内河航道整治建筑物服役状态综合评价研究

杨 宁，李文杰，张浩游，杜洪波，万 宇，肖 毅

(1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；3.长江重庆航道工程局，重庆 400010)

国务院提出强化交通基础设施预防性养护维护、安全评估，加强长期性能观测，完善数据采集、检测诊断、维修处治技术体系。长江上游山区航道通航环境复杂,船舶航行安全压力大[1-2]，为改善滩段水流结构、提升通航尺寸、保护堤岸，修建了众多航道整治建筑物。国内外学者对航道整治建筑物展开了大量研究，Fleischer等[3]根据静态计算评估了水工建筑物的稳定性；王平义等[4]采用模糊综合评判法对整治建筑物的安全稳定性进行分析；陈琳[5]通过统计大量整治建筑物外局部冲刷实测数据，结合半经验冲刷公式，拟合出符合本区域特点的局部冲刷公式；唐银安等[6]分析了冲积性河流整治建筑物水毁原因和防止措施；石进等[7]针对航道整治建筑物堤身塌陷、护底冲刷、灯桩基础倾斜等代表性损坏,查明原因,研究确定修复措施。同时，邓良爱等[8]总结了游沙卵石河床整治建筑物损毁的自然原因并提出相应的维修思路；朱俊凤[9]根据长江上游航道河床、水流特点，分析长江上游宜宾至重庆河段内整治建筑物的破坏形式以及破坏机理；文岑等[10]分析锁坝下游的冲刷机理，导出锁坝下游冲刷深度的计算公式；韩林峰[11]提出了受年际不同洪峰流量的洪水作用后丁坝剩余寿命计算方法。张梦成[12]基于BP神经网络等方法对长江中下游的航道整治建筑物提出功能评估方法；张文江、曾涛等[13]提出了川江航道整治建筑物损毁原因及维修对策。但总体而言，目前航道整治建筑物的评估研究大多集中在损毁机理，对于航道整治建筑物评价中只针对局部河段的个别建筑物类型进行了深入分析，且评价方法主观性较强，航道整治建筑物评估手段存在较大的局限性。

本文旨在选取长江上游具有较强代表性的5座整治建筑物，应用模糊贝叶斯网络评价模型[14]，综合功能状况和技术状况分析整治建筑物不同年份的技术状况等级，借助数学期望公式计算量化技术状况数值，对长江上游航道整治建筑物综合技术状况进行定量评估并提出维护措施，以期对未来阶段的航道建设规划提供参考，以保证上游航运安全发展。

1 长江上游航道整治建筑物概况

1.1 河段概况

长江上游河段从四川宜宾至湖北宜昌，全长1 045 km，按河流特性划分属于典型山区河流[15]。该河段航道条件险恶，具备河身狭窄，岸坡陡峻，河流水位及流量变化较大的特点。河段内水流条件紊乱，航道条件复杂，卵石运动强度大，沿线滩险分布较多，复杂的通航条件大大限制了长江上游通航水平。截至至今，长江上游共进行过6次系统的长河段治理工程，已整治滩险共50余处，航道整治建筑物数量众多且修建时间早。在宜宾至重庆河段目前在役89座航道整治建筑物，其中含丁坝45座，顺坝22座，潜坝18座，锁坝3座，见图1-a。

1-a 长江上游主要航道建筑物类型汇总 1-b 长江上游主要航道建筑物技术状况汇总图1 长江上游航道整治建筑物概况Fig.1 Overview of the upper Yangtze River channel improvement buildings

结合《内河航道维护技术规范》将建筑物技术状况划分为四个类别：一类整治建筑物(结构良好，功能发挥正常)40处，二类整治建筑物(有少量变形，但不影响建筑物功能发挥)32处，三类整治建筑物(损坏较明显，尚能发挥整治功能但需及时修复)8处，四类整治建筑物(损毁严重或有明显缺陷，已经或即将失去整治功能)0处，见图1-b。

1.2 典型航道整治建筑物工程概况

考虑整治建筑物的代表性，不同建筑物间可比性，建筑物不同河段特性，因此以东溪口碛头坝、红灯碛上顺坝、红灯碛下顺坝、落锅滩丁坝、落锅滩顺坝五座整治建筑物为例进行评价模型应用分析，将上述五座航道整治建筑物基本信息汇总如表1。

表1 典型航道整治建筑物整治工程信息汇总Tab.1 Typical waterway regulated improvement project information summary

东溪口碛头坝原设计为抛石结构，坝顶高程198.88 m，坝顶为平坡，坝长465 m，坝身顶部宽度3 m，近年东溪口河段总体河势较为稳定，滩段航道条件较好。落锅滩丁坝为抛石坝体和砼坝面结构，坝根高程245.85 m，坝头高程为245.81 m，坝长47.0 m，坝身顶部宽度3 m。落锅滩顺坝为抛石坝体和砼坝面结构，坝根高程245.49 m，坝头高程为245.94 m，坝长564.27 m，坝身顶部宽度3 m。红灯碛上顺坝为全抛石和砼坝面结构；坝根高程237.17m，坝头高程256.57 m，坝体总长170 m，坝体顶宽3 m。红灯碛下顺坝为全抛石和砼坝面结构，坝根高程236.15 m，坝头高程234.75 m，坝体长420 m，坝体顶宽3 m。

2 长江上游航道整治建筑物技术状况评价

2.1 数据来源

(1)通过长江航道局、长江上游水文水资源勘察局等水利部门网站收集相关水情信息、航道公告、维护记录等资料，并对数据进行分析处理，收集功能类指标数据；(2)通过长江航道局上游整治建筑物的滩段断面，成图及坝体断面图，收集近年东溪口碛头坝、落锅滩丁坝、落锅滩顺坝、红灯碛上顺坝、红灯碛下顺坝的周围地形数据以及坝体具体参数；(3)通过《长江航道局航道整治建筑物技术状况分析报告》收集整治建筑物基本信息，如末次基建工程竣工时间、实拍影像、河段近期演变及通航条件等；(4)建立长江上游东溪口秤杆碛、落锅滩、红灯碛河段二维水流数学模型，计算收集长江上游东溪口碛头坝2016年—2020年、落锅滩丁坝和落锅滩顺坝2016、2017、2020年数据、红灯碛上顺坝和红灯碛下顺坝2017、2018年相关指标数据。

表2 典型航道整治建筑物技术状况隶属等级Tab.2 Typical waterway improvement building technical condition affiliation level

2.2 典型航道整治建筑物技术状况等级评价

结合模糊贝叶斯网络模型[14]对长江上游典型航道整治建筑物进行技术状况等级评价，基于整治建筑物结构与功能发挥现状观测分析，量化指标概率分布较好符合建筑物客观特征，进行后续隶属度等级分析。通过指标标准值量化依据分别对东溪口碛头坝2016年—2020年数据、落锅滩丁坝和落锅滩顺坝2016、2017、2020年数据、红灯碛上顺坝和红灯碛下顺坝2017、2018年数据进行分析整理，根据最大隶属度原则，对长江上游典型航道整治建筑物的技术状况评价结果进行等级判断分析，得到整治建筑物各年份的技术状况隶属等级，见表2。

从表2可以看出东溪口碛头坝在近5 a未维修的情况下，2016年技术状况等级为Ⅰ级，2017年技术状况发生变化，由Ⅰ级升级为Ⅱ级，并在4 a内没有进一步损毁扩大的趋势。落锅滩丁坝在2016年技术状况处于Ⅰ级，来年技术状况急转而下，隶属等级Ⅲ级，在2018年进行维修后，2020年技术状况较好，隶属等级为Ⅰ级。与落锅滩丁坝类似，落锅滩顺坝在2016年技术状况处于Ⅰ级，从概率分布来看在2016年技术状况处于Ⅰ级与Ⅱ级临界状态，2017年技术状况隶属等级为Ⅲ级；同样的，在2018年维修后，2020年建筑物技术状况恢复较好，隶属等级Ⅰ级。

红灯碛上顺坝2017年、2018年技术状况隶属等级都为Ⅰ级，在2016年按原设计尺寸进行过一次系统维修加固后，整治建筑物整体技术状况保持较好，能按原设计功能正常发挥在河段内的整治作用。红灯碛下顺坝2017年技术状况隶属于Ⅲ级，在2017年—2018年间未采取维修加固时，2018年的技术状况隶属等级依旧为Ⅲ级，整个评价结果与工程实际相符。

2.3 典型航道整治建筑物技术状况量化评价

在计算分析航道整治建筑物技术状况等级的基础上，依据贝叶斯网络计算结果的概率分布，选择传统概率论中的数学期望公式，量化评价航道整治建筑物技术状况数值，直观体现航道整治建筑物技术状况的优劣程度，见表3。

表3 典型航道整治建筑物量化技术状况数值Tab.3 Quantitative technical condition values of typical waterway improvement buildings

根据算例量化技术状况值计算结果对航道整治建筑物技术状况量化数值初步提出处理阈值，对于Ⅳ级的处理阈值为50，意味着当量化数值低于50时，整治建筑物出现重大损毁状况，需要立刻进行展开维修，Ⅲ级的处理阈值为70，量化数值在50～70时，需要找出损毁部位采取措施进行针对性修补，Ⅱ级的处理阈值为80，量化数值在70～80时，需要加强对建筑物特定部位观测，防止建筑物进一步损毁。

3 典型航道整治建筑物潜在影响因素判断及维护措施

3.1 诊断推理分析

诊断推理可得到东溪口碛头2017年—2020年、落锅滩丁坝和落锅滩顺坝2017年、红灯碛下顺坝2017年和2018年的技术状况等级降低致因链。以落锅滩丁坝2017年为例，从目标节点出发，由因果推理得知落锅滩丁坝2017年技术状况隶属等级为Ⅲ级，以此为依据，将贝叶斯网络中的目标节点(技术状况)在级的概率分布调整为100%，推理得出功能状况节点等级为Ⅲ级，对应的概率为45%，结构状况节点等级为Ⅲ级，对应概率为78%，诊断推理结果如图2。

图2 落锅滩丁坝2017年技术状况诊断推理结果Fig.2 The results of the diagnostic reasoning of the technical condition of the luoguotan groin in 2017

表4 典型航道整治建筑物技术状况评价敏感度分析Tab.4 Sensitivity analysis of technical condition evaluation of typical waterway improvement buildings

通过诊断分析可以得出，模糊贝叶斯网络下长江上游航道整治建筑物技术状况等级降低致因链：冲刷坑深度、冲刷坑距坝最小距离、稳定性、结构状况、技术状况。同时，长江上游航道整治建筑物技术状况评价中功能状况因素重要性排序低于结构状况因素；在结构状况因素中对航道整治建筑物技术状况评价影响最大的是冲刷坑深度与冲刷坑距坝的最小距离；在功能状况因素方面，主槽浅区航深对航道整治建筑物技术状况评价影响最大。

3.2 敏感度分析

为确定对整治建筑物技术状况有重要影响的敏感性因素，采用贝叶斯网络敏感性推理分析方法得到不同节点互信息测度，见表4。由表中各节点互信息测度数值对比可得，主要敏感因素为主槽浅区航深、航道整治建筑物坡比、坝身水毁体积比，说明这三个因素对航道整治建筑物技术状况评价会产生较大的影响。

3.3 维护措施

在分析得出影响航道整治建筑物技术状况降低的重要影响因素后，针对于此提出以下相应的维护管理措施建议：(1)针对冲刷坑发展态势：加强日常监测，通过连续时间段地形测图掌握建筑物附近冲刷坑沿坝体横向发展及沿水深纵向冲深的趋势；通过相应维修补救措施遏止冲刷坑继续发展，如回填冲刷坑，利用与冲刷坑大小相匹配的块石进行填补，防止冲刷坑继续冲深；(2)针对航道整治建筑物边坡稳定性：需加强建筑物结构检测，从增加建筑物材料稳定性和连接力度、角度来保证边坡稳定性，并且加强监督，制止人为拾取水材，撬取坝体石材等行为导致坝体边坡发生损毁情况的发生；(3)针对主槽浅区航道条件：通过二维或三维数学模型、物理模型等方式计算多种工况组合下的建筑物附近河道主槽浅区航深表现，掌握分析最不利工况下主槽浅区航深，辅以其他相应航道整治措施如炸礁、疏浚等，一同保障对应区域的航道条件。

4 结论

(1)基于模糊贝叶斯网络评价模型评价长江上游典型航道整治建筑物技术状况等级表明，长江上游东溪口碛头坝在2017年由Ⅰ级变化为Ⅱ级后，至今维持较好；落锅滩丁坝与落锅滩顺坝类似，2017年由Ⅰ级变化为Ⅲ级后，经过维修，在2020年恢复Ⅰ级；红灯碛上顺坝2017、2018技术状况保持良好，都为Ⅰ级；红灯碛下顺坝2017、2018技术状况为Ⅲ级，其结果与长江上游相关维护管理部门对航道整治建筑物历年评价契合度较高；(2)对长江上游典型航道整治建筑物技术状况量化分析，各量化技术状况评价值满足工程实际状况，建议对整治建筑物技术状况量化值为50～70展开相应损毁部位的维修，70～80应加强观测、巡视；(3)结合诊断推理与敏感度分析结果推断得到，影响航道整治建筑物技术状况评价的准则层中结构状况重要性大于功能状况；主槽浅区航深、航道整治建筑物坡比、坝身水毁体积比对航道整治建筑物技术状况评价影响程度较大，日常管理维护应重点关注冲刷坑发展态势、边坡稳定性、主槽浅区航道条件。