基于多元诊断的里运河东堤运行风险评价

徐海峰 侯文昂 杨 阳 周 宁 蔡 尚

（1.南京水利科学研究院 大坝安全与管理研究所, 南京 210029；2.扬州市江都区邵伯水务站,江苏 扬州225261）

里运河堤防为国家一级堤防,全长74.4 km,在南水北调东线扬州市管辖的江都、高邮段内.该段堤防工程及穿堤建筑物大部分建设年代久远,多次加固堤防资料不详,存在多处安全隐患与险工险段.近年来,里运河持续高水位运行期间,险工险段多处出现险情,虽然运行管理部门对重要险工险段重点防控、加强巡视检查,但由于对不同隐患的风险程度缺乏系统研究,同时缺少安全监测设施,导致管理部门难以准确掌握堤防工程的重点防范部位和整体安全运行性态.本文通过分析里运河东堤江都、高邮段典型险段可能发生的典型失效模式,挖掘了风险影响因素,构建评价指标体系.综合现场检测、物探和典型断面渗流稳定计算结果,采用灰色评价理论建立风险评价模型,对里运河东堤的整体运行风险做出评价,为保障该堤防安全运行和隐患部位科学防控提供了科学依据.

1 里运河东堤风险评价指标体系

1.1 失效模式及风险因素分析

里运河东堤是历史久远的工程,建筑物繁多,历史上多次出险并多次加固,安全影响因素众多.其系统失效包括整个堤防的适用性失效和耐久性失效,受内部隐患和外部荷载共同影响；还应包括对社会环境、经济、古文化等方面造成的损失.险工险段基本情况见表1.

表1 险工险段基本情况一览表

针对主要建筑物类型以及堤防范围内文物古迹等方面,参照文献[4]中的分类方法对里运河东堤失效模式进行了分类.土堤的失效模式分为漫堤破坏、渗漏破坏、失稳破坏.漫堤破坏表现为洪水漫溢、洪水漫顶,渗漏破坏表现为散浸、流土、流砂、管涌等,失稳破坏表现为下游堤角冲刷、上游堤身冲刷、堤坡崩塌、基础液化、堤身滑坡、堤身溃决等.水闸的失效模式分为防洪标准不足、渗漏破坏、闸室失稳、消能防冲失效和启闭设施故障等.穿堤涵洞的失效模式分为渗漏破坏、堵塞、结构垮塌和启闭设施故障等.里运河作为京杭大运河世界文化遗产的重要组成,对古文化的研究具有十分重要的意义,其中子婴闸闸室为文物,堤防影响范围内有很多名胜古迹.因此古文化受破坏也应该作为失效模式之一.根据可能失效模式和风险影响程度不同,考虑主要风险因素,将风险因素进行分解,分为土地安全性、水闸安全性、涵洞安全性和工程管理安全性四个方面.将文物保护、管理维护以及应急抢险划分为工程管理安全性的风险因素.

1.2 指标体系建立

基于风险因素分析结果,建立安全评价指标,构建单目标多层次安全风险评价体系如图1所示.本文将指标体系的第一层定义为失效对象,有别于一般的堤防评价体系,以里运河东堤(江都-高邮段)整体安全度为总指标,记为A；再分解成4个子目标土堤安全性A1、水闸安全性A2、涵洞安全性A3、工程管理安全性A4,即为A＝(A1,A2,A3,A4),对应的权重为(W1,W2,W3,W4)；进一步分解,选取关键的风险因素作为每个子目标的基础指标Ai＝(Ai1,Ai2,…,Aij),对应的权重即为Wi＝(Wi1,Wi2,…,Wij).

图1 里运河东堤安全风险评价指标体系

2 基于决策灰类综合评价模型的构建

2.1 确定灰类及评价标准

借鉴《堤防工程安全评价导则》(SL/Z 679—2015)中安全评估等级划分标准,将里运河东堤的整体安全等级分为{安全,基本安全,不安全},基于层次评价理论[5],从最底层的评价指标开始,将每个指标评价等级分为{优良,一般,差},通过专家打分给出标度值,计算每一个指标的权重,从而得出上一级评价目标的安全级别.

表2 指标评价标准

2.2 灰色评价模型的建立

(1)确定评价样本矩阵

采用专家打分法,选择m个专家对每个基础指标给出客观评价,参考检测和计算的结果,给出评价值,得到评价样本矩阵[6].

“之后，我只听到小表姐大发雷霆，骂了好多难听的话，我只记得小表姐最后一句话是：‘荡妇，不要脸的女人，跟我去见我妈，让我妈看看你到底是个什么东西！’

式中:aijk为基础指标的专家评定值,j＝1,…,n；k＝1,…,m.

(2)确定白化权函数

根据评价等级的定值区间,确定白化权函数如下:

(3)计算灰色评价系数和权向量

记基础指标Aij属于第k个灰类的系数为nijk,rijk为该基础指标属于第k个灰类的决策权,rij为指标Aij的权向量,Ri为Ai的决策权[7].计算公式如下:

(4)确定权重与评价结果

首先确定基础指标的权重[8-10],Wi＝(w1,w2,…,wn),指标体系子目标的评价结果为Si＝WiRi,子目标的权重为W＝(W1,W2,W3,W4),总的安全度评价结果为S＝WCT,CT＝[S1,S2,S3,S4]T.

3 多元综合诊断

为了减少专家打分带来的主观不确定影响,本文中专家评价的依据主要是现场调查检测、现场高密度电法试验的结果和典型断面的渗流稳定计算结果,提高了专家打分的客观性.

3.1 水闸安全检测

对车逻洞和昭关闸进行了钢筋混凝土结构、金属结构及电气设备现场检测,以及安全复核.检测和复核结果为:车逻洞金属结构质量为B 级,机电设备质量为B级,工程质量为B 级,结构安全性和抗震安全为C级,消能防冲安全为C 级.昭关闸的闸墩、交通桥墩、交通桥主梁(老)混凝土强度不满足规范要求；闸墩、交通桥等结构碳化严重,其中交通桥主梁(老)碳化深度已经超过了保护层厚度；闸墩、翼墙等结构之间的沉降缝内填充材料老化、开裂,失去弹性；闸门止水有老化、破损现象；消力池底板厚度、池深、海漫长度满足要求,消力池长度不满足要求.

3.2 高密度电法试验

采用的是日本OYO 公司生产的Mc OHM Profiler 4多道数字电阻率测量仪,分部采用了点对点、温纳、施伦贝尔3种阵列方式,对效果最好的温纳阵列结果进行分析.

表3 高密度电法测线断面信息表

图2 现场高密度电法试验图

测线1在桩号13～14 m 位置,深度3 m 处,存在明显低阻区,视电阻率低于10Ω·m,存在渗漏通道的可能；测线2 在深度4 m 以下存在大面积的饱和区,视电阻率低于10Ω·m.测线3在桩号20 m 位置,深度8 m 以下开始出现明显低阻区,视电阻率低于5Ω·m,存在基础渗漏的可能.测线4在距离中心点左、右侧8 m,深度3 m 以下的区域存在两个较大的低阻区,视电阻率低于25Ω·m,与此部位堤防下游堤脚渗透点对相应；测线5 在距离中心点左右8～10 m,深度3～5 m 的区域,视电阻率低于10Ω·m,存在渗漏通道的可能；测线6在距离中心点左右4 m、深度9 m 以下的区域,存在明显低阻区,视电阻率低于10Ω·m,存在渗漏通道的可能.如图3所示.

图3 视电阻率云图

3.3 渗流和稳定分析

通过渗流计算,清水潭、车逻坝、小蔡潭堤防典型断面背水侧堤坡的出逸点水力比降均小于允许水力比降,在设计水位运行条件下,堤防的渗透稳定满足规范要求,但运行中均存在局部渗流异常现象.渗流计算结果见表4.通过稳定计算,清水潭和车逻坝断面在正常、非正常运用条件工况下的安全系数计算值均小于边坡抗滑稳定安全系数允许值,土堤的边坡稳定不满足规范要求,有发生稳定破坏的危险；小蔡潭断面在各工况下的安全系数计算值均大于边坡抗滑稳定安全系数允许值,土堤的边坡稳定满足规范要求.渗流、稳定计算[10]结果见表4～5.

表4 渗流计算结果

表5 稳定计算结果

4 风险综合评价结果

在多元诊断的基础上,采用5位专家进行打分给出每个基础指标的评价值,根据各个指标的重要性,计算指标的权重,通过图1的评价指标体系,得到上次评价目标的安全等级,再计算每个评价目标的权重,计算最终的评价结果.评价样本矩阵见表6.

表6 评价样本矩阵

计算过程及结果:

(1)计算权向量.根据式(3)计算每个指标属于第k个灰类的决策权rijk,再由式(4)计算得到标的权向量:r11＝(0.44,0.35,0.21)；r12＝(0.42,0.35,0.23)；r13＝(0.326,0.370,0.304)；r14＝(0.347,0.373,0.280)；r15＝(0.316,0.368,0.316)；r16＝(0.295,0.354,0.350)；r21＝(0.418,0.354,0.228)；r22＝(0.364,0.372,0.263)；r23＝(0.379,0.367,0.254)；r24＝(0.402,0.359,0.239)；r25＝(0.323,0.377,0.301)；r31＝(0.364,0.372,0.263)；r32＝(0.364,0.372,0.263)；r33＝(0.329,0.385,0.286)；r34＝(0.299,0.359,0.343)；r41＝(0.372,0.370,0.258)；r42＝(0.292,0.350,0.358)；r43＝(0.364,0.372,0.263)；r44＝(0.333,0.378,0.289).

(2)计算指标权重.计算基础指标的权重W1＝(0.222,0.121,0.164,0.164,0.164,0.164)；W2＝(0.171,0.314,0.171,0.171)；W3＝(0.331,0.244,0.180,0.244)；W4＝(0.230,0.311,0.23,0.23).子目标的权重为W＝(0.319,0.236,0.236,0.209).

(3)评级结果.子目标的评价结果为S1＝(0.359,0.361,0.280)；S2＝(0.375,0.367,0.258)；S3＝(0.342,0.371,0.287)；S4＝(0.336,0.366,0.298).总的评价结果为S＝(0.354,0.3660,0.279).由结果可知第二项占比最大,总体的安全级别为基本安全；但第一项和第二项比重相差不大,说明经过加固、处理完善后,整体安全性可以提高为安全级别.由权重计算结果可知,土堤和涵洞的安全性对里运河东堤的整体安全影响较大,这两个因素是堤坝安全的主要风险因素.基础指标中防洪标准、防渗体系、接触渗漏、维修养护是各自子目标中的关键影响因素.

5 结 论

通过失效模式和风险因素分析,建立了里运河东堤运行安全指标体系,构建基于决策灰类的综合评价模型；以现场检测数据和计算分析结果作为依据,对里运河东堤运行安全进行了综合评价.主要得出以下结论:

1)土堤安全性、水闸安全性、涵洞安全性和工程管理安全性是里运河东堤风险评价体系的主要指标.其基础指标基本包含了目前该堤防的主要风险因素,指标体系具有较强的客观性和完整性.

2)通过水闸安全检测、高密度电法试验和渗流稳定计算多元诊断作为专家打分的依据,有限降低了专家打分的主观性影响.

3)里运河东堤安全性综合评价结果表明,堤防总体安全级别为基本安全,需要重点关注土堤和涵洞的安全性,进一步对里运河东堤存在的主要风险进行消除,保障其长期安全稳定运行.