灌區(qū)水閘工程建設(shè)期危險源識別及風(fēng)險評價研究

馬 強，張 輝，楊子照，張繼勛

（1.河南省趙口引黃灌區(qū)二期工程建設(shè)管理局，河南 開封 475000；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

隨著糧食需求的日益增長，許多老舊的灌溉設(shè)施已經(jīng)無法滿足新的灌溉需求，急需進行升級改造。灌區(qū)改擴建工程完成之后對于提升區(qū)域內(nèi)水資源配置的能力、促進區(qū)域經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展、保障農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

大型灌區(qū)改擴建工程涉及的建筑物種類較多。作為灌溉體系當(dāng)中的骨干建筑物之一，水閘具有建設(shè)規(guī)模大、施工復(fù)雜、受地形地質(zhì)條件影響大等特點，其在建設(shè)期的危險源不容忽視。目前，國內(nèi)外對于工程領(lǐng)域中危險源及施工風(fēng)險的研究已經(jīng)取得了非常多的成果。潘俊鋒等［1］提出了沖擊地壓危險源層次化識別理論并建立了應(yīng)用模型；王勝楠［2］采用工作分解結(jié)構(gòu)和模糊層次綜合法等對地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險進行識別和評估；Pan等［3］研究了地鐵盾構(gòu)施工中的風(fēng)險耦合作用，對分析和控制主要風(fēng)險因素、降低事故發(fā)生概率具有很好的指導(dǎo)意義；賈培［4］采用案例推理理論和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對水閘工程施工過程進行安全分析并建立了危險預(yù)警體系；吳麗燕［5］采用項目風(fēng)險管理理論與層次分析法相融合的方法，研究施工過程中眾多風(fēng)險因素對項目質(zhì)量、進度、成本、安全的影響，并建立了風(fēng)險評價模型。然而，現(xiàn)今對于水閘、渠道、倒虹吸、渡槽等灌區(qū)常見建筑物建設(shè)期的危險源識別和風(fēng)險評價的研究依舊非常少。在這些研究中，大多數(shù)是對施工中某一項具體的危險源進行的或從項目管理的角度入手，且主要關(guān)注的是施工作業(yè)人員安全、施工進度和項目資金安全等。

本文針對趙口引黃灌區(qū)二期工程水閘建設(shè)期自身的質(zhì)量安全問題，基于工作分解結(jié)構(gòu)法進行危險源識別、采用專家打分進行風(fēng)險量化、運用層次分析法構(gòu)建風(fēng)險評價模型，提出“綜合安全評分”來體現(xiàn)風(fēng)險的大小，根據(jù)分析計算結(jié)果給出有針對性的風(fēng)險防控措施。

1 工程概況

趙口引黃灌區(qū)二期工程位于原趙口引黃灌區(qū)東部，是趙口引黃灌區(qū)的重要組成部分。工程區(qū)屬黃河沖積平原，大地形平坦，受河流切割影響，微地形起伏較大，具有明顯的崗、坡、平、洼相間地貌。局部地區(qū)分布有風(fēng)成沙丘，這些地區(qū)是黃河歷次決口泛濫的主流地帶，沉積了顆粒細微又無黏結(jié)力的中細砂、粉細砂，后經(jīng)風(fēng)力分選搬運堆積形成大小不等的片狀或帶狀沙丘沙壟，相對高差5～8 m，少數(shù)達10 m，經(jīng)植樹造林大部分沙丘處于固定或半固定狀態(tài)。地勢西北高、東南低，西北地面平均高程約80.0 m、東南地面平均高程約40.0 m，地面坡降為1／8 000～1／3 000。灌區(qū)設(shè)計灌溉面積1 470.8 km2、總土地面積2 174.0 km2，涉及鄭州、開封、周口和商丘4個地市，屬于大型灌區(qū)。工程區(qū)地層由第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)壤土和粉細砂組成，地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬黏砂雙層結(jié)構(gòu)或黏砂多層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)松散—稍密，主要存在砂土地震液化、軟弱地基、施工降排水、沖刷和邊坡穩(wěn)定等問題。

2 基于工作分解結(jié)構(gòu)的危險源識別

2.1 危險源識別

查閱水利水電工程、農(nóng)田水利工程建設(shè)期危險源識別和評價、水閘施工相關(guān)的文獻，參考水利水電工程施工期危險源識別及評價的相關(guān)導(dǎo)則，將其中涉及的施工風(fēng)險進行歸納總結(jié)。采用預(yù)先危險性分析法［6］對施工現(xiàn)場可能存在的危險源類型、出現(xiàn)條件、事故后果等進行預(yù)先分析，采用工作分解結(jié)構(gòu)法將施工過程進行分解，并對分解結(jié)果逐條分析，找出可能存在的危險源并與預(yù)先分析結(jié)果融合，得到通用的風(fēng)險清單。

工作分解結(jié)構(gòu)（Work Breakdown Structure，WBS）法廣泛應(yīng)用在工程項目管理上，幫助管理人員從不同層次明確項目的最終成果，為項目進度控制、費用管理等提供依據(jù)。WBS法是一個由粗到細，由項目到工作包、再到具體工作的過程［7］。即在工程施工期的危險源識別工作中運用時，以項目進度為線索、根據(jù)不同階段的作業(yè)類型進行模塊劃分，再將每個模塊中的關(guān)鍵節(jié)點進行分類整理。這樣將一個復(fù)雜項目分解成若干子系統(tǒng)，然后從最小的分項工程中逐步排查分析出危險源。WBS法降低了主觀識別風(fēng)險的籠統(tǒng)性、模糊性，具有系統(tǒng)性、清晰性的特點。本研究從材料準備、放樣及基坑開挖、模板工程、鋼筋混凝土工程、閘門及啟閉系統(tǒng)安裝、配套房屋工程6個方面，按施工流程對水閘工程施工工作進行結(jié)構(gòu)分解（見圖1）。

圖1 水閘工程施工工作分解結(jié)構(gòu)

2.2 建立風(fēng)險清單

風(fēng)險清單即為施工過程中眾多可能導(dǎo)致事故發(fā)生或影響工程質(zhì)量和工程進度的危險源。從風(fēng)險清單中應(yīng)能清晰地看到具體危險源及類別屬性、相互間層次關(guān)系，同時風(fēng)險清單本身具有較強的普遍適用性。水閘工程施工期風(fēng)險清單見表1。

表1 水閘工程施工期風(fēng)險清單

3 風(fēng)險評價

3.1 風(fēng)險評價指標(biāo)體系構(gòu)建

風(fēng)險評價指標(biāo)體系是綜合分析的基礎(chǔ)，沒有科學(xué)合理的指標(biāo)體系，就無法對識別出來的危險源的風(fēng)險大小進行確定衡量。指標(biāo)體系構(gòu)建時應(yīng)遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、簡潔可操作性、相對獨立性、動態(tài)性原則。

基于以上原則，同時考慮危險源與評價指標(biāo)的一致性，灌區(qū)水閘工程施工的危險源風(fēng)險評價指標(biāo)體系依據(jù)風(fēng)險清單進行構(gòu)建。整個體系劃分為如下4個等級。

一級指標(biāo)：總目標(biāo)層，即水閘工程施工質(zhì)量安全（A）。

二級指標(biāo)：與表1要素層對應(yīng)，包括施工作業(yè)類（B1）、作業(yè)環(huán)境類（B2）、機械設(shè)備類（B3）、人員及管理風(fēng)險（B4）、建筑材料類（B5）。

三級指標(biāo)：與表1危險源屬性層對應(yīng)，包括明挖工程（C1）、灌漿工程（C2）……建筑材料風(fēng)險（C14）。

四級指標(biāo)：與表1指標(biāo)層對應(yīng)，包括邊坡坡度（D1）、挖方直壁不加支撐的最大深度（D2）……混凝土配合比試驗（D29）。

3.2 風(fēng)險指標(biāo)量化

風(fēng)險評價指標(biāo)體系中的指標(biāo)既有定性的也有定量的，定量指標(biāo)因有不同的量綱，導(dǎo)致不同指標(biāo)間沒有可比性，不利于各級指標(biāo)風(fēng)險大小的衡量，故需通過一定方法將指標(biāo)的刻畫方式進行統(tǒng)一。

在此，充分利用專家的經(jīng)驗和知識及專家打分法易操作、適用性強的特點，邀請專家對4級指標(biāo)進行打分，并采用模糊數(shù)學(xué)理論將打分規(guī)則設(shè)置成：在本工程施工中，施工條件、施工方案等實際條件對于所評價危險源分為“極差”“差”“較差”“較好”“很好”5個等級，分值分別對應(yīng)區(qū)間為［0，0.2］、（0.2，0.4］、（0.4，0.6］、（0.6，0.8］、（0.8，1.0］?！皹O差”對整個工程建設(shè)可能造成毀滅性災(zāi)害，需要立即停止作業(yè)；“差”對工程建設(shè)產(chǎn)生重大影響并導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失，需要立即整改；“較差”對工程建設(shè)產(chǎn)生較大影響并影響工程進度，需要整改；“較好”對工程建設(shè)影響一般，需要引起注意；“很好”對工程局部產(chǎn)生輕微影響，可以接受。這樣將所有指標(biāo)轉(zhuǎn)化為無量綱，運用公式求解出各級各項指標(biāo)安全評分，量化至區(qū)間［0，1］進行比較。因此，評分值越大，指標(biāo)的安全狀況越好，風(fēng)險越小。

3.3 風(fēng)險評價模型

3.3.1 層次分析法計算指標(biāo)權(quán)重

由于影響建筑物施工安全的眾多因素的性質(zhì)、重要性等不同，因此對于同一子系統(tǒng)里同級別的指標(biāo)，需要引入權(quán)重來反映其對目標(biāo)安全性的影響程度。在此使用層次分析法（AHP）［8］，采用AHP模型對施工期危險源風(fēng)險評價指標(biāo)的權(quán)重進行計算。層次分析法需要依據(jù)一定原則建立若干有序的目標(biāo)層：最上層為要求得的總目標(biāo)，總目標(biāo)的下層是影響總目標(biāo)的二級因素，依此向下形成一個多層次影響總目標(biāo)全部因素的邏輯結(jié)構(gòu)；再結(jié)合專家打分結(jié)果和專家對同級因子相對重要性兩兩間的比較結(jié)果，即可確定各個指標(biāo)的權(quán)重。具體實現(xiàn)過程如下。

（1）判斷矩陣構(gòu)造。對于n項評價指標(biāo)，利用相對重要性準則對指標(biāo)Xi、Xj兩兩比較，得到相對重要度eij，構(gòu)成n階判斷矩陣：

其中，相對重要性準則根據(jù)表2的比例標(biāo)度進行兩兩比較。

表2 元素相對重要性的比例標(biāo)度

（2）計算判斷矩陣的特征向量和最大特征值。

①每一列規(guī)范化：

②規(guī)范列平均化：

式中：i＝1，2，…，n。

式中：W為特征向量。

③計算最大特征值：

式中：λmax為特征向量W對應(yīng)的最大特征值；（EW）i為向量EW的第i個元素。

（3）一致性檢驗。采用如下指標(biāo)對判斷矩陣進行一致性檢驗：

式中：CI為建立的一致性指標(biāo)。

于是，一致性比率CR：

式中：RI為平均隨機一致性指標(biāo)值，其與判斷矩陣的階數(shù)n相關(guān)，1～10階矩陣的RI見表3。

表3 RI取值對照

CR越小，則判斷矩陣的一致性越好，通常認為當(dāng)CR≤0.1時，判斷矩陣的一致性滿足使用要求；否則需要重新對指標(biāo)進行兩兩比較，構(gòu)造新的判斷矩陣。

（4）為減少工作量、提高效率，采用MATLAB軟件進行AHP模型的計算。

3.3.2 專家權(quán)威性權(quán)重計算

由于每位專家的學(xué)歷背景及研究方向等不同，對同一指標(biāo)不同專家所給出的評價也不同，因此本研究從專家的從業(yè)時間、就職單位、學(xué)歷情況、技術(shù)職稱、對水閘工程施工的了解程度5個方面考慮，對每位專家給出的判斷賦予一定的權(quán)重（見表4）。為便于數(shù)據(jù)整理，在此采用加權(quán)平均法計算每位專家的權(quán)重。首先，將某一專家的5項權(quán)重值相加記為Yi，這樣所有專家5項權(quán)重值之和Yi構(gòu)成的集合用Y表示；然后，對Y中所有元素歸一化處理，可得到每位專家的權(quán)威性權(quán)重值Vi。Vi構(gòu)成的集合用V表示：

表4 專家權(quán)重測算指標(biāo)

3.3.3 各級指標(biāo)綜合安全評分計算

將收集整理得到的專家打分結(jié)果、指標(biāo)權(quán)重、專家權(quán)重數(shù)據(jù)進行整合，需要一套針對評價指標(biāo)體系的計算方法。為此，提出“綜合安全評分”的概念：在對風(fēng)險評價體系中的各項指標(biāo)進行風(fēng)險評價時，綜合考慮同一子系統(tǒng)里同級指標(biāo)的權(quán)重、測評人員測評水平、層級間相互影響等因素影響后，通過計算得到評分值，其區(qū)間為［0，1.0］，評分越高則風(fēng)險越小。

計算時由指標(biāo)層逐級向總目標(biāo)層推進，指標(biāo)層的綜合安全評分用專家權(quán)重和專家打分數(shù)據(jù)計算。上層指標(biāo)的綜合安全評分依據(jù)該指標(biāo)子系統(tǒng)里所包含的下層指標(biāo)的權(quán)重和綜合安全評分計算。

（1）四級指標(biāo)綜合安全評分計算。設(shè)有n位專家對風(fēng)險項目進行打分，則

式中：R（Di）為第i項危險源四級子項目的綜合安全評分；Vj為第j位專家的權(quán)威性權(quán)重；Nij為第j位專家對第i項危險源的評分。

（2）三級指標(biāo)綜合安全評分計算。設(shè)三級指標(biāo)Ck子系統(tǒng)里共包含m個四級子項目，則

式中：R（Ck）為第k項危險源三級指標(biāo)的綜合安全評分；WDi為第i個四級子項目的權(quán)重。

（3）二級指標(biāo)綜合安全評分計算。設(shè)二級指標(biāo)Bl子系統(tǒng)里共包含q個三級子項目，則

式中：R（Bl）為第l項危險源二級指標(biāo)的綜合安全評分；WCk為第k個三級子項目的權(quán)重。

（4）一級指標(biāo)綜合安全評分計算。設(shè)一級指標(biāo)A共包含t個二級子項目，則

式中：R（A）為危險源一級指標(biāo)的綜合安全評分；WBl為第l個二級子項目的權(quán)重。

3.4 風(fēng)險等級和危險源等級

對照風(fēng)險指標(biāo)量化分級方式，基于可靠度及風(fēng)險概念，對危險源進行等級劃分（見表5）。

表5 風(fēng)險等級對應(yīng)綜合安全評分范圍

極度危險源，對整個工程建設(shè)造成毀滅性災(zāi)害，不能繼續(xù)作業(yè)；重度危險源，對工程建設(shè)產(chǎn)生重大影響并導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失，必須立即整改；中度危險源，對工程建設(shè)產(chǎn)生較大影響并影響工程進度，需要整改；一般危險源，對工程建設(shè)產(chǎn)生一般影響，需要注意；輕度危險源，對工程局部產(chǎn)生輕微影響，可以接受。

3.5 計算結(jié)果

邀請來自科研、施工、設(shè)計、監(jiān)理和業(yè)主單位的10位專家，對評價體系中同一子系統(tǒng)里的因子進行兩兩間重要性比較，再針對趙口引黃灌區(qū)二期工程對四級指標(biāo)進行打分；同時，統(tǒng)計了各位專家的數(shù)據(jù)，包括2位教授、2位副教授、1位工程師、2位助理工程師和長期從事灌區(qū)工程施工的3位技術(shù)人員。計算得到10位專家權(quán)威性權(quán)重值見表6。

表6 10位專家權(quán)威性權(quán)重值

根據(jù)專家打分的結(jié)果，計算得到趙口引黃灌區(qū)二期工程水閘工程施工危險源風(fēng)險評價指標(biāo)體系中四級指標(biāo)的綜合安全評分見表7。

表7 水閘工程施工四級指標(biāo)的綜合安全評分

續(xù)表7

三級指標(biāo) 四級指標(biāo)權(quán)重綜合安全評分風(fēng)險等級混凝土工程（C5）D1 0 0.38 0.84 5級D1 1 0.32 0.83 5級D1 2 0.15 0.89 5級D1 3 0.15 0.89 5級降排水（C6） D1 4 1.00 0.87 5級洪水（C7） D1 5 1.00 0.91 5級極端氣候條件（C8） D1 6 0.25 0.89 5級D1 7 0.75 0.90 5級不良水文地質(zhì)（C9） D18 0.80 0.59 3級D19 0.20 0.52 3級設(shè)備操作（C10） D2 0 1.00 0.81 5級設(shè)備性能（C11） D2 1 1.00 0.88 5級作業(yè)人員的不安全行為（C12）D2 2 0.45 0.85 5級D2 3 0.16 0.92 5級D2 4 0.28 0.89 5級D2 5 0.11 0.92 5級質(zhì)量管理監(jiān)督風(fēng)險（C13） D2 6 1.00 0.83 5級建筑材料風(fēng)險（C14）D2 7 0.49 0.91 5級D28 0.20 0.89 5級D29 0.31 0.88 5級

根據(jù)表7計算得到水閘工程施工三級指標(biāo)的綜合安全評分（見表8）。

表8 水閘工程施工三級指標(biāo)的綜合安全評分

根據(jù)表8的計算結(jié)果進一步計算，得到二級指標(biāo)的綜合安全評分（見表9）。

表9 水閘工程施工二級指標(biāo)的綜合安全評分

根據(jù)表9進一步推算得到一級指標(biāo)的綜合安全評分為0.83，風(fēng)險等級為5級。

（1）施工作業(yè)類（B1）危險源對水閘工程施工質(zhì)量安全影響最大，建筑材料類（B5）次之，機械設(shè)備類（B3）影響最小且略低于人員及管理風(fēng)險（B4）。對趙口引黃灌區(qū)二期工程而言，作業(yè)環(huán)境類（B2）危險源屬于Ⅳ級危險源，需要特別關(guān)注。

（2）施工作業(yè)類（B1）危險源中，混凝土工程（C5）對作業(yè)安全影響最大，明挖工程（C1）中的地下水活動強烈地段開挖（D4）風(fēng)險較大，為4級風(fēng)險。

（3）作業(yè)環(huán)境類（B2）危險源的風(fēng)險主要由不良水文地質(zhì)（C9）引發(fā)，主要包括地震砂土液化問題和地下水對鋼筋混凝土的腐蝕。

（4）對于建筑材料類（B5）危險源，需要重點把控鋼筋、水泥等建材的合格率，同時保證配合比等試驗的規(guī)范性和代表性。

（5）操作機械設(shè)備的規(guī)范性相對重要于設(shè)備的性能，施工作業(yè)人員的不安全行為比管理監(jiān)督不力更容易使風(fēng)險擴大。

（6）指標(biāo)體系中同一因素里同級指標(biāo)的權(quán)重值大多數(shù)相差較大，說明就影響程度而言各指標(biāo)主次分明，有利于風(fēng)險防控時防控重點的把握。

4 風(fēng)險防控

根據(jù)各級指標(biāo)的權(quán)重和風(fēng)險等級，提出風(fēng)險防控措施。

（1）在進行基坑開挖作業(yè)前，需要先進行基坑降排水施工。如采用井點降水法，把地下水位降至水閘基底面0.50 m以下。

（2）基坑開挖時要嚴格控制開挖的深度和坡率，經(jīng)地基承載力試驗檢測，對不符合要求的軟弱地基需要進行換填、夯實等處理。

（3）對于液化嚴重的砂土地基可以采用強夯置換法、砂石樁法等擠密法進行處理，也可采用挖除換填法或使用樁基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)。

（4）基礎(chǔ)混凝土應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤奶匦赃x擇相應(yīng)的水泥種類進行拌和。如水中硫酸根離子含量較高，則需要選擇抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，同時降低水灰比、適當(dāng)添加引氣劑。

（5）嚴格按規(guī)范要求的澆筑順序澆筑，根據(jù)實際需要選擇適當(dāng)?shù)恼駬v設(shè)備進行振搗。在振搗時確定混凝土無明顯下沉后才能停止?jié)仓┕ぃ瑫r避免出現(xiàn)過振搗和欠振搗問題，澆筑后加強養(yǎng)護方可獲得較好的施工效果。

（6）由專人負責(zé)建筑材料的選擇和各項指標(biāo)檢測，嚴格進行各項試驗，確保材料質(zhì)量合格、拌和出來的混凝土性能優(yōu)良。

（7）動工前先對不同工種的施工作業(yè)人員進行針對性的培訓(xùn)，關(guān)注作業(yè)人員身心健康、提升整體作業(yè)水平，安排專人負責(zé)機械設(shè)備操作、定期維護和標(biāo)定設(shè)備。

（8）完善質(zhì)量監(jiān)督制度，明確劃分管理人員的權(quán)利和責(zé)任，讓每人都對工程質(zhì)量負責(zé)。

（9）依據(jù)計算結(jié)果，權(quán)重大或風(fēng)險等級較高的危險源需要重點防控，提前制定應(yīng)急預(yù)案。

5 結(jié) 論

針對大型灌區(qū)水閘工程建設(shè)期的危險源識別和風(fēng)險評價開展研究，得到如下結(jié)論：

（1）運用工作分解結(jié)構(gòu)法進行危險源識別和基于層次分析法采用綜合安全評分衡量風(fēng)險大小，操作簡便，結(jié)果簡單明了。對參與打分的專家進行賦權(quán)，在很大程度上削減專家主觀意識對結(jié)果的影響。

（2）在實際工程中為了準確、高效地抓住防控重點，避免盲目采取措施造成不必要的損失和浪費，充分運用本研究中所提出的危險源識別和風(fēng)險評價模型與方法，依據(jù)計算結(jié)果采取相應(yīng)措施。

（3）本研究中的危險源識別和風(fēng)險評價都是靜態(tài)的，很難從中探索出危險源的時空演化規(guī)律，不利于風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的建立。因此，對建設(shè)期危險源動態(tài)識別和時空演化規(guī)律的研究還需進一步開展。