水闸工程安全风险综合评价方法研究

陈江云，钱 宽，彭新胜，陈 钟

（江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100）

水闸工程是作为挡水、泄水或取水的水工建筑物，满足灌溉、发电、航运、水产、环保、工业和生活用水等需要，在水利工程中应用广泛[1]。现今虽然水闸种类多、分布广，但也存在地理偏僻、建闸时间长、人员管理水平不足、巡查方式较简单等问题，水闸工程存在风险不利于其日常管理，需要水闸管理人员根据工程现场进行风险研判，针对可能发生的事故隐患，提出有效的管控措施。现阶段，水闸安全风险评价方法只停留在单个危险源评价，随着时间或环境等不断改变，部分风险因素也在改变，单个危险源评价不能动态地分析出整个工程安全风险状况，应引进有效的方法对工程进行安全风险综合评价。

安全风险综合评价被应用于各个领域中，水利工程安全风险综合评估方法较少。陈昌仁等[2]对洪泽湖生态风险采用AHP 法进行综合评价，并提出生态风险综合评价方法；王伟等[3]对安全标准化建设工作采用AHP 法进行动态评价；金远征等[4]提出利用专家权重改进LEC 法，解决了主观性较强、风险容忍度考虑不充分的问题；舒持恺等[5]采用AHP 法建立湖泊健康评价物元分析模型，加入组合赋权解决了主观赋权中取值单一、主观性强的问题。本文利用AHP 赋权的方法，建立水闸层次分析模型，采用专家权重对各风险因素进行赋权，研究水闸综合风险值和存在较大的风险因素，并提出针对性的措施，对水闸工程风险管控进行有效分析。

1 工程概况和数据来源

1.1 工程概况

三河闸位于江苏省淮安市洪泽区境内、洪泽湖的东南角，是淮河下游入江水道的控制口门、淮河流域性骨干工程，是新中国成立初期我国自行设计自行施工的大型水闸之一。三河闸闸身为钢筋混凝土结构，共63 孔，每孔净宽10 m，总宽697.75 m；闸门为钢结构弧形门，左右岸空箱内分别设有水电站1座。三河闸按洪泽湖水位16 m设计、17 m校核，原设计流量为8000 m3/s，加固后设计行洪能力提高到12000 m3/s。三河闸设计抗震烈度8 度，属大（1）型水闸。截至2021年底，三河闸累计安全泄洪1.29×1012m3，为保证里下河地区3000×104hm2农田和2600 多万人民生命财产的安全作出了卓越贡献。三河闸位置示意，如图1所示。

图1 三河闸位置示意

1.2 数据来源

本文主要以《水闸安全评价导则》（SL 214—2015）和《水利部办公厅关于印发水利水电工程（水库、水闸）运行危险源辨识与风险评价导则（试行）的通知》（办监督函〔2019〕1486 号）等技术标准为依据，风险和隐患相关数据来源于2020 和2021年的三河闸安全生产标准化相关资料以及相关工程数据。

2 研究方法

2.1 安全风险评估模型建立

研究三河闸工程综合风险评价，采用AHP 法，这是一种半定量半定性分析的决策方法[6]。本文研究步骤为：①专家组根据《水闸工程安全评价导则》（SL 214—2015）建立三河闸层次结构模型；②结合三河闸近2 a 的风险评价数据，分析出主要风险因素，辅助决策层次结构模型建立。本文建立的模型层次主要分为目标层（A）、评价层（B）、因素层（C），目标层为三河闸工程综合风险评价指标（A），评价层为工程质量（B1）、运行管理（B2）、防洪安全（B3）、渗漏安全（B4）和结构安全（B5），而因素层是将评价层指标进一步分解的指标，如维养管理（C23）、机电设备可靠性（C54）等。三河闸工程综合风险评价模型，如图2所示，图中i、j为大于2的整数。

图2 三河闸工程综合风险评价模型

2.2 层次分析赋权法改进

三河闸工程综合风险评价体系中，各个风险指标的重要程度是不同的，各风险指标的权重决定综合风险评价的准确性和合理性。本文针对层次分析法存在的主观性较强的问题，加入专家权重[7]，对各个风险指标进行赋权，得出最终值，以改进层次分析法的缺点。

2.2.1 专家权重确定

在江苏省洪泽湖水利工程管理处（三河闸上级管理单位）范围内，分3个层级（分管负责人、部门负责人、运行管理人员）选取专家，主要从专家的从事专业年限、专业技术水平、从事安全生产工作经验、水闸工程管理工作技术水平4个方面综合确定。专家分级标准，详见表1。一级、二级、三级专家的可信度μ分别为1.0、0.8、0.6。

表1 专家分级标准

某专家根据专家分级标准确定其可信度μi，专家组综合可信度αn按式（1）计算：

式中：W为相关函数，与可信度μi有关，当αn越接近1，专家组可信度越高，权威度越大。

专家组权重ψi按式（2）计算：

式中：ψi为专家组权重；μi为专家可信度。

则权向量σ=［ψ1，ψ2，…，ψn］，其中n为专家总数。

2.2.2 判断矩阵构建和检验

（1）构造判断矩阵。层次分析法需构建判断矩阵，其目的是对上一层次因素与下一层次与之相关的各因素之间的相对重要性进行表示，而各因素之间的相对重要性会随着比较标度和方法不同而改变。根据三河闸综合风险评价模型，评价层中B1，B2，…，Bi以目标层Ak作为比较准则，因素层Cij以评价层Bi对应因素作为比较准则，用ρij来表示同一层次的第i、j个因素的相对权重，若ρij=1 则ρji=1/ρij，而同一层次两因素相对重要度采用1～9标度法[8]进行赋值。判断矩阵标度定义，详见表2。

表2 判断矩阵标度定义

用1～9 标度法将各因素之间的相对重要度进行量化表示，构成判断矩阵，见式（3）：

由判断矩阵计算被比较元素的权重ρij，计算公式为：

式中：Li为判断矩阵中同一行数的乘积。

式中：ρij为利用层析分析法所求的RI指标对应的权重。

（2）层次单排序及其一致性检验。引入一致性指标CI和RI，计算检验系数CR，当CR＜0.1时，一般认为此判断矩阵通过一致性检验，否则需调整[9]，验证公式为：

式中：λmax为判断矩阵的最大特征根；(Lρ)i为向量Lρ的第i个元素。

式中：CI为一致性指标。

式中：CR为计算检验系数；RI为平均随机一致性指标。

平均随机一致性指标RI取值，详见表3。

表3 平均随机一致性指标RI

2.2.3 层次分析赋权

分别计算出各层次中相关因素权重ζmn，则专家m（m=i=1，2，…，n）的权重赋分为[ζm1，ξm2，…，ξmn]T（此向量为列向量），权向量σ按照式（2）计算，则修正后的层次权重取值按照下式计算：

式中：σ为权向量；ζmn为相关因素权重。

3 结果分析

3.1 安全风险综合评价

在三河闸工程管理单位3 个层级中，每个层级选取2 名专家，判断各专家可信度分别为1、1、0.8、0.8、0.8、0.6，则这3 个层级的综合可信度ψn分别为1、0.96、0.92，3 组专家可信度高，权威性较大，再根据式（2）计算出各专家的权重μi，则权向量为σ=[0.2，0.2，0.16，0.16，0.16，0.12]。基于6 位专家构建判断矩阵，分别对判断矩阵进行一致性检验，RI取值详见表5，分别为1.12、1.12、0.58、0、0.58、1.12。经计算，CR值均小于1，满足一致性要求，计算过程采用MATLAB 软件计算[10]，专家权重计算结果详见表4—9。

表4 目标层权重A

表5 因素层权重B1

表6 因素层权重B2

表7 因素层权重B3

表8 因素层权重B4

表9 因素层权重B5

经过6 位专家的研究分析，三河闸工程综合风险评价模型评价层中运行安全B2权重最大为0.247，因素层中土工建筑物质量C11、维养管理C23、设计水位C32、渗漏量C42、检测设备有效性C55相对于评价层指标B权重最高。因此，在工程安全管理上，应将这5项指标作为安全管理重点。

将各指标的得分值转化为百分制，则综合风险值采用下式计算：

式中：D为三河闸工程综合风险值；δ为评价项目得分。

根据近2 a 三河闸隐患资料和实际工程安全运行情况，将三河闸出现频次较多隐患作为失效项目进行扣分，采用式（10）计算出安全风险综合评价得分为93.97分。

3.2 安全风险综合评价分级

根据《水利部办公厅关于印发水利水电工程（水库、水闸）运行危险源辨识与风险评价导则（试行）的通知》（办监督函〔2019〕1486 号）中安全风险评价等级标准和三河闸工程实际情况，将水闸工程划分为5个等级，即优、良、一般、较差、差，具体情况详见表10。

表10 综合风险等级划分

由表10 可知，三河闸工程综合风险等级为优，工程运行安全稳定，安全风险管控措施落实到位，隐患排查治理整改措施可靠。

4 建议

本文采用AHP 法对三河闸工程进行安全风险综合评价，根据综合评价结果，三河闸工程安全风险等级为优，安全管理水平较好。针对三河闸工程质量和结构安全存在的安全风险，提出以下2 点安全措施。

（1）建立安全风险管控和隐患排查治理“双预防”机制。为此，管理单位要做好三河闸危险源辨识和安全风险评价工作，针对重大危险源及时管控，每季度对全工程进行1 次评价，动态掌握工程运行过程的风险点。落实安全网格化巡查方式[11]，开展安全教育培训，加强安全管理人员查险查患能力，进一步升级三河闸信息化水平，保证检测设施的有效性和机电设备的可靠性。

（2）提升防汛抢险能力。管理单位要编制重大危险源、重大隐患等预案，并报主管部门备案，做好防汛物资管理，配备抢险物资，强化预报预警工作，加强防汛抢险队伍建设工作，提高人员除险水平，进一步规范防汛抢险和水文演练，切实做到“四预”，时刻关注“四情”，保证周边地区居民安全。