南水北调中线河渠交叉建筑物风险评估模型

郭政宇 袁源 郭治君 尹传森 陈宁

摘要：该文基于南水北调中线工程河渠交叉建筑物的设计、材料信息以及工程所处的地理气候信息，考虑不同类型建筑物的各自建筑结构的特点和建筑物的功能，包括施工质量，工程所在地区的不可抗力事件出现的频率等，在查阅地质、勘测、设计、历次验收、运行管理等资料的基础上，结合河渠交叉建筑物的运行情况，基于国内外已有研究成果的基础上，以贝叶斯网络理论分析为基础构建出贝叶斯网络风险评估模型，对风险因子集以及致险因子之间的关系进行了归类分析并以模型的形式呈现出其相关关系。

关键词：南水北调中线工程;河渠交叉建筑物;贝叶斯网络;风险评估模型

前言

南水北调中线工程是具有可持续发展性的惠及民生的世纪性工程。南水北调中线工程调水线路长，工程规模大，沿线有众多渡槽、倒虹吸、箱涵等大型河渠交叉建筑物，面临着相对较大的水毁风险，而这些关键性建筑物一旦被毁坏将会带来无法估量的经济、社会损失。目前，南水北调中线工程基本已经建设完成，通水状态、洪水、人为破坏等事件导致渠道滑坡、坍塌等事故时有发生，而渠道与渡槽、倒虹吸等交叉建筑物连接处是工程相对薄弱之处，是需要运行管理和工程风险防范的重点内容。因此，基于各种相关资料的基础上建立河渠交叉建筑物的风险评估模型来阐述风险因子集以及致险因子之间的关系显得尤为重要。

目前国内外对水利工程的风险评价主要集中在挡水建筑物以及整治建筑物的风险分析，由于南水北调工程总体呈现线性、跨度较大且主要解决输水、引水的相关问题，对于输水、引水建筑物的风险评价还较少，大部分是针对沿线的风险分析，少数是针对工程相对薄弱的河渠交叉建筑物进行风险分析。

考虑到以上风险分析中大多局限在工程的整体以及局限在某个风险因素对工程的影响，未考虑到风险因子集与致险因子之间的关系，因此本文将以渡槽、倒虹吸、箱涵等主要大型河渠交叉建筑物为研究对象，建立起风险因子集以及致险因子之间的相关关系。

传统风险分析方法有些受主观因素的影响，有些受相关公式或系数选取的影响，可信度相对较低，并且这些风险分析方法均不能清晰明了的反映风险因子集以及致险因子之间的关系。因此，为了分析模型具有更高的可信度以及简单明了的反映风险因子集以及致险因子之间的关系，本文将以贝叶斯网络理论分析为基础构建贝叶斯网络风险评估模型。

一、贝叶斯网络模型构建

（一）失效模型分析

考虑到各个河渠交叉建筑物的独特性，为建立可信度较高的风险因子集以及致险因子之间相关关系的模型，本文将以渡槽、倒虹吸、箱涵3类大型河渠交叉建筑物为研究对象，分别进行模式分析。

在对于渡槽、倒虹吸、箱涵这3类河渠交叉建筑物的结构，施工用的材料以及现行工程中所出现的问题研究之后，对这三类关键性建筑物的失效模式得出了以下结论：

渡槽主要破坏模式有整体倒塌、整体失衡、表层混凝土剥蚀及钢筋腐蚀、渗漏水和槽身及支承结构裂缝，这些破坏模式均有可能导致渡槽的功能丧失或者失事;倒虹吸主要失效模式是管身错位、填方段冲毁、管基不均匀沉降、管身裂缝、拦污栅的损毁和止水破损及渗漏;箱涵的失效模式有洞身坍塌、基础失稳、洞身裂缝、渗漏水。

（二）风险因子分析

本文将风险因子主要归为3类：不可抗力、低温冻融、人为因素。

（1）不可抗力

因暴雨洪水以及地质灾害是自然灾害，非人为可控，所以均归为不可控力。

暴雨洪水使得河渠交叉建筑物失效主要有两种形式：暴雨洪水对建筑物的冲击力超过了建筑物本身能够承受的最大的抗冲击能力;暴雨洪水冲刷基础，导致基础的不均匀沉降以及结构失稳，严重时可能会导致建筑结构的倒塌。地形有利于暴雨的形成以及气候相对湿润的地区容易形成特大暴雨，特大暴雨会导致山体滑坡和泥石流，泥石流所携带的固体物质会堵塞河道，造成河道的过流能力不足，洪水不能顺利排出，会抬高水位，改变主流方向，对河道进出口段造成冲刷，致使河道的稳定性不能保证。

地质災害主要是地震，地震的震源、震级不同对河渠交叉建筑物带来的影响不同。地震的震源距离河道位置越近，震级越大，河道被毁坏的概率越大。

（2）低温冻融

低温冻融主要会引起河渠交叉建筑物地基的不均匀沉降以及塑性破坏型裂缝。低温冻融对建筑物的影响主要与建筑物所在的地理位置相关，比如东北，气候常年寒冷，土质常常为冻土。常年冻土以及季节性冻土会对建筑物产生较大的影响，短时冻土对建筑物的影响较小。

（3）人为因素

人为因素主要就是在设计施工上出现致命性缺陷以及在工程运行时，管理养护不到位而引起的河渠交叉建筑物的失效。

（三）网络节点变量的选取

贝叶斯网络风险评估模型选取可能引起南水北调河渠交叉建筑物风险的指标及事件作为该模型的节点

渡槽失效的节点变量分别为不可抗力、低温冻融、人为因素、地基不均匀沉降、基础上抬、边坡失稳、填方土体承载力降低、超标准荷载、止水破损、表层混凝土剥蚀及钢筋腐蚀、裂缝、渗漏水、整体倒塌、槽身倾覆、进出口段失稳、过流能力不足、槽身及支承结构裂缝，具体见表1。

倒虹吸失效的节点变量分别为不可抗力（暴雨洪水，地质灾害）、低温冻融、人为因素、边坡失稳、地基不均匀沉降、基础上抬、管内沉积物、材料老化、管身裂缝、止水破损、拦物栅损坏、渗漏水、漂浮物进管、管身错位、填方段冲毁、过流能力不足、水头损失过大，具体见表2。

箱涵失效的节点变量分别为不可抗力（暴雨洪水，地质灾害）、低温冻融、人为因素、管基不均匀沉降、基础上抬、边坡失稳、涵洞内沉积物、裂缝、防水失效、基底或洞口铺砌冒水、渗漏水、洞身坍塌、基础失稳、过流能力不足、洞身开裂、进出口段失稳、水头损失过大，具体见表3.

结语

本文以贝叶斯网络分析为基础，以渡槽、倒虹吸、箱涵3类大型河渠交叉建筑物为研究对象，根据这三类建筑物各自的特点以及功能等建立了各自的贝叶斯网络风险模型，阐述了风险因子集与致险因子之间的关系。

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作者简介：

郭政宇（2000年03月），女，汉族，河南省中牟县，本科，华北水利水电大学。

袁源（2000年06月），男，汉族，江苏省淮安市，本科，华北水利水电大学。

郭治君（2000年10月），男，汉族，河南省驻马店市，本科，华北水利水电大学。

尹传森（ 1997年10 月），男，汉族，河南封丘，本科，华北水利水电大学。

陈宁（2000年01月），女，汉族，河南省鹿邑县，本科，华北水利水电大学。