引大入秦工程隧洞安全评价研究

靳春玲

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰 州 7 30070）

引大入秦工程隧洞安全评价研究

靳春玲

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰 州 7 30070）

采用PSR模型，结合项目调研成果选取了31个影响隧洞安全的PSR指标，并采用AHP法确定各PSR指标的权重，将引水隧洞的安全状态划分为五个等级，综合评价引水隧洞所处的安全状态。最终根据PSR指标相关分析的结果，确定影响引水隧洞安全运营的五项主要因素。

引大入秦；引水隧洞；PSR模型；AHP；安全评价

0 引 言

引水工程是世界各国用于解决水资源在时间上、空间上分布不均的主要措施和手段，缺水问题严重制约着当地经济社会的发展和人民生活水平的改善。引水工程是为了满足生产、生活以及生态环境等方面的水需求而兴建的。我国在西部干寒少雨地区投资建设了大量的引水工程，引大入秦工程就是其中之一，由于地形条件限制，这些地区的引水工程全线设计了许多隧洞，随着工程的建设和投入使用，引水隧洞的安全问题也随之暴露出来[1]。

1 引水隧洞安全评价理论

1.1 引水隧洞安全评价的定义

为满足水电工程各项任务而在山体中或地下开凿的过水隧洞统称水工隧洞，可用于泄洪、灌溉、引水发电、供水、尾水、放空、排沙、输水、施工导流和通航等。水流在洞内具有自由水面的，称为无压隧洞；充满整个断面，使洞壁承受一定水压力的，称为有压隧洞。一般引水发电型的隧洞是有压的，灌溉渠道上的隧洞一般是无压的，跨流域引调水工程一般都采用无压隧洞的型式，适用于水面变幅较小、水面全程与空气保持贯通的区域。本文的研究对象是针对西部干寒地区的无压引水隧洞——引大入秦工程，综合考虑在其运营期间所处的压力、状态、响应等方面的指标，对引水隧洞的安全状态进行综合评价[2]。

1.2 引水隧洞安全评价研究进展

目前针对跨流域引水工程安全研究不少，例如司春棣博士提出了引水工程安全保障体系的概念，从安全评价系统和应急系统两个层次进行研究，并采用模糊多维标度法研究定性评价指标进行量化的问题[3]。胡连兴博士研究了长距离引水隧洞群施工仿真问题[4]。夏富洲等对渡槽的安全运行进行了研究[5]。唐纯喜针对长距离输水工程的可靠度进行了研究，在计算精度和效率方面取得了进展[6]。王克忠等应用三维物理模型渗透试验对深埋隧洞的渗透机理进行研究，设计制作了高渗透压下深埋引水隧洞的模型进行试验模拟研究[7]。

2 引水隧洞安全评价指标体系的构建

2.1 PSR模型的引入

应用PSR模型对城市水安全的评价研究方面取得了一定进展，本文通过PSR模型创建指标体系对引水隧洞进行安全评价。P（pressure）——压力,指人类活动引起的引水隧洞安全问题的压力因素，例如供水量不均、季节性供水、隧洞病害、干旱或洪涝威胁等；S（state）——状态，指与引水隧洞安全相关的环境等要素当前所处的状态或表征指标，如环境状态、社会经济状态、资源状态等；R（response）——响应，指人类在社会经济活动和政策方面对引水隧洞安全问题的能动反映，如政策导向、管理和维修资金的投入与使用等[8]。

2.2 基于PSR的引水隧洞安全评价指标选择

根据引大入秦工程隧洞维修施工现场及引大入秦管理局的调研结果，结合多名专家意见，从众多影响引水隧洞安全运行的指标当中进行排序筛选，最终研究确定了PSR指标，共选取了10个要素31个指标，具体要素层和指标层的构建见表1。

表1 基于PSR模型的引水隧洞安全评价指标体系及权重

2.3 基于AHP的指标权重确定

采用层次分析法（AHP）确定引水隧洞安全综合评价指标的权值。AHP法是指标权重确定的较有效方法，将相互关联的要素按隶属关系分层，建立起层次清晰的指标结构体系，利用专家调查访问所得的意见，给出各层次要素的权重值。根据17位专家的问卷调查结果，建立准则层–要素层、要素层–指标层判断矩阵，将数据进行计算处理，最后得出引水隧洞安全评价指标权重（见表1中的计算结果），31个指标权重值满分为100分。

3 建立综合评价标准

将引水隧洞各项安全评价指标量化分级，参考国内外近期研究成果，结合目前引水工程建设现状和社会经济发展水平，评价体系选取了31个指标来评判引水隧洞安全状态，将引水隧洞安全状态划分为5个等级。

（1）非常安全。引水隧洞供水均衡、稳定，与社会经济协调发展，隧洞病害发育迟缓，对供水效率没有直接影响。

（2）安全。引水隧洞供水比较均衡，能够满足社会经济发展需求，隧洞病害有所发育，但是经过必要的维护保养对供水效率不构成严重影响。

（3）基本安全。引水隧洞供水受季节性需求影响较大，基本满足社会经济发展需求，隧洞病害发育明显，需要断水进行维修和改造方能满足供水需要。

（4）不安全。引水隧洞供水受各方压力较大，受结冰期长等季节性影响严重，需要严密调度管理才能基本满足社会经济发展需求，隧洞病害发育快速，跑冒滴漏现象较严重，需要断水进行大面积维修和改造方能继续投入使用。

（5）极不安全。引水隧洞供水受各方压力影响非常大，受结冰期长等季节性影响极为严重，已经不能满足社会经济发展需求，隧洞病害发育恶化，跑冒滴漏现象非常严重，需要长时间断水进行大面积维修和改造方能继续投入使用。

引水隧洞安全评价综合指数由各个子指标加权求和获得，即

式中：xi表示各指标的权重值；yi表示具体项目指标标准化后的数值；i表示选取的31个指标。

将数据标准化出来后S≥85时引水隧洞安全级别为“非常安全”；75≤S＜85时引水隧洞安全级别为“安全”；65≤S＜75时引水隧洞安全级别为“基本安全”；55≤S＜65时引水隧洞安全级别为“不安全”；S＜55时引水隧洞安全级别为“极不安全”。

4 应用PSR指标对引大入秦工程引水隧洞进行安全评价

4.1工程概况

引大入秦工程是我国20世纪规模最大的自流引水灌溉工程，被称为“中国的地下运河”。工程于1976年开工建设，1981年停工至1987年复工，主体工程于2001年底全面建成并试水运行，工程供水能力达到4.43亿m3/a。为了满足兰州新区供水的需求，引大入秦工程于2013年11月中旬全面停水进行加固改造，以提升供水能力。

表2 引大入秦工程引水隧洞安全评价指标yi及各指标权重xi值

4.2 引大入秦工程引水隧洞安全综合评价

目前，引大入秦工持续程供水近25 a，考虑引水隧洞的P-S-R各方面指标，选择引大入秦工程管理局的总工、维修设计及施工管理人员、在职研究生等7人进行项目打分。针对专家的职称和工作经验取权重，高级职称取0.6，中级职称0.2，初级职称取0.1，在职研究生取0.1。将7位专家打分结果进行综合后得出引大入秦工程引水隧洞安全评价指标（见表2）。

将评价指标代入公式，计算得出引大入秦工程引水隧洞安全评价综合指数S。

由于75≤S＜85，说明引大入秦工程引水隧洞的状态为“安全”，引水隧洞供水能够满足为兰州新区供水的需求。隧洞病害虽有所发育，但是经过必要的维护保养，对供水效率不构成严重影响。

5 结 论

引水工程建设是我国西部地区用以缓和或解决经济发展的重要措施，引水隧洞是西部地区引水工程的一个典型建筑物类型，针对引水隧洞安全问题的研究具有很高的应用价值。

（1）基于P-S-R概念的评价理论广泛应用在环境、生态可持续发展领域，提出将其应用到引水隧洞安全评价指标体系的构建上，为建立普遍适用的引水工程安全评价方法提供了新的思路。

（2）根据表1的计算结果，可以得出P-S-R各指标之间的关系。隧洞底板裂缝、水蚀蜂窝麻面是影响引水隧洞安全运营的主要因素；人均水资源占有量是保证供水效率前提条件；维修资金的投入与使用是保障系统正常运行的必要措施；侧壁裂缝、渗漏、混凝土剥落是造成隧洞渗漏等安全隐患的关键因素；地质条件差，风化、滑坡、地表湿陷等是影响引水隧洞正常运行的重要不良要素。在对引水隧洞安全维护工作中可以对这些关键因素重点监控，提前采用应对措施。如可以通过在隧洞供水期的变形监测工作，获得隧洞底板、侧壁及顶拱支护系统的变形测量、监测支护位移、涌水量等方面的数据，为选择停水维修时机提供最直接的参考，同时为今后类似气候环境区域规划、设计、施工引水隧洞提供有效的借鉴。

[1]靳春玲，贡力.基于PSR模型的西部干寒地区引水明渠安全评价研究[J].城市道桥与防洪，2015（10）:168-170

[2]靳春玲，贡力.引洮工程中隧洞常见病害分析 [J].人民黄河，2012，34（10）：108-110.

[3]司春棣.引水工程安全保障体系研究[D].天津：天津大学，2007.

[4]胡连兴.复杂长距离引水隧洞群施工全过程仿真优化与进度控制关键技术研究[D].天津：天津大学，2012.

[5]夏富洲,钱丽云,张军.大型渡槽结构安全性及评价指标体系的研究[J].中国农村水利水电，2011(8):121-123.

[6]唐纯喜.长距离输水工程的关键结构体系可靠度研究 [D].杭州：浙江大学，2007.

[7]王克忠,李仲奎.深埋长大引水隧洞三维物理模型渗透性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(4):725-731.

[8]靳春玲，贡力.基于PSR模型的城市水安全评价研究[J].安全与环境学报，2009，9（5）:104-108.

TV672+.1

A

1009-7716（2017）01-0152-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.044

2016-09-29

国家自然科学基金项目（51541902,51669010）；甘肃省自然基金（1506RJZA082）

靳春玲（1976-），女，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，主要从事水利工程项目管理及水安全研究工作。