性風險識別模式,即將輸水系統(tǒng)按工程實施階段劃分,采用系統(tǒng)分析方法對其風險進行識別;(2)單元風險識別模式,由于長距離輸水工程沿途建筑物型式及種類較多,可以將其按照工程單元進行分解,然后對各類結構進行逐層分解,找出可能產生的風險,分析各類風險的影響因子,形成樹狀風險識別模式。根據南水北調東線工程運行特點,本文將采用單元風險識別模式,運用層次分解法對東線運行時的工程風險因子進行識別。南水北調東線工程主要利用泵站工程系統(tǒng)從長江引水,通過現有河道雙線輸水,利用沿線四大湖泊進行庫容調節(jié),穿過黃河后,自流到北方地區(qū)。本文將東線工程分成三大系統(tǒng):提水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)和蓄水系統(tǒng)。2.1提水系統(tǒng)出現的風險綜合泵站系統(tǒng)提水效率和泵站系統(tǒng)工程安全兩方面,東線提水系統(tǒng)的風險因子識別結構見圖1。一期工程主要由新建的21座泵站及江蘇省現有的13座泵站,共160臺套裝機構成?？紤]本以識別影響東線工程正常運行的風險因子,故界定提水系統(tǒng)出現的風險特指由于內因和外因引起的提水系統(tǒng)的提水水量不能滿足規(guī)劃要求,即:在受水區(qū)有需水要求時,提水系統(tǒng)不能滿足水量要求,對部分自身存在防洪要求的泵站,在受到洪水沖擊時,不能正常運行的風險。因此,主要從以下兩個方面分析提水系統(tǒng)的風險因子。2.1.1水泵提水效率影響因素分析在水泵運行過程中,出水量的變化、水泵需要揚程的變化、電壓波動、水泵陳舊等均可使系統(tǒng)提水效率發(fā)生變化,總體來說,可以歸納為3個方面:運行條件、設備質量、技術狀況。運行條件對泵站提水效率的影響主要表現為:(1)攔污清污設備。泵站進水流道前設置攔污柵攔截污物,攔污柵及污物阻力形成柵前后水位差,水頭損失造成揚程改變,從而影響泵站提水功率。(2)進流漩渦。前池水位低,來流有旋時,葉輪需要克服反旋或利用正旋做功,揚程增大(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。設備質量影響泵站提水效率主要表現為:(1)電網電壓波動。電網電壓波動,端部電壓低于額定電壓時,電動機額定輸出功率減小。如果額定電壓時電動機處于滿負荷工作狀態(tài),則降壓后就會過載,影響泵站提水效率。(2)設備老化、磨阻增加。根據江蘇省江水北調近40年的運行現狀來看,泵站系統(tǒng)存在一定程度的老化現象,電機功率在運行過程中存在一定程度的衰減。技術狀況對泵站提水效率表現為:(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、調節(jié)顯示造成水泵葉片角度誤差,同時葉片形狀誤差也會造成水泵實際性能與設計性能的差異。(2)管理、維護狀況。根據調查,泵站的年運行時間在10~150d/年不等,平日對泵站管理和維護十分重要,例如:淮安三站規(guī)定運行滿5年或12000h后,進行檢修,每年進行定期狀態(tài)檢修,汛期前進行安檢。若有關管理部門不能及時對泵站進行管理、維護,則易造成泵站工況點變化,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布南水北調東線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、劉老澗二站、睢寧二站、皂河二站、邳州站、劉山、臺兒莊、解臺、韓莊、二級壩、八里灣、淮安二站、皂河一站。建立防洪圈堤的有:寶應、洪澤、萬年閘、長溝、鄧樓。對修建引水渠的泵站而言,影響其安全運行的因素主要是洪水漫堤威脅泵站安全性;對其他類型而言,工程安全的風險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)主要由沿線的河道和穿黃隧道組成。輸水系統(tǒng)的運行風險主要考慮河道堤防的安全穩(wěn)定性出現故障,不能滿足其規(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;對穿黃隧道而言,主要考慮隧道工程安全性出現風險,不能滿足隧洞輸水要求。南水北調東線輸水系統(tǒng)風險因子識別結構如圖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高造成洪水漫過堤防引起潰堤失事。因此,影響輸水系統(tǒng)漫堤失事的主要風險因素為:洪水水位與堤防高度。具體來說,引起堤防高度不足的可能性有:(1)工程級別等級較低,設計的堤防高度未能防御河道的洪水;(2)堤防設計高度足夠,但在運行過程中,由于地基等因素造成堤防沉降,導致堤防高度不達標;(3)施工偷工減料,工程質量未達到設計標準。影響洪水水位的主要因素有:(1)強降水條件導致的超設計洪水水位;(2)河道淤積導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險因子有:堤防坡降和臨界比降。影響這兩個風險因子的主要因素有: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、顆粒級配等有關。2.2.1.響應面對崩岸的影響失穩(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生的大塊土體移動。不同的失穩(wěn)形式,影響的外在因素各有不同。對滑坡來講,暴雨是導致滑坡的重要外在因素,水流沖刷力是導致崩岸的主要外在因素。影響失穩(wěn)失事的內部因素主要指土體的物理參數,包括容重、滲透系數、土體沉積強度指標等。據調查,東線范圍內在丘陵地區(qū)的邊坡有發(fā)生滑坡的風險,東線沿線主要利用現有河道,大部分未進行護坡,為自然堤岸,部分河段有河岸坍塌災害發(fā)生的風險。2.2.2水泵的取水需求穿黃隧道的風險主要界定為由于隧道安全性出現故障,不能滿足輸水需求。因此,穿黃隧道的風險因子主要有幾個方面:工程本身引起的風險(例如:隧道突水、突泥等),以及工程外在因素引起的風險(例如:頂部地面塌陷、穿越煤層開采地區(qū)地基塌陷等)。2.3天然湖泊防洪工程措施南水北調東線工程的蓄水系統(tǒng)主要指輸水沿線包括洪澤湖、駱馬湖、南四湖和東平湖在內的四大天然湖泊。東線工程的調水運行引起沿線湖泊蓄水位的升高。考慮到主要以識別工程風險因子為目的,故將蓄水系統(tǒng)的工程風險界定為天然湖泊堤防失事,從而引起不能滿足規(guī)劃要求的調蓄功能。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險因子分析。3關于失穩(wěn)事故的風險本文將南水北調東線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),根據這三大系統(tǒng)的不同特點,結合該工程運行的實際情況,對工程風險因子進行識別。需要指出的是南水北調東線工程龐大,在對東線工程不同地段進行多風險因子分析時,將根據各空間段的實際工程情況,考慮主要可能出現的風險。對南水北調東線輸水系