淮河流域水閘安全評估技術研究

（中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司 合肥 230601）

1 研究背景

淮河流域現有大型水閘300 余座、中型水閘1400 余座、小型水閘近萬座，分布廣泛，類型齊全。這些水閘在防洪除澇、蓄水灌溉、攔湖蓄淡、城鄉(xiāng)供水、景觀旅游方面發(fā)揮著重要的作用，具有很強的公益性，促進了當地水資源的合理開發(fā)利用、國民經濟的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善。與此同時，這些水閘大部分運行已達30～50年，建筑物接近使用年限，水閘在運行過程中逐漸產生老化病害，導致建筑物的安全性、適用性和耐久性下降，功能得不到正常發(fā)揮，逐步產生安全隱患。既影響防洪安全和興利效益的發(fā)揮，又給所在地區(qū)日益發(fā)展的國民經濟造成不可忽視的制約和威脅。

深入研究水閘的安全評估技術，快速準確地對水閘進行安全評估，為水閘運行管理部門和主管部門提供決策依據，就可使主管部門得以按輕重緩急制定合理的水閘除險加固計劃，從而防止事故的發(fā)生，避免資金的盲目投入。因此，開展水閘安全評估技術研究具有重要的工程應用價值和深遠的社會意義。2011年作者申報了水利部公益性行業(yè)科研專項經費項目（編號：201101013），開展了相關研究工作。

2 需要解決的問題

現行水閘安全評估指導文件原則性較強，量化指標相對缺乏，未形成完整的量化評估過程。水閘安全評估工作在具體操作時缺乏統(tǒng)一的標準，隨意性較大，造成了病險水閘的評估不夠準確。有鑒于此，國內學者和工程技術人員從不同角度展開了水閘安全評估研究工作，并取得了一定的成果。由于我國水閘量大面廣、形式多樣、病害復雜，水閘安全評估工作仍存在一定的滯后，尚有一些問題需要進一步研究和解決。

2.1 病險水閘樣本數量及類型

目前的研究成果大多是通過對某座閘或某幾座閘進行深入研究得出的，對研究對象而言，工程應用效果較好，但樣本數量及類型不足，代表性稍差。

2.2 評估指標體系及指標權重

評估指標體系及指標的權重直接影響著評估結果，已有的研究多針對某個具體工程部位，對水閘的整體性安全考慮不充分，存在代表整體性病害的指標和代表細部病害的指標在層次劃分上不合理，權重分配上區(qū)分不明顯，沒有考慮關鍵指標的決定性作用。

2.3 水閘安全等級

目前的研究對水閘安全等級的劃分，多參照SL214-2015《水閘安全評價導則》分為四類，沒有從工程實踐角度明確提出可操作性強的劃分三、四類閘的標準；SL214 中對三、四類水閘的劃分，原則性較強、量化指標相對缺乏，未形成完整的量化評估過程，易造成病險水閘評估結果的不準確。

2.4 技術性和經濟性

已有的研究多集中在病險水閘當前狀態(tài)的評估上，對病險水閘的除險加固方案、可加固性、加固后的壽命、除險加固的費用及維修養(yǎng)護費用等因素考慮較少。

3 研究內容

3.1 淮河流域水閘病害樣本庫的建立

2008年，淮河流域開展了大中型病險水閘的除險加固專項規(guī)劃工作，共有598 座大中型水閘列入規(guī)劃，其中絕大部分進行了安全評估工作，資料較為齊全。研究選取其中具有代表性的58 座水閘工程作為樣本，包含節(jié)制閘（72%）、擋潮閘（9%）、分洪閘（9%）、排水閘（5%）、進水閘（3%）和防洪閘（2%）六類水閘。

通過查閱58 座病險水閘的安全評價報告，并進行現場調研，對水閘工程的病害及其表現形式進行了統(tǒng)計分析，將水閘病害劃分為防洪能力、結構安全、滲流安全、工程質量、金屬結構及電氣設備和運行管理六個類別，各個類別又可細分為若干小類別。各類病害所占比例見圖1。

水閘工程質量方面的病害占很大的比例，淮河流域大部分水閘建于20世紀50年代至70年代，材料老化、破損的現象明顯。

防洪能力的病害主要是消能防沖設施尺寸不滿足要求，其次是過流能力和閘頂高程不滿足要求。

結構安全方面，各部件的病害嚴重性各不相同。閘墩混凝土強度不足的病害最多，其次是閘室的地基不均勻系數和排架柱混凝土強度不滿足要求，閘室穩(wěn)定不滿足要求也占較高比例。交通橋大梁主要是混凝土強度不滿足現行規(guī)范的較多，其次為配筋問題。

滲流安全方面，止水老化、滲徑長度不足的病害所占比例較高，其次是滲透穩(wěn)定性和排水設施病害。

工程質量方面，裂縫病害最普遍，其次是上下游護坡的破損病害，混凝土碳化病害也較突出。

金屬結構及電氣設備方面主要是鋼閘門和啟閉機的病害，其中老化病害比例最高，其次為閘門的擋水能力和啟閉機啟閉能力不足；電氣設備病害主要是老化和配備不完善。

運行管理方面，安全監(jiān)測設施失效或不完善，管理用房、交通等輔助設施破損，技術人員不足是主要問題。

3.2 病害成因分析

分析水閘工程病害問題存在的原因，主要有規(guī)劃設計、建設管理與工程施工、環(huán)境與荷載及運行管理四個方面，見圖2。

3.3 安全評估指標體系建立

通過前述水閘工程病害分布及成因，從防洪能力、結構安全、滲流安全、工程質量、金屬結構及電氣設備和運行管理6 個方面建立水閘安全評估的層次化指標體系（見圖3）。其中水閘安全狀況的綜合評估作為第一層；防洪能力、結構安全、滲流安全、工程質量、金屬結構及電氣設備和運行管理作為第二層的6 個一級評估指標，體現評估目標的評估準則；其他層為便于量化和描述的直接評估指標，是工程資料中數據信息的具體反映。

3.4 安全評估集設計

圖1 評估要素病害比例圖

在指標層次結構中，每兩個相鄰上下層之間都具有關聯(lián)隸屬關系，每一級都是其上一級的評估信息源，也是其上一級的一個評估分目標，而對每一級的安全評估又都是其下一級安全評估的綜合。如此逐級遞歸綜合評估后，最終可得到水閘安全狀況的評估結果。

安全評估結果的等級劃分有多種，不同行業(yè)也有不同的劃分方法，各層評估指標和最終評估目標也有不同的評估集。

本文將水閘安全評估等級劃分為正常、基本正常、病險三級；對規(guī)范中強制性條文有明確數值要求的評估指標，如抗滑穩(wěn)定安全系數等，分為正常、病險兩級，其余指標分為正常、基本正常、病險三級。

3.5 指標的度量及賦權

確定評估指標后，需要解決這些評估指標的量化，以實現水閘安全的量化評估。評估指標以不同的形式存在，根據其性質可分為兩類：一類是定量指標，可根據統(tǒng)計資料查出或者計算出指標值；另外一類是定性指標，這類指標較難量化，在評估中如何克服人為主觀因素是一大難題。定量指標可以通過一定的數學處理方法，比如線性方法、指數方法把現有數據進行無量綱化處理，得到一個處于一定范圍內，可以比較的數據。定性指標的定量化，通常的作法是結合具體技術參數等情況，由不同專家對同一指標分別進行量化，然后進行數據處理，得到一個標準化的定量數據，使各評估指標之間具有可比性。

指標層次結構中的下層評估指標對上層評估指標的影響程度不盡相同，因此，應根據評估指標的相對重要性，合理確定評估指標權重系數。目前水閘安全評估權重系數多根據專家經驗采用層次分析法得出。作者采用改進模糊層次分析法，計算各評估指標的權重。主要步驟如下：

3.5.1 確定層次結構

把水閘工作性態(tài)這一復雜問題系統(tǒng)化、條理化、層次化。

3.5.2 聘請專家構造兩兩比較判斷矩陣

以ui表示診斷指標，ui∈U（i=1，2，…m）；標度值rij表示ui對uj（j=1，2，…m）的相對重要性數值，rij的取值按“改進0.1～0.9 標度法”準則進行，其中，rij值越大，表明指標ui的重要性越強。

3.5.3 將模糊判斷矩陣變?yōu)槟：恢戮仃?/p>

3.5.4 計算相對權重，方法同層次分析法。

3.6 變權模糊層次評估模型

水閘安全評估要考慮的因素很多，每個因素又包含多個層次，需要首通過低層次的各指標進行模糊評估，然后不斷地對上一層次的各指標進行模糊評估，直到得出水閘安全狀況的評估結果。

水閘是由一系列既相互聯(lián)系又相互獨立工作的設施部件組成的綜合體，其安全狀況的惡化經常是從某局部地方開始而最終導致整個工程的失事，這種惡化現象經?？梢员徊糠种笜怂从?，在此情況下，假如按常規(guī)的權重確定方法，極有可能掩蓋水閘的真實安全狀況。為了保證評估結果的合理性，就需要動態(tài)地增大或減小某指標的權重。

以三層指標結構為例說明對水閘進行變權模糊層次評估的主要步驟如下：3.6.1 確定因素集

設第一層指標為水閘安全狀況 ；第二層指標集為U={u1，u2，…，un} ；劃分其中的ui（i=1，2，…n），得第三層指標集為Ui={ui1，ui2，…，uim}。

圖2 水閘病害成因圖

圖3 水閘安全評估指標體系圖

3.6.2 設計評估集

水閘安全評估集為V={v1，v2，…，vp}。

3.6.3 建立權重向量

3.6.4 進行模糊評估

ui指標下屬第j 個指標為uij，其隸屬于評估集中第k 個元素的隸屬度為rijk。則對ui進行模糊評估：

對評估向量（bi1，bi2，…，bip）應用最大隸屬度原則或加權平均原則可得到ui的模糊綜合評估結果。向上一層綜合。ui屬于評估集中第k 個元素的隸屬度為rik，則（ri1，ri2，…rip）=（bi1，bi2，…，bip），對第一層指標“水閘安全狀況”U 進行模糊評估：

對評估向量（b1，b2，…，bp）應用最大隸屬度原則或加權平均原則可得到第一層指標“水閘安全狀況”的模糊綜合評估結果。

四層以上指標結構依上述步驟遞推即可。

3.7 工程應用示例

3.7.1 工程概況

某水閘是一座集灌溉、排澇、發(fā)電等綜合利用的水利樞紐工程，為Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物級別為2 級。閘室采用鋼筋混凝土開敞式結構，反拱式底板，共8 孔，每孔凈寬10.0m，閘室總寬92.8m，閘室順水流方向長21.1m。閘頂高程38.70m，閘底板高程27.76m；工作閘門為平面鋼閘門，閘門尺寸為10×8m（寬×高），配2×400kN 的卷揚式啟閉機。工程運行30 多年來，多次對該閘進行維修加固，1989年對閘下游增設了二級消力池、海漫、防沖槽等消能防沖設施。

3.7.2 安全評估指標體系

結合工程實際情況，采用圖3中的三層指標結構。

3.7.3 變權模糊層次評估

采用上述步驟評估該水閘安全狀況。

底層指標安全值及考慮關鍵性指標變權后的權重分配見表1。

對第二層指標進行綜合評估，得出該水閘安全狀況評估結果

B=A·R=（0，0.17，0.83），由于max（0，0.17，0.83）=0.83，根據最大隸屬度原則可評估該水閘安全等級為“病險”。

4 研究的創(chuàng)新性

（1）在傳統(tǒng)專家調研法的基礎上，結合層次分析的理論和方法，構建了包含防洪能力、結構安全、滲流安全、工程質量、金屬結構及電氣設備和運行管理六個方面內容的安全評估指標體系，具有評估內容全面、指標相對獨立、邏輯關系清晰和可操作性強的特點。

（2）在水閘安全模糊層次評估模型中，提出了“關鍵性指標”的概念，實現了評估指標權重的動態(tài)調整，克服了常權法在權重分配中的不足，建立了水閘安全評估的變權評估模型。

（3）將水閘安全劃分為正常、基本正常和病險三個等級，對于等級劃分為病險的水閘采用考慮水閘可加固性、加固后壽命、加固費用及維修養(yǎng)護費用等因素的方法，使其與現行規(guī)范的三、四類水閘安全類別相對應。

（4）從淮河流域病險涵閘中，選取具有代表性的58 座水閘和62 座涵洞，對其病害進行調查、統(tǒng)計和分析，建立了水閘工程病害樣本庫。

5 研究成果

課題形成研究報告6 本，培養(yǎng)碩士研究生7 人，發(fā)表論文22 篇，出版專著一本。

表1 某水閘底層指標安全值及權重分配表

2015年11月，水利部國科司召開驗收會議，認為研究按期全面完成工作內容，研究成果豐富，達到預期目標，同意通過驗收：綜合評價等級A。

2020年1月，安徽省水利學會邀請專家對研究成果進行了獨立評價，認為研究成果豐富了水閘安全評估理論，促進了水閘安全評估技術進步，推廣應用前景廣闊。成果總體達到國際先進水平，部分成果達到國際領先水平。

2020年5月，研究成果獲淮河水利委員會科學技術一等獎。

應用水閘安全評估技術研究成果，可使水閘的各項不安全因素得到量化處理，便于專家鑒定時對水閘安全狀況作出客觀的評價，有效減少了水閘安全評估過程中人為主觀因素的影響，同時還可以縮短評估周期，使得評估結論更加合理。研究成果的應用可為病險工程的除險加固奠定基礎，為現有水閘工程的運行管理提供技術支撐，具有良好的經濟效益和社會效益■