淮河流域水闸安全评估技术研究

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

1 研究背景

淮河流域现有大型水闸300 余座、中型水闸1400 余座、小型水闸近万座，分布广泛，类型齐全。这些水闸在防洪除涝、蓄水灌溉、拦湖蓄淡、城乡供水、景观旅游方面发挥着重要的作用，具有很强的公益性，促进了当地水资源的合理开发利用、国民经济的发展和生态环境的改善。与此同时，这些水闸大部分运行已达30～50年，建筑物接近使用年限，水闸在运行过程中逐渐产生老化病害，导致建筑物的安全性、适用性和耐久性下降，功能得不到正常发挥，逐步产生安全隐患。既影响防洪安全和兴利效益的发挥，又给所在地区日益发展的国民经济造成不可忽视的制约和威胁。

深入研究水闸的安全评估技术，快速准确地对水闸进行安全评估，为水闸运行管理部门和主管部门提供决策依据，就可使主管部门得以按轻重缓急制定合理的水闸除险加固计划，从而防止事故的发生，避免资金的盲目投入。因此，开展水闸安全评估技术研究具有重要的工程应用价值和深远的社会意义。2011年作者申报了水利部公益性行业科研专项经费项目（编号：201101013），开展了相关研究工作。

2 需要解决的问题

现行水闸安全评估指导文件原则性较强，量化指标相对缺乏，未形成完整的量化评估过程。水闸安全评估工作在具体操作时缺乏统一的标准，随意性较大，造成了病险水闸的评估不够准确。有鉴于此，国内学者和工程技术人员从不同角度展开了水闸安全评估研究工作，并取得了一定的成果。由于我国水闸量大面广、形式多样、病害复杂，水闸安全评估工作仍存在一定的滞后，尚有一些问题需要进一步研究和解决。

2.1 病险水闸样本数量及类型

目前的研究成果大多是通过对某座闸或某几座闸进行深入研究得出的，对研究对象而言，工程应用效果较好，但样本数量及类型不足，代表性稍差。

2.2 评估指标体系及指标权重

评估指标体系及指标的权重直接影响着评估结果，已有的研究多针对某个具体工程部位，对水闸的整体性安全考虑不充分，存在代表整体性病害的指标和代表细部病害的指标在层次划分上不合理，权重分配上区分不明显，没有考虑关键指标的决定性作用。

2.3 水闸安全等级

目前的研究对水闸安全等级的划分，多参照SL214-2015《水闸安全评价导则》分为四类，没有从工程实践角度明确提出可操作性强的划分三、四类闸的标准；SL214 中对三、四类水闸的划分，原则性较强、量化指标相对缺乏，未形成完整的量化评估过程，易造成病险水闸评估结果的不准确。

2.4 技术性和经济性

已有的研究多集中在病险水闸当前状态的评估上，对病险水闸的除险加固方案、可加固性、加固后的寿命、除险加固的费用及维修养护费用等因素考虑较少。

3 研究内容

3.1 淮河流域水闸病害样本库的建立

2008年，淮河流域开展了大中型病险水闸的除险加固专项规划工作，共有598 座大中型水闸列入规划，其中绝大部分进行了安全评估工作，资料较为齐全。研究选取其中具有代表性的58 座水闸工程作为样本，包含节制闸（72%）、挡潮闸（9%）、分洪闸（9%）、排水闸（5%）、进水闸（3%）和防洪闸（2%）六类水闸。

通过查阅58 座病险水闸的安全评价报告，并进行现场调研，对水闸工程的病害及其表现形式进行了统计分析，将水闸病害划分为防洪能力、结构安全、渗流安全、工程质量、金属结构及电气设备和运行管理六个类别，各个类别又可细分为若干小类别。各类病害所占比例见图1。

水闸工程质量方面的病害占很大的比例，淮河流域大部分水闸建于20世纪50年代至70年代，材料老化、破损的现象明显。

防洪能力的病害主要是消能防冲设施尺寸不满足要求，其次是过流能力和闸顶高程不满足要求。

结构安全方面，各部件的病害严重性各不相同。闸墩混凝土强度不足的病害最多，其次是闸室的地基不均匀系数和排架柱混凝土强度不满足要求，闸室稳定不满足要求也占较高比例。交通桥大梁主要是混凝土强度不满足现行规范的较多，其次为配筋问题。

渗流安全方面，止水老化、渗径长度不足的病害所占比例较高，其次是渗透稳定性和排水设施病害。

工程质量方面，裂缝病害最普遍，其次是上下游护坡的破损病害，混凝土碳化病害也较突出。

金属结构及电气设备方面主要是钢闸门和启闭机的病害，其中老化病害比例最高，其次为闸门的挡水能力和启闭机启闭能力不足；电气设备病害主要是老化和配备不完善。

运行管理方面，安全监测设施失效或不完善，管理用房、交通等辅助设施破损，技术人员不足是主要问题。

3.2 病害成因分析

分析水闸工程病害问题存在的原因，主要有规划设计、建设管理与工程施工、环境与荷载及运行管理四个方面，见图2。

3.3 安全评估指标体系建立

通过前述水闸工程病害分布及成因，从防洪能力、结构安全、渗流安全、工程质量、金属结构及电气设备和运行管理6 个方面建立水闸安全评估的层次化指标体系（见图3）。其中水闸安全状况的综合评估作为第一层；防洪能力、结构安全、渗流安全、工程质量、金属结构及电气设备和运行管理作为第二层的6 个一级评估指标，体现评估目标的评估准则；其他层为便于量化和描述的直接评估指标，是工程资料中数据信息的具体反映。

3.4 安全评估集设计

图1 评估要素病害比例图

在指标层次结构中，每两个相邻上下层之间都具有关联隶属关系，每一级都是其上一级的评估信息源，也是其上一级的一个评估分目标，而对每一级的安全评估又都是其下一级安全评估的综合。如此逐级递归综合评估后，最终可得到水闸安全状况的评估结果。

安全评估结果的等级划分有多种，不同行业也有不同的划分方法，各层评估指标和最终评估目标也有不同的评估集。

本文将水闸安全评估等级划分为正常、基本正常、病险三级；对规范中强制性条文有明确数值要求的评估指标，如抗滑稳定安全系数等，分为正常、病险两级，其余指标分为正常、基本正常、病险三级。

3.5 指标的度量及赋权

确定评估指标后，需要解决这些评估指标的量化，以实现水闸安全的量化评估。评估指标以不同的形式存在，根据其性质可分为两类：一类是定量指标，可根据统计资料查出或者计算出指标值；另外一类是定性指标，这类指标较难量化，在评估中如何克服人为主观因素是一大难题。定量指标可以通过一定的数学处理方法，比如线性方法、指数方法把现有数据进行无量纲化处理，得到一个处于一定范围内，可以比较的数据。定性指标的定量化，通常的作法是结合具体技术参数等情况，由不同专家对同一指标分别进行量化，然后进行数据处理，得到一个标准化的定量数据，使各评估指标之间具有可比性。

指标层次结构中的下层评估指标对上层评估指标的影响程度不尽相同，因此，应根据评估指标的相对重要性，合理确定评估指标权重系数。目前水闸安全评估权重系数多根据专家经验采用层次分析法得出。作者采用改进模糊层次分析法，计算各评估指标的权重。主要步骤如下：

3.5.1 确定层次结构

把水闸工作性态这一复杂问题系统化、条理化、层次化。

3.5.2 聘请专家构造两两比较判断矩阵

以ui表示诊断指标，ui∈U（i=1，2，…m）；标度值rij表示ui对uj（j=1，2，…m）的相对重要性数值，rij的取值按“改进0.1～0.9 标度法”准则进行，其中，rij值越大，表明指标ui的重要性越强。

3.5.3 将模糊判断矩阵变为模糊一致矩阵

3.5.4 计算相对权重，方法同层次分析法。

3.6 变权模糊层次评估模型

水闸安全评估要考虑的因素很多，每个因素又包含多个层次，需要首通过低层次的各指标进行模糊评估，然后不断地对上一层次的各指标进行模糊评估，直到得出水闸安全状况的评估结果。

水闸是由一系列既相互联系又相互独立工作的设施部件组成的综合体，其安全状况的恶化经常是从某局部地方开始而最终导致整个工程的失事，这种恶化现象经常可以被部分指标所反映，在此情况下，假如按常规的权重确定方法，极有可能掩盖水闸的真实安全状况。为了保证评估结果的合理性，就需要动态地增大或减小某指标的权重。

以三层指标结构为例说明对水闸进行变权模糊层次评估的主要步骤如下：3.6.1 确定因素集

设第一层指标为水闸安全状况 ；第二层指标集为U={u1，u2，…，un} ；划分其中的ui（i=1，2，…n），得第三层指标集为Ui={ui1，ui2，…，uim}。

图2 水闸病害成因图

图3 水闸安全评估指标体系图

3.6.2 设计评估集

水闸安全评估集为V={v1，v2，…，vp}。

3.6.3 建立权重向量

3.6.4 进行模糊评估

ui指标下属第j 个指标为uij，其隶属于评估集中第k 个元素的隶属度为rijk。则对ui进行模糊评估：

对评估向量（bi1，bi2，…，bip）应用最大隶属度原则或加权平均原则可得到ui的模糊综合评估结果。向上一层综合。ui属于评估集中第k 个元素的隶属度为rik，则（ri1，ri2，…rip）=（bi1，bi2，…，bip），对第一层指标“水闸安全状况”U 进行模糊评估：

对评估向量（b1，b2，…，bp）应用最大隶属度原则或加权平均原则可得到第一层指标“水闸安全状况”的模糊综合评估结果。

四层以上指标结构依上述步骤递推即可。

3.7 工程应用示例

3.7.1 工程概况

某水闸是一座集灌溉、排涝、发电等综合利用的水利枢纽工程，为Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物级别为2 级。闸室采用钢筋混凝土开敞式结构，反拱式底板，共8 孔，每孔净宽10.0m，闸室总宽92.8m，闸室顺水流方向长21.1m。闸顶高程38.70m，闸底板高程27.76m；工作闸门为平面钢闸门，闸门尺寸为10×8m（宽×高），配2×400kN 的卷扬式启闭机。工程运行30 多年来，多次对该闸进行维修加固，1989年对闸下游增设了二级消力池、海漫、防冲槽等消能防冲设施。

3.7.2 安全评估指标体系

结合工程实际情况，采用图3中的三层指标结构。

3.7.3 变权模糊层次评估

采用上述步骤评估该水闸安全状况。

底层指标安全值及考虑关键性指标变权后的权重分配见表1。

对第二层指标进行综合评估，得出该水闸安全状况评估结果

B=A·R=（0，0.17，0.83），由于max（0，0.17，0.83）=0.83，根据最大隶属度原则可评估该水闸安全等级为“病险”。

4 研究的创新性

（1）在传统专家调研法的基础上，结合层次分析的理论和方法，构建了包含防洪能力、结构安全、渗流安全、工程质量、金属结构及电气设备和运行管理六个方面内容的安全评估指标体系，具有评估内容全面、指标相对独立、逻辑关系清晰和可操作性强的特点。

（2）在水闸安全模糊层次评估模型中，提出了“关键性指标”的概念，实现了评估指标权重的动态调整，克服了常权法在权重分配中的不足，建立了水闸安全评估的变权评估模型。

（3）将水闸安全划分为正常、基本正常和病险三个等级，对于等级划分为病险的水闸采用考虑水闸可加固性、加固后寿命、加固费用及维修养护费用等因素的方法，使其与现行规范的三、四类水闸安全类别相对应。

（4）从淮河流域病险涵闸中，选取具有代表性的58 座水闸和62 座涵洞，对其病害进行调查、统计和分析，建立了水闸工程病害样本库。

5 研究成果

课题形成研究报告6 本，培养硕士研究生7 人，发表论文22 篇，出版专著一本。

表1 某水闸底层指标安全值及权重分配表

2015年11月，水利部国科司召开验收会议，认为研究按期全面完成工作内容，研究成果丰富，达到预期目标，同意通过验收：综合评价等级A。

2020年1月，安徽省水利学会邀请专家对研究成果进行了独立评价，认为研究成果丰富了水闸安全评估理论，促进了水闸安全评估技术进步，推广应用前景广阔。成果总体达到国际先进水平，部分成果达到国际领先水平。

2020年5月，研究成果获淮河水利委员会科学技术一等奖。

应用水闸安全评估技术研究成果，可使水闸的各项不安全因素得到量化处理，便于专家鉴定时对水闸安全状况作出客观的评价，有效减少了水闸安全评估过程中人为主观因素的影响，同时还可以缩短评估周期，使得评估结论更加合理。研究成果的应用可为病险工程的除险加固奠定基础，为现有水闸工程的运行管理提供技术支撑，具有良好的经济效益和社会效益■