基于贝叶斯网络的南水北调中线工程大型河渠交叉建筑物风险评估

郭政宇 袁 源 陈 宁 郭治君 尹传森

(华北水利水电大学，河南 郑州 450046)

前言

南水北调工程是一项宏伟的社会民生工程、经济工程、生态工程。该工程规模大、调水线路长，沿线有众多渡槽、倒虹吸、箱涵等大型跨河建筑物，面临着相对较大的水毁风险，这些关键性建筑物的运行风险识别、风险评估和风险管理对于南水北调中线工程的安全运行极其重要。

目前，南水北调中线工程已经基本建设完成，不可抗力、气候因素、人为因素等导致渠道滑坡、失稳、坍塌等事故时有发生，而渡槽、倒虹吸、箱涵等交叉建筑物连接处是工程相对薄弱之处，是需要运行管理和风险防范的重点内容。国内外不少学者对南水北调中线工程进行了风险分析评价，但是大部分主要集中于挡水建筑物以及整治建筑物。少部分学者也针对工程相对薄弱的河渠交叉建筑进行了风险分析评价，但是缺乏对具体设计单元的分析且并未针对具体的问题提出相关的风险管理方法。考虑到以上对于大型河渠交叉建筑物并结合相应的设计单元的风险分析识别、风险管理机制不足，因此本文将选取主要的大型河渠交叉建筑物(渡槽、倒虹吸、箱涵)为研究对象， 并结合具体设计单元进行分析。

贝叶斯网络为不定性因果关联模型，相比于其他综合风险分析方法，贝叶斯网络使网络节点变量之间的因果关系及条件相关关系更加直观化。贝叶斯网络是一种强有力的不定性推理，可以在有限的、不完整的、不确定的信息下进行推理，同时具有相对较高的可信度，因此本文将选用贝叶斯网络为理论基础，并结合具体的进行分析，给予结论和运行管理意见。

1 河渠交叉建筑物失效模式分析

本文将选取渡槽、倒虹吸和箱涵三类主要大型河渠交叉建筑物分别进行失效模式分析，并总结出共同点，构建出相对统一的贝叶斯网络拓扑结构失效模型[1](注：该贝叶斯网络拓扑结构为适应各设计单元的不同而做出些许改变)。渡槽是一组由桥梁、隧道或沟渠构成的输水系统，主要由进出口段、槽身、支承结构和基础等部分组成，为钢筋混凝土结构。渡槽失效模式为整体倒塌、整体失衡、槽身及支承结构裂缝，渗漏水和表层混凝土剥蚀及钢筋腐蚀。倒虹吸由进口段、管身和出口段三部分组成，为有压封闭管道。倒虹吸的失效模式为管身错位、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。箱涵一般为钢筋混凝土或圬工结构，其失效模式有洞身坍塌、基础失稳、渗漏水和洞身裂缝。渡槽、倒虹吸和箱涵这三类主要大型河渠交叉建筑物结构、形式等存在着一定的差异，但是它们的失效模式可以归结为整体性破坏、结构裂缝、基础失稳及渗漏水。

整体性破坏一般是由不可抗力引起的，比如特大暴雨、洪水、地震。结构裂缝一般是由于低温冻融，人为因素以及材料本身的性质引起的。渡槽、倒虹吸、箱涵这三类大型河渠交叉建筑物采用的均有混凝土材料，而由混凝土材料本身的性质可知，不能避免裂缝的出现。在交叉建筑物中，裂缝出现的位置不同对建筑物带来的影响不同。基础失稳由工程地质导致的不均匀沉降以及地基局部上抬引起的，取决于工程所在的水文条件。渗漏水由止水失效、材料老化引起。这四种失效模式存在关联性，在进行运行管理的时候需从这四个方面同时预防，考虑四种模式之间的相关关系。

综上，引起河渠交叉建筑物失效的主要因子是不可抗力(特大暴雨、洪水、地质灾害)、低温冻融和人为因素。

2 基于贝叶斯网络理论构建河渠交叉建筑物的风险评估模型

2.1 选择网络节点变量

贝叶斯网络风险评估模型选取南水北调三个主要大型河渠交叉建筑物——渡槽、倒虹吸、箱涵。通过对三大主要河渠交叉建筑物的失效模式的分析，初步确定的节点变量分别是整体性破坏、结构裂缝、基础失稳、渗漏水、不可抗力、低温冻融、人为因素。

2.2 网络拓扑结构确定

下面根据已经确定的所选变量之间的相关关系确定一个相对统一的大型河渠交叉建筑物贝叶斯网络拓扑结构失效模型。通过对三大大型河渠交叉建筑物的失效机理分析，选择不可抗力、低温冻融、人为因素作为影响三大主要河渠交叉建筑物失效的父节点。如在建筑施工过程中，出现高温季节混凝土浇筑完成后，未及时进行洒水养护和遮阳保护以及在低温季节完成，混凝土浇筑后未及时进行覆盖保护或者过早的去掉了保温层；在建筑完工时，施工缝面处理的不合格等人为因素将会使结构出现裂缝。不可抗力主要指的是特大暴雨洪水以及地质灾害，不可抗力直接影响的因素一般包括整体性破坏、基础失稳、结构裂缝等。低温冻融直接影响因素是结构裂缝、基础失稳等，人为因素直接影响因素是整体性破坏、结构裂缝、基础失稳、渗漏水等。根据以上分析，可以得到相对统一的大型河渠交叉建筑物贝叶斯网络拓扑结构失效模型，见图1。

图1 河渠交叉建筑物失效风险的贝叶斯网络拓扑结构

2.3 贝叶斯网络模型的推理求解理论

在确定完河渠交叉建筑物失效风险的贝叶斯网络拓扑结构，通过概率论和数理统计方法或专家知识获取各根节点以及非根节点的条件概率。然后，在确定贝叶斯网络结构以及各网络参数后，结合样本数据集，计算根节点的先验概率和中间节点的条件概率。当获得更多新数据的情况下，进一步完善更新贝叶斯网络拓扑结构，保证该贝叶斯网络的可信度，同时这也是从先验概率分布到后验概率联合的过程。

3 案例分析

3.1 工程概况

南水北调中线一期工程总干渠沙河南至黄河南段潮河段设计单元工程位于河南省新郑市和中牟县境内，担负着向新郑市、郑州航空港经济综合实验区及其下游地区的输供水任务。

潮河段设计单元工程全长45.847km，工程沿线共布置各类建筑物80座，其中河渠交叉建筑物有5座(黄水河倒虹吸、梅河倒虹吸、丈八沟倒虹吸、老张庄沟河渡槽、大碾卢沟河渡槽)。

3.2 潮河段贝叶斯网络风险评估模型建立

3.2.1 贝叶斯网络风险评估模型的基本假设

不考虑潮河段相同类型的河渠交叉建筑物的极特性问题；不考虑失效模式之间的相关性；各风险因子相互独立。

3.2.2 贝叶斯网络风险评估模型的构建

潮河段主要有两个主要大型河渠交叉建筑物，渡槽和倒虹吸，属于本文构建相对统一的贝叶斯网络风险评估模型的三大主要河渠交叉建筑物之二，故采用构建的统一的贝叶斯网络风险评估模型。

3.2.3 网络各节点概率的确定

根据查阅相关资料以及相关专家的评估，后利用统计方法预估出以上节点在各种情况下出现的频率(仅考虑最有可能引起的破坏)，如表1所示，其中不可抗力(UF)、整体性破坏(OD)、结构裂缝(SC)、基础失稳(FI)、低温冻融(LTFT)、人为因素(HF)、渗漏水(LW)。

表1 风险因子与建筑物

后由根据相关资料同时又请教相关专家，用统计方法推出各风险因子可能发生的概率，不可抗力(0.6%)，低温冻融(2.5%)，人为因素(4.5%)。

4 目标风险概率的计算

4.1 风险概率计算

根据河渠交叉建筑物的失效模式在不同风险因子下出现的先验概率的分布，以及河渠交叉建筑物的失效模式在相同风险因子作用下的组合概率分布，通过下列公式1求得河渠交叉建物失效风险的条件概率。以OD为例：

P(X)=P(OD|UF|HF)=

式(1)

由图1潮河段河渠交叉建筑物风险失效网络拓扑结构知引起OD的风险因子主要为UF、HF。又由表1知P(OD|UF)=0.285、P(OD|HF)=0.224，表三知P(UF)=0.006、P(HF)=0.045。则由式(1)可求得P((X|1)=P(OD|UF|HF)=0.019。同理可求得其他失效模式在相关风险因子下发生的概率为OD(0.019)，SC(0.057)，FI(0.27)，LW(0.050)。

4.2 风险因子后果评价

据计算出的失效模式的风险概率以及失效模式与风险因子的相关关系，给出风险相关因子的评价指数：

UF所引起的OD、SC、FI等失效模式的评价指数为1.5；LTFT所引起的SC、FI等失效模式的评价指数为1；HF所引起的OD、SC、FI、UF等失效模式的评价指数为2.5。因此，在南水北调中线工程运行过程中，相关管理人员的管理是关键。

4.3 运行管理建议

通过上述风险概率计算以及风险因子后果评价，咨询专家意见后，最终给出以下建议：加强对已经运行的建筑物的运行管理；正在施工过程中严格按照规范或设计要求进行施工；相关部门应提前制定应急预案和风险规避措施。

5 结 语

本文通过引入贝叶斯网络理论，构建了相对统一的南水北调中线河渠交叉建筑物的风险概率计算模型，同时给出河渠交叉建筑物系统风险因子出现的评判依据，为南水北调中线河渠交叉建筑物的风险管理提供了依据。此外，贝叶斯网络进行风险分析的关键是网络节点以及网络节点参数的确定，这将直接关系到结果的可信程度。