基于生命周期成本的某水閘維修加固方案優(yōu)化

李俊逸

(新疆塔里木河流域干流管理局新其滿管理站，新疆 阿克蘇 842200)

建國(guó)以來(lái)，為了應(yīng)對(duì)水患和充分發(fā)揮有限水資源的價(jià)值和作用，各級(jí)政府投入大量的人力物力興建水利工程設(shè)施，對(duì)農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了十分重要的作用。時(shí)至今日，許多建成于20世紀(jì)70年代的許多水利工程，特別是水閘仍發(fā)揮著巨大作用。但是，這些水閘在設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)受到當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)等因素的制約，大多存在設(shè)計(jì)不合理、施工技術(shù)水平落后以及后期維護(hù)不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，因此存在不同程度的病險(xiǎn)問(wèn)題[1]。由于水閘等大型水利工程一旦失事，將會(huì)造成十分嚴(yán)重的后果，因此有必要對(duì)這些病險(xiǎn)水閘進(jìn)行維修和加固，保證其長(zhǎng)期安全性和穩(wěn)定性[2]。

從生命周期的視角來(lái)看，組成水閘工程的各個(gè)構(gòu)建均有自己的生命周期，且一般小于整體水閘的工程周期。因此，對(duì)組成水閘的構(gòu)件進(jìn)行必要的健康診斷，對(duì)有問(wèn)題的部分進(jìn)行加固乃至更換，可以有效提升水閘的整體性能，有效延長(zhǎng)水閘的壽命和服役年限[3]。由于我國(guó)的大多數(shù)水閘已經(jīng)運(yùn)行了五六十年，基本步入其生命周期的“中老年”，因此健康狀態(tài)呈現(xiàn)出不斷惡化的態(tài)勢(shì)不僅有較多的地方需要維修加固，且加固的次數(shù)也愈加頻繁，導(dǎo)致工程的運(yùn)行管理成本不斷攀升。對(duì)于水閘工程的維修加固而言，全方位、更好的維修加固措施往往意味著更多的資金投入，水閘的整體安全水平提升效果也更顯著[4]。但是，節(jié)能高效的現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)威脅計(jì)劃的成本投入提出了新的、更高的要求。因此，如何保證水閘結(jié)構(gòu)在全生命周期內(nèi)的安全性要求，同時(shí)又體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)層面的合理性，就成為當(dāng)前水閘維修結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中亟待解決的問(wèn)題。基于此，此次研究以某水閘為例，探討基于生命周期成本的維修加固方案優(yōu)化方法，以便為相關(guān)類(lèi)似研究提供理論和實(shí)踐方面的借鑒。

1 研究過(guò)程與方法

1.1 工程背景

此次研究以某水閘為例展開(kāi)，其基本概況如下：該水閘是一座干流控制性水利工程，其閘底高程為7.5m，閘頂高程為19.5m，共有16孔，單孔凈寬為4.20m，閘室的總寬度為81.24m，水閘工程的全長(zhǎng)為173.06m，閘孔凈高為4.00m，設(shè)計(jì)流量為823m3/s。閘室的底板為寬頂堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用消力池進(jìn)行消能，其池底的高程為5.00m，水閘的閘門(mén)為平面鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)，啟閉機(jī)為QP2×125kN卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，備有4套浮箱式檢修閘門(mén)，閘墩和胸墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號(hào)為C30，水閘交通橋橋面高程為19.5m，凈寬8.00m，為雙向單車(chē)道設(shè)計(jì)。該水閘建成于20世紀(jì)70年代初，于1973年正式投入使用，截止2022年已經(jīng)服役49年。該水閘由于設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，加上長(zhǎng)期運(yùn)行和維護(hù)不善，一直受到病險(xiǎn)問(wèn)題的困擾，截止2016年，已經(jīng)進(jìn)行了5次出現(xiàn)加固，基本解決了關(guān)鍵性的病險(xiǎn)問(wèn)題，目前處于基本安全狀態(tài)。

1.2 優(yōu)化方法與過(guò)程

1.2.1 維修計(jì)劃優(yōu)化內(nèi)容

基于全生命周期的水閘維修方案優(yōu)化，其內(nèi)容包含維修方法優(yōu)化和維修時(shí)間優(yōu)化兩大基本維度。

首先，水閘的維修計(jì)劃優(yōu)化的本質(zhì)就是有效平衡維修的成本和效果[5]。顯然，不同的水閘維修方法需要的成本存在一定的差異，同時(shí)在維修效果方面也有所不同。一般來(lái)說(shuō)，所謂好的維修計(jì)劃就是通過(guò)加倍的維修成本投入達(dá)到盡可能好的維修效果。因此，在水閘維修方案優(yōu)化過(guò)程中，維修方法的選擇和優(yōu)化極為必要。

其次，水閘的維修時(shí)間間隔是全生命周期內(nèi)維修次數(shù)的主要影響因素，而維修次數(shù)會(huì)直接影響維修的成本。顯然，較短的維修時(shí)間間隔會(huì)導(dǎo)致維修成本的抬升，但能夠使水閘性能維持在一個(gè)相對(duì)較高的水平；反之，維修時(shí)間間隔的增加有助于降低維修成本投入，但必然會(huì)降低水閘的結(jié)構(gòu)性能[6]。因此，全生命周期視角下水閘維修方案優(yōu)化需要協(xié)調(diào)好維修成本和維修效果，確定最佳的維修時(shí)間。從時(shí)間序列來(lái)看，水閘維修可以分為定期維修和必要性維修兩種基本方式。顯然，上述兩種基本的維修方式均有自身的優(yōu)勢(shì)和不足?；诖?，此次研究在全生命周期的視角小下，探求最佳的維修時(shí)間間隔，最大限度發(fā)揮資金的作用和價(jià)值。

1.2.2 維修方案優(yōu)化模型

假設(shè)背景工程由n個(gè)需要考慮的構(gòu)建組成，以上述優(yōu)化內(nèi)容為基礎(chǔ)，確定維修加固方案優(yōu)化模型。其中，模型的決策變量表達(dá)式為：

(1)

目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為：

(2)

模型的約束條件為：

Sn≥[S]

(3)

式中，X—模型的維修策略變量；tmn—水閘構(gòu)件n進(jìn)行第m次維修的時(shí)間間隔，a；kmn—水閘的構(gòu)建n進(jìn)行第m次維修時(shí)所采用的維修方法；Ct—水閘結(jié)構(gòu)的整體維修奮勇，元；CRi—水閘的各個(gè)構(gòu)建的具體維修費(fèi)用，元；Sn—水閘的結(jié)構(gòu)性能；[S]—水閘結(jié)構(gòu)性能的最低允許值。

1.2.3 計(jì)算方法

遺傳算法是一種以生物進(jìn)化規(guī)律為思路借鑒的隨機(jī)優(yōu)化搜索方法，比較適合此次研究的需要，因此研究中利用該方法進(jìn)行模型的求解計(jì)算[7]。一般來(lái)說(shuō)理想的理論往往相對(duì)比較復(fù)雜，在實(shí)際操作中存在較多的困難和不確定性，因此在此次研究中一般的計(jì)算方式進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，提出如下比較可行的實(shí)施步驟：

首先，由水閘的管理部門(mén)和相關(guān)專(zhuān)家對(duì)水閘的現(xiàn)狀和維修需求進(jìn)行綜合評(píng)估，確定出一個(gè)恰當(dāng)、可行的水閘建筑物維修次數(shù)范圍。這里需要說(shuō)明的是資金和人員工作對(duì)維修次數(shù)的影響最為顯著[8]。一般來(lái)說(shuō)，如果水閘的管理單位有充足的資金支持更多次數(shù)的維修，且維修工作不會(huì)對(duì)水閘維護(hù)人員的相關(guān)工作開(kāi)展產(chǎn)生顯著負(fù)面影響，可以考慮適當(dāng)增加維修次數(shù)。當(dāng)然，如果資金比較缺乏，則可以考慮適當(dāng)減少維修次數(shù)。對(duì)于背景工程，目前已經(jīng)使用了49年，預(yù)計(jì)其生命周期還有50年，結(jié)合實(shí)際情況認(rèn)為在剩余的生命周期內(nèi)準(zhǔn)備大修5～8次。

然后，將上一步確定的維修次數(shù)范圍納入模型計(jì)算的限制條件，并在其范圍內(nèi)考慮維修方法和成本的平衡，并利用模型計(jì)算獲取不同維修次數(shù)下的具體費(fèi)用。計(jì)算過(guò)程中利用MATLAB進(jìn)行遺傳優(yōu)化算法的計(jì)算，設(shè)置種群規(guī)模為800，染色體長(zhǎng)度為16，交叉概率為0.7，變異概率為0.3，進(jìn)化次數(shù)為500。

最后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)比確定成本最低的維修方案，即為最終的優(yōu)化方案。

1.3 計(jì)算方案

對(duì)于水閘維修加固而言，具體的維修方法和加固措施的具體費(fèi)用和可以達(dá)到的加固效果的相關(guān)研究不多，因此較難獲得具體的量化值，因此在此次研究中僅能予以簡(jiǎn)單的定性處理。同時(shí)，關(guān)于水閘結(jié)構(gòu)的多種維修措施的疊加效果研究也比較復(fù)雜，尚無(wú)可以借鑒的成果，因此研究中假定每次維修中各個(gè)結(jié)構(gòu)也僅采用一種固定的維修措施。基于此，研究中針對(duì)背景工程的實(shí)際情況，確定5種不同的維修加固方式，其對(duì)應(yīng)的加固效果和投資水平見(jiàn)表1。

表1 維修加固方式設(shè)計(jì)表

2 計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的模型以及提出的計(jì)算思路與方法，針對(duì)背景工程生命周期內(nèi)的大修方案進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，獲得大修次數(shù)分別為5、6、7、8次的最佳維修計(jì)劃，結(jié)果分別見(jiàn)表2—5。從計(jì)算結(jié)果可以看出，不同大修次數(shù)下的最佳維修計(jì)劃方案均可以滿足使用年限的要求，但是各方案的全生命周期維修加固費(fèi)用存在較大的差異，在修次數(shù)分別為5、6、7、8次的情況下，全生命周期的維修總費(fèi)用分別為794.3萬(wàn)、633.0萬(wàn)、505.3萬(wàn)、517.5萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，較少的大修次數(shù)并不能實(shí)現(xiàn)維修總費(fèi)用的降低，反而會(huì)導(dǎo)致全生命周期維修費(fèi)用的大幅升高。例如，大修次數(shù)為5次時(shí)，最佳維修計(jì)劃的總費(fèi)用為794.3萬(wàn)元，與維修次數(shù)為7次時(shí)的費(fèi)用相比，增加約57.19%。當(dāng)然，大修次數(shù)過(guò)多時(shí)全生命周期的維修費(fèi)用也會(huì)升高?？傮w來(lái)看，對(duì)背景工程而言，當(dāng)大修次數(shù)為7次時(shí)的全生命周期費(fèi)用最低，其對(duì)應(yīng)的維修方案為最佳維修方案。

表2 大修次數(shù)5次最佳維修計(jì)劃

表3 大修次數(shù)6次最佳維修計(jì)劃

表4 大修次數(shù)7次最佳維修計(jì)劃

表5 大修次數(shù)8次最佳維修計(jì)劃

研究中對(duì)最佳方案條件下的水閘的結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出結(jié)構(gòu)可靠度隨時(shí)間變化曲線，結(jié)果如圖1所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著年限的增加，結(jié)構(gòu)可靠度呈現(xiàn)出不斷下降的變化特點(diǎn)，當(dāng)年限為52年時(shí)的結(jié)構(gòu)可靠度為0.59，已經(jīng)低于0.6。由此可見(jiàn)，在本文提出的最佳方案條件下，可以保證水閘再安全服役52年，由于水閘本身已經(jīng)服役49年，加上后續(xù)安全服役年限53年，可以完全保證該水閘最低服役100年的基本要求。

圖1 最優(yōu)方案結(jié)構(gòu)可靠度變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

水閘的維修加固對(duì)提升其安全水平，保證其功能發(fā)揮具有重要意義和作用。在服役期限內(nèi)，采用最小的維修成本獲得最佳的維護(hù)效果一直是學(xué)界和工程界所關(guān)注的重點(diǎn)。此次研究以具體工程為背景，探討全生命周期水閘維修加固方案的優(yōu)化計(jì)算方法，并獲得背景工程的最佳維修加固方案，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然，維修方法的效果和成本都是最優(yōu)方案的影響因素，但是目前可以用于量化研究的相關(guān)資料較少，因此研究中僅針對(duì)固定維修措施展開(kāi)。在今后的研究中，需要針對(duì)不同維修方式的組合進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究，以便獲得更為全面的研究成果，為工程應(yīng)用提供更有利的支持。