引水工程安全保障体系研究

2024-04-01沈若寰

工程建设与设计 2024年5期

沈若寰

（甘肃省水务投资集团有限公司，兰州 730050）

1 引言

引水工程是线状构造物，长度可达数十千米，会穿越河流、公路、铁路等构筑物。同时，引水工程的各建筑物之间不完全独立，也不完全相关。单个建筑物的失效对整个引水工程系统的影响并不完全相同；单个建筑物安全性高，整个引水工程系统的安全性不一定高。如何实时监控引水工程的工作状态，并做出正确评价，是保障引水工程安全供水的关键工作[1]。因此，进一步研究引水工程的安全保障体系具有重要的工程意义。

2 引水工程的特点及安全评价流程

2.1 引水工程安全评价特点

大量工程实践表明，引水工程安全评价一般以其监测数据为基础（渗压、渗流量、变形、裂缝、应力、内外水压力等），整合运行管理因素（输水建筑物与输水设施的日常巡查、维护管理等）、环境因素（水文、水质等）等构建一个多层次综合评价体系，既有很强的水利行业特征，又融入了先进的工程管理理念[2]。

2.1.1 评价内容丰富

引水工程由河道、隧洞、管道、倒虹吸管、水闸、泵等建筑物串联而成，每个建筑物又可划分为若干个分部分项工程，评价内容较多。为了准确评价引水工程的安全性，需要对每个建筑物建立相应的评价指标，由不同层次的评价指标构成综合评价体系。

2.1.2 定量指标较难量化

引水工程安全评价体系是一个定量和定性相结合的复杂系统，产生安全隐患可能是因为建筑物正常损耗、外力损坏或人为操作失误。在评价期间，大多数指标难以定量计算，比如，缺油量多少会影响闸门钢丝绳的安全性，不能简单地以数据公式定量计算。此外，同一个建筑物的评价因素较多，如何选择一个综合性定量指标来评价其安全性也是技术人员需解决的重要问题。

2.1.3 数据共享性强

引水工程安全评价体系的研究对象并不是只针对某个建筑物，而是涉及水文、水质、灾情、险情、输水调度等各类数据，这些数据之间存在直接或间接的联系。根据相关研究成果，在建立引水工程安全评价体系时要统一数据类型或存储格式，建立数据中心，以便于不同专业技术人员之间的沟通交流。

2.2 引水工程安全评价流程

引水工程安全评价过程中首先要遵循国家、地方和部门的有关政策及法规，并坚持“以人为本、实事求是”的基本原则。引水工程的安全评价流程如下：引水工程系统分析→单个建筑物安全评价→输水安全总体评价。

3 引水工程安全评价指标体系构建

3.1 评价指标选择原则

为了科学建立引水工程安全评价体系，本文提出以下原则[3]。

1）代表性。引水建筑物安全性影响因素较多，不可能对每一个影响因素都进行评价。选择评价指标时，要“抓住主要矛盾、忽略次要矛盾”，尽量选择代表性强的评价指标。对于非关键因素，可不选择，以简化引水工程的安全性评价过程。

2）相关性。引水工程的安全性评价指标之间要有一定的联系，以确保评价体系能形成一个有机整体。

3）层次性。引水工程安全评价体系涵盖内容广，选择评价指标时，要将整体分解为若干个层次，由表及里、由粗到细地全面评价引水建筑物安全性。同时，也便于发现问题、解决问题。

3.2 评价指标确定方法

引水工程安全性评价指标确定常用专家咨询法。本文基于“李克特五级量表”制作了引水工程安全性评价指标调查问卷，向引水工程的设计单位、施工单位、监理单位、业主单位、高等院校等专家发放200 份调查问卷，以获取引水工程安全性评价指标[4]。

3.3 安全监测指标及巡查内容

3.3.1 水库大坝

水库是引水工程中的重要设施，且修建的水库水坝大部分是土石坝。水库蓄水后，水流会沿着土石坝的坝身、坝基等位置的孔隙向下渗流。土石坝在动水压力作用下，容易出现渗漏、裂缝、滑坡等病害。为了保证水库大坝的安全，建议以变形、坝基扬压力、渗流量、应力等参数作为监测指标，其中，变形量能综合反映水库大坝的整体稳定性，是坝体最重要的监测量；坝基扬压力与坝体失稳、帷幕衰减密切相关，既是施加于坝基的荷载，又可以反映坝基渗透性能；渗流量会影响水库大坝的稳定、耐久性，应力会影响水库大坝的强度、稳定性。

水库大坝的同一监测量要布置多个监测点，在选择测点时可参考以下方法：（1）在不同类型的坝段分别取代表性的测点；（2）同一类型坝段中宜选高度大、地质条件复杂的测点；（3）宜选测值变化大的测点作为代表性测点。

3.3.2 水闸

水闸是引水工程中的流量调节设施，主要用于控制上、下游水位，排除泥沙或漂浮物等。对于重要性高的水闸，通常要设置自动监测系统，监测项目有闸室水平位移、闸室竖向位移、底板扬压力、绕闸渗流等。同时，要结合水闸设计及管理方面的规范和标准，加强水闸的日常巡查，具体巡查内容见表1[5]。

3.3.3 泵站

泵站在引水工程中主要发挥提水、供水、防洪、排涝等功能，由水工建筑物和机电设备两部分组成，其中水工建筑物包括取水口、引水渠、进水池、泵房等；机电设备包括水力或动力机械设备、一次设备、二次设备、直流设备等。

大量工程实践表明，泵站病害现象复杂，安全影响因素多，越来越多的项目开始应用计算机自动监控系统来监测泵站的安全性，常用的监测指标有泵站建筑物变形监测、渗流监测、机组结构应力应变和振动监测等。

3.3.4 河道

引水工程中的河道较长，一般不安装监测仪器，而是通过巡视检查来保证其安全性，主要巡查内容见表2[6]。

表2 河道安全巡查内容

在开展安全性评价时，要将河道划分为若干个评价单元，并按顺序编号。结合相关研究成果，本文建议将河道断面特征相同的堤段作为一个评价单元。

4 引水工程安全评价指标权重和评价等级

4.1 评价指标权重计算

本文利用层次分析法（AHP）来确定引水工程各个安全性评价指标的权重，其基本步骤如下：（1）建立层次结构。将引水工程安全性的影响因素划分成目标层、准则层、指标层和方案层。某一层次的元素会对下一层次的元素起到控制作用，但也受到上一层次元素的约束。（2）构建同层指标的判断矩阵。构建判断哪矩阵的目标是确定两个评价指标的相对重要性，常用1～9 标度法，标度1、标度3、标度5、标度7、标度9 分别表示两个指标同等重要、前者比后者稍微重要、前者比后者明显重要、前者比后者强烈重要、前者比后者极端重要。（3）判断矩阵的一致性检验。判断矩阵构建结束后，要计算其特征向量和最大特征值，开展一致性检验。一致性指标CI 值越小，判断矩阵的一致性越好，计算见式（1）：

式中，λmax为最大特征值；n 为矩阵阶数。

4.2 引水工程安全性等级

确定引水工程各层次评价指标的权重后，可采用综合评分法对引水工程的总体安全性进行评价。引水工程的评分值P 可按式（2）计算：

式中，Pi为第i 个评价指标评分；wi为第i 个评价指标权重。

评价分数越高，表明引水工程的安全性越高。根据评分结果，建议将引水工程安全性划分为Ⅰ（正常）、Ⅱ（病变）、Ⅲ（险情）3 个等级，对应的评分区间分别为80≤P＜100、60≤P＜80、P＜60。其中，正常状态是指引水工程各项功能满足设计要求，无明显缺陷；病变状态是指引水工程的某项功能不满足设计要求或主要监测参数异常，影响工程正常使用；险情状态是指引水工程存在较大的安全隐患，如不及时采取措施，可能产生严重的安全事故。