南水北调东线三大系统风险因子识别与分析

南水北调东线三大系统风险因子识别与分析

1水系地形地貌南移工程是缓解中国北方水资源短缺的重要节水工程，涉及长江、淮河、黄河和清河四个流域。东线一期工程主要从扬州附近长江干流取水,输水北送,出东平湖后分为两路:一路在位山穿越黄河后,路经小运河等自流至德州大屯水库;另一路向东开辟山东半岛输水干线至威海米山水库。调水线路总长达1466.50km,其中长江至东平湖1045.36km、黄河以北173.49km、胶东输水干线239.78km、穿黄河段7.87km。南水北调东线一期工程预计在“十一五”末将建成通水,未来运行将受到各类不确定性因素的影响,任何不确定因素引发的事件都会造成极为恶劣的后果。因此,为避免或减少风险造成的损失,有必要采用运行风险管理。2单元风险识别模式针对长距离输水工程特点,存在两种风险识别模式:(1)阶段性风险识别模式,即将输水系统按工程实施阶段划分,采用系统分析方法对其风险进行识别;(2)单元风险识别模式,由于长距离输水工程沿途建筑物型式及种类较多,可以将其按照工程单元进行分解,然后对各类结构进行逐层分解,找出可能产生的风险,分析各类风险的影响因子,形成树状风险识别模式。根据南水北调东线工程运行特点,本文将采用单元风险识别模式,运用层次分解法对东线运行时的工程风险因子进行识别。南水北调东线工程主要利用泵站工程系统从长江引水,通过现有河道双线输水,利用沿线四大湖泊进行库容调节,穿过黄河后,自流到北方地区。本文将东线工程分成三大系统:提水系统、输水系统和蓄水系统。2.1提水系统出现的风险综合泵站系统提水效率和泵站系统工程安全两方面,东线提水系统的风险因子识别结构见图1。一期工程主要由新建的21座泵站及江苏省现有的13座泵站,共160台套装机构成。考虑本以识别影响东线工程正常运行的风险因子,故界定提水系统出现的风险特指由于内因和外因引起的提水系统的提水水量不能满足规划要求,即:在受水区有需水要求时,提水系统不能满足水量要求,对部分自身存在防洪要求的泵站,在受到洪水冲击时,不能正常运行的风险。因此,主要从以下两个方面分析提水系统的风险因子。2.1.1水泵提水效率影响因素分析在水泵运行过程中,出水量的变化、水泵需要扬程的变化、电压波动、水泵陈旧等均可使系统提水效率发生变化,总体来说,可以归纳为3个方面:运行条件、设备质量、技术状况。运行条件对泵站提水效率的影响主要表现为:(1)拦污清污设备。泵站进水流道前设置拦污栅拦截污物,拦污栅及污物阻力形成栅前后水位差,水头损失造成扬程改变,从而影响泵站提水功率。(2)进流漩涡。前池水位低,来流有旋时,叶轮需要克服反旋或利用正旋做功,扬程增大(反旋)或减小(正旋),而流量变化不大,因此,水力功率随之增大或减小,而水泵出口能量基本不变。设备质量影响泵站提水效率主要表现为:(1)电网电压波动。电网电压波动,端部电压低于额定电压时,电动机额定输出功率减小。如果额定电压时电动机处于满负荷工作状态,则降压后就会过载,影响泵站提水效率。(2)设备老化、磨阻增加。根据江苏省江水北调近40年的运行现状来看,泵站系统存在一定程度的老化现象,电机功率在运行过程中存在一定程度的衰减。技术状况对泵站提水效率表现为:(1)水泵特性误差。通常水泵叶片角度越大,轴功率越大。制造安装、调节显示造成水泵叶片角度误差,同时叶片形状误差也会造成水泵实际性能与设计性能的差异。(2)管理、维护状况。根据调查,泵站的年运行时间在10~150d/年不等,平日对泵站管理和维护十分重要,例如:淮安三站规定运行满5年或12000h后,进行检修,每年进行定期状态检修,汛期前进行安检。若有关管理部门不能及时对泵站进行管理、维护,则易造成泵站工况点变化,影响提水效率。2.1.2按水泵流量和流量确定,建立站身防洪的一个布南水北调东线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运行。影响泵站工程安全的主要有河道洪水水位和河堤堤高2个因素。在泵站系统中,建立站身防洪的泵站有:淮安四站、金湖、泗阳、刘老涧二站、睢宁二站、皂河二站、邳州站、刘山、台儿庄、解台、韩庄、二级坝、八里湾、淮安二站、皂河一站。建立防洪圈堤的有:宝应、洪泽、万年闸、长沟、邓楼。对修建引水渠的泵站而言,影响其安全运行的因素主要是洪水漫堤威胁泵站安全性;对其他类型而言,工程安全的风险因子主要为河道最高洪水水位。2.2全稳定性故障输水系统主要由沿线的河道和穿黄隧道组成。输水系统的运行风险主要考虑河道堤防的安全稳定性出现故障,不能满足其规划的输水功能,从而影响输水河道功能,其主要失事模式有:漫堤失事、渗透失事和失稳失事3种;对穿黄隧道而言,主要考虑隧道工程安全性出现风险,不能满足隧洞输水要求。南水北调东线输水系统风险因子识别结构如图2所示。2.2.1洪水与防洪工程高度输水河道系统的漫堤失事是由于河道堤防高度不足或堤前洪水位过高造成洪水漫过堤防引起溃堤失事。因此,影响输水系统漫堤失事的主要风险因素为:洪水水位与堤防高度。具体来说,引起堤防高度不足的可能性有:(1)工程级别等级较低,设计的堤防高度未能防御河道的洪水;(2)堤防设计高度足够,但在运行过程中,由于地基等因素造成堤防沉降,导致堤防高度不达标;(3)施工偷工减料,工程质量未达到设计标准。影响洪水水位的主要因素有:(1)强降水条件导致的超设计洪水水位;(2)河道淤积导致在相同频率下水位抬高;(3)河道存在阻水障碍物,缩小了河道的泄洪能力,使得洪水水位抬高。2.2.1.渗透力影响分析渗透破坏在堤防工程失事中较为普遍。渗透破坏主要是由于水体的渗透坡降大于土体临界坡降值,在渗透力的作用下,堤防发生渗透变形,造成渗透破坏。影响渗透失事的主要风险因子有:堤防坡降和临界比降。影响这两个风险因子的主要因素有:堤身断面大小、材料透水性,其中材料透水性与堤身材料的孔隙比、粘粒含量、干密度、颗粒级配等有关。2.2.1.响应面对崩岸的影响失稳失事是指河道河堤发生崩岸、滑坡等,主要是由于堤脚空虚或是堤基松软而产生的大块土体移动。不同的失稳形式,影响的外在因素各有不同。对滑坡来讲,暴雨是导致滑坡的重要外在因素,水流冲刷力是导致崩岸的主要外在因素。影响失稳失事的内部因素主要指土体的物理参数,包括容重、渗透系数、土体沉积强度指标等。据调查,东线范围内在丘陵地区的边坡有发生滑坡的风险,东线沿线主要利用现有河道,大部分未进行护坡,为自然堤岸,部分河段有河岸坍塌灾害发生的风险。2.2.2水泵的取水需求穿黄隧道的风险主要界定为由于隧道安全性出现故障,不能满足输水需求。因此,穿黄隧道的风险因子主要有几个方面:工程本身引起的风险(例如:隧道突水、突泥等),以及工程外在因素引起的风险(例如:顶部地面塌陷、穿越煤层开采地区地基塌陷等)。2.3天然湖泊防洪工程措施南水北调东线工程的蓄水系统主要指输水沿线包括洪泽湖、骆马湖、南四湖和东平湖在内的四大天然湖泊。东线工程的调水运行引起沿线湖泊蓄水位的升高。考虑到主要以识别工程风险因子为目的,故将蓄水系统的工程风险界定为天然湖泊堤防失事,从而引起不能满足规划要求的调蓄功能。因此,本文2.2节中分析的输水系统中河道堤防的3种失效模式及其影响因素同样适用于湖泊的工程风险因子分析。3关于失稳事故的风险本文将南水北调东线工程划分成三大系统:提水系统、输水系统和蓄水系统,根据这三大系统的不同特点,结合该工程运行的实际情况,对工程风险因子进行识别。需要指出的是南水北调东线工程庞大,在对东线工程不同地段进行多风险因子分析时,将根据各空间段的实际工程情况,考虑主要可能出现的风险。对南水北调东线输水系