碾壓混凝土壩施工質量風險評價研究

佘春勇，張 可，楊圣濤

(1.浙江省水利水電工程質量與安全監(jiān)督管理中心，浙江 杭州 310000；2.河海大學商學院，江蘇 南京 211100；3.河海大學項目管理研究所，江蘇 南京 211100)

碾壓混凝土具有水泥用量少、造價低以及溫控較易等優(yōu)點，在水電工程施工行業(yè)應用相當廣泛，但是由于諸如密實度不夠、層間結合不良等方面的缺點，在一定程度上影響了碾壓混凝土的推廣[1]。

碾壓混凝土壩在施工階段埋下的質量隱患將會在大壩運行階段逐一暴露，影響大壩的安全運行，造成不可估量的利益損失。而造成碾壓混土壩施工質量風險因素眾多，如地質條件、水文條件、氣候條件、施工水平、施工工藝及機械設備性能等[2]，由于碾壓混凝土大壩各個施工環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，很多情況下一種質量問題可能是多種因素綜合作用的結果[3]。因此，有必要在碾壓混凝土大壩施工過程中對其進行施工質量風險評價，對于風險較高的項目根據(jù)指標得分情況系統(tǒng)性分析，探究其施工過程質量風險評價結果偏低的原因，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，及時更正。

1 碾壓混凝土壩施工質量評價指標識別

1.1 初始指標的選取

影響碾壓混凝土壩施工質量的因素眾多，由現(xiàn)有文獻可知，可以從壓實容量、強度、耐久性、受力變形特性以及層面結合質量等5個方面對碾壓混凝土壩施工階段的質量風險進行評價[4]。

1.1.1 壓實容量

壓實容量主要反映了壓實效果的優(yōu)劣，林達[5]在試驗的基礎上提出壓實容量的大小取決于壓實能量。碾壓機械的性能、壓實的厚度、變數(shù)等因素都會對壓實能量造成影響。在實際的施工過程中，碾壓設備的性能早在施工之前隨著設備的確定已確定，因此真正影響碾壓效果的因素主要是壓實的厚度和次數(shù)。高鵬[4]認為，單位體積用水量對振動壓實的效果影響同樣顯著，且其存在一個最優(yōu)單位體積用水量。

1.1.2 強度

石妍等[6]認為碾壓混凝土的抗壓、抗拉強度以及本體抗剪強度是考察碾壓混凝土壩力學強度性能的最重要指標。全海[7]提出水膠比、水泥型號、膠凝材料用量、粉煤灰摻量骨料的粗細程度都會對碾壓混凝土壩強度產生影響。

國內外研究證明[8-9]，干貧碾壓混凝土以及高粉煤灰含量碾壓混凝土均符合“水灰比定律”，即隨著水灰比的增加，抗壓強度降低。工程實踐證明，膠凝材料的用量對碾壓混凝土的強度有正向的促進作用，而隨著膠凝材料用量的增大，促進作用也逐漸減弱。當膠凝材料較少時，干貧混凝土內無法產生足夠的水化物填補混凝土的空隙，因此，此時的抗壓強度較弱。隨著膠凝材料的增加，混凝土內的空隙被填充，抗壓強度也相應地增加。根據(jù)劉建義[10]的研究結論可知，當水泥量保持不變，膠凝材料用量適當變動的情況下，碾壓混凝土的抗壓強度隨著粉煤灰的增加而增加。此外，根據(jù)劉數(shù)華等[11]的研究結論可知，骨料的粗細程度也會對碾壓混凝土的強度產生影響，在其他條件不變的情況下一定范圍內碾壓混凝土的抗壓強度與砂率呈負相關性，但是超過一定范圍，混凝土與砂率反而呈正相關關系。在其他條件不變的情況下，砂中的細粉的含量與碾壓混凝土抗壓強度呈正相關。

1.1.3 耐久性

阮燕等[12]認為，抗?jié)B性與抗凍性是體現(xiàn)碾壓混凝土耐久性的兩個重要方面，同時他們在試驗的基礎上提出配合比、密實度是影響混凝土抗?jié)B性的決定性因素。粉煤灰的含量是影響碾壓混凝土抗?jié)B性的重要因素。在其他條件保持不變的條件下，粉煤灰的含量與碾壓混凝土的強度成正相關關系，這是因為粉煤灰在后期不斷水化，堵塞原生空隙，抗?jié)B性也隨之增加。同時，由于碾壓混凝土采用碾壓工藝施工，層面結合不良也會在很大程度上影響碾壓混凝土的抗?jié)B性能。此外，影響碾壓混凝土抗?jié)B性的指標還包括施工縫的間歇時間、冷縫的處理方式及質量等等，因此造成碾壓混凝土抗?jié)B性差的原因錯綜復雜，極有可能是多種原因共同作用的結果。

1.1.4 受力變形特性

石妍等[13]認為，碾壓混凝土的受力變形特性是研究和分析碾壓混凝土開裂性能的重要性能，其在搜集國內碾壓混凝土壩的受力變形數(shù)據(jù)的基礎上分析出可能會影響碾壓混凝土壩受力變形情況的因素主要有靜力抗壓模量、極限拉伸值、徐變等因素。方坤河[14]在試驗的基礎上提出無論是骨料、膠凝材料等原材料的質量，還是混凝土的材料用量、比例均會對碾壓混凝土的靜力抗壓彈性模量產生影響。此外，施工質量對靜力抗壓彈性模量也不容忽視。石妍等[13]在對國內外數(shù)據(jù)處理的基礎上認為，原材料的用量、混凝土的抗拉強度以及彈性模量均會對碾壓混凝土的極限拉伸值產生影響。國內外的試驗證明[4,9]，粉煤灰的含量較高時，碾壓混凝土的抗裂性能較高，同時其極限拉伸值也會隨著齡期的增加而提升。高鵬[4]認為，影響碾壓混凝土徐變的因素不僅包括原材料的性質和比例，還包含對碾壓混凝土加荷時的一系列因素，諸如時間、應力等。

1.1.5 層面結合質量

層面結合不良是碾壓混凝土壩施工中較為突出的質量風險[1]。從理論角度來看，造成層間結合不良的原因是上層混凝土覆蓋碾壓時下層的混凝土已失去塑性。造成層間結合不良的原因是多方面的，韓克林[1]根據(jù)以往的資料和施工實踐提出層面施工間歇時間、碾壓層面完好程度以及混凝土鋪設時骨料分離情況都會影響碾壓混凝土的層間結合情況。

筆者在整理現(xiàn)有文獻與碾壓混凝土壩設計技術標準的基礎上構建了碾壓混凝土壩施工質量評價的初始指標體系M(圖1)。

圖1 碾壓混凝土壩施工質量風險評價初始指標M

1.2 指標甄別與篩選

1.2.1 專家甄別

在碾壓混凝土壩施工質量初步評價指標體系確定之后，我們選擇了20位專家以問卷形式征詢意見。這些專家包括了10位水利研究領域的學者和10位曾經參與碾壓混凝土壩現(xiàn)場施工管理的專家。專家指標法首先要求專家依據(jù)自身經驗與知識選擇出他們認為最重要的10個指標，然后將專家判斷的結果進行統(tǒng)計。筆者將Qi=Ti/20稱為指標i的專家評價共識率(Ti為第i個指標被專家選擇的次數(shù))，并取臨界值(臨界共識率)為Q0=10%，如果Q0≤10%，則認為經第i個指標是重要程度較弱，應刪除[15]。

對專家甄別結果進行統(tǒng)計分析，其中最后13個指標Qi低于10%，按照要求我們將其刪除，并將最終剩余的26個指標形成指標系統(tǒng)M2。刪除的指標有：相對壓實密度中壓實機械的性能U12；強度中水膠比、水泥標號及膠凝材料用量U22、粉煤灰摻量U23；耐久性中的層間施工間歇時間U32；層面結合質量中的施工縫間歇時間U42、冷縫處理方式以及質量U43；受力變形性能中骨料的彈性模量U52、硬化膠凝材料漿的結晶程度U53、硬化材料與骨料界面的膠凝度U56、碾壓混凝土的抗拉強度U511、水泥性質U514、骨料的礦物成分及級配U515、結構尺寸U517。

專家判斷的主觀性不可避免地會影響結果的客觀性，但是由于筆者選取的專家較多，在一定程度上可以化主觀為客觀[15]。根據(jù)專家的經驗和知識確能刪除一些不能反映碾壓混凝土施工質量特性的指標，適當降低指標的冗余度。

1.2.2 指標相關性分析

專家甄別法雖可以在一定程度上改善指標體系，但是現(xiàn)有指標體系M2依然存在數(shù)據(jù)偏多、邏輯性較弱等問題，因此筆者擬采用相關性分析的方法刪除部分相關性較強的指標，進一步降低指標的冗余度。為此，需要采取以下分析步驟：

(1) 整理歸納浙江省水利工程質量監(jiān)測報告，獲取2014—2016年各指標數(shù)據(jù)(樣本涵蓋了浙江省內3年中34座碾壓混凝土壩的檢測數(shù)據(jù))；

(2) 用常用的統(tǒng)計標準化方法對數(shù)據(jù)進行無量綱處理；

(3) 依據(jù)已得到的標準化值求得M2中各指標之間的相關性系數(shù)Rij；

(4) 在確定相關系數(shù)臨界值T(0

(5) 對Rij≥T的指標進行邏輯性判斷，刪除一些相關性較強且不重要的指標。

我們首先利用SPSS 13.0 對評價指標體系進行相關性分析，計算出相關系數(shù)矩陣，在取相關臨界值為0.8的基礎上，篩選出13對評價指標并對其進行相關性分析。

經過對相關性指標進行定性分析，根據(jù)相關分析的原理和原則刪減了13個指標：混凝土單位體積的含水量U13、骨料中的細粉含量U24、混凝土相對壓實度U25、粗骨料分離程度U33、耐侵蝕度U44、混凝土密實度U45、混凝土的灰骨比U54、混凝土容量U55、混凝土的空隙率U57、混凝土抗壓強度與齡期U58、膠凝材料用量U510、高粉煤灰含量U512、加荷時的齡期持荷時間和應力強度U516。

1.2.3 評價指標體系的確定

根據(jù)全面性、系統(tǒng)性、可比性、科學性與可行性相結合的原則，筆者結合浙江省2014—2016年水利工程質檢報告結果，綜合相關水利專家意見利用層次分析的原理,從相對壓實密度、強度、層面結合質量、耐久性以及受力變形性能5個方面構建碾壓混凝土壩施工質量指標體系M3(圖2)。

圖2 碾壓混凝土壩施工質量風險評價指標體系M3

2 灰色多層次評價模型

碾壓混凝土壩施工質量風險評價過程中，許多指標只能采取專家咨詢的方式定性評價，同時混凝土壩施工質量的評價還會存在信息嚴重不對稱問題，施工企業(yè)出于對自身利益的保護往往拒絕透露真實的施工情況，雖然監(jiān)測人員可以通過抽檢和巡檢獲取一定的信息，但對評估者及評估對象來說信息都是不完全、不確切的。此外，專家的知識、經驗以及自身的偏好都會影響其評價結果，造成評價結果偏離實際。整個項目的施工風險處于“部分確知，部分不確知的狀態(tài)”，具有很高的灰色性。據(jù)此，筆者利用灰色層次評價模型對碾壓混凝土壩質量風險進行評價。

首先，利用群體層次分析法計算出專家權重集，再利用模式識別去除部分孤立意見之后求均值。如何充分利用調查結果，剔除專家的主觀偏好、形成共識性指標體系權重是筆者迫切需要解決的問題。為此，筆者借鑒了大規(guī)模群體決策的研究方式，構建了基于信息集結算子的AHP權重計算方法。該方法主要包括4個步驟。

步驟1.采用標準化方法剔除調查問卷中專家的個人偏好。現(xiàn)階段研究中，為了剔除不同用戶對于產品的偏好不同，通常采用Z-SCORE和標準化的方式，剔除用戶偏好。由于Z-SCORE方法進行變換后，容易產生負分值，不利于權重計算。為此，本研究主要采用標準化方法進行研究。該方法假設標準化的目標區(qū)間為[L,R]，原來指標的取值范圍為[1,r]，則根據(jù)等比例映射的原理，一個專家對于某項指標的評分x映射到標準化區(qū)間的值v的計算方法如下：

(1)

步驟2.采用信息集結算子剔除極端評分，綜合不同專家對問卷中質量風險指標的評分。大量采用專家評分容易對某些質量風險指標存在意見分歧，信息集結算子是有效剔除極端意見的工具，常用的算子包括有序加權平均算子(OWA)、有序幾何平均算子(OWG)等。這類算子的基本步驟是首先對評分按照大小順序進行有序排列，然后根據(jù)專家人數(shù)等因素生成一組專家權重序列，計算公式如(式2和式3)所示。最后進行評分的加權計算。

wi=Q(i/l)-Q((i-1)/l)

(2)

(3)

式中：α,β∈[0，1]，在“多數(shù)”、“至一半”、“盡可能多”和“全部平均”原則下，模糊量化算子Q(r)對應的參數(shù)(α,β)分別為(0.3,0.8)、(0,0.5)、(0.5,1)、(0,1)。

以8位專家對于某項指標的評分為例，各專家評分依次為(5,7, 4,7,1,7, 5, 4)，按照順序排列后為(7,7,7,5,5,4,4,1)。在考慮“多數(shù)”專家意見情況下，生成的權重向量為(0,0.05,0.2,0.3,0.25,0.15,0.05,0)，加權分值為4.8，由于剔除了極端性意見，因此采用集結算子后的分值高于簡單平均值4。

步驟3.建立指標體系評分與問卷題項標準分的映射關系。由于最終的質量風險指標體系是對初始風險清單進行了篩選、匯總操作，因此，在計算了標準分值后需要進一步匯總最終問卷指標得分，并計算平均分數(shù)。

步驟4.根據(jù)指標體系的標準分數(shù)，采用AHP進行權重計算。

其次，制定評價指標的評價等級，在此基礎上組織專家評分并求出評價樣本矩陣；再次，確定評價灰類并計算灰色評價系數(shù)，并基于此計算灰色權向量及權矩陣；最后，對項目質量風險進行綜合評價并排序。如當全體評價專家都認為第x個受評項目的每個指標Uij評分都是1分，對應的R(x)為2.189 8；當全體評價專家都認為第x個受評項目的每個指標Uij評分都是2分，對應的R(x)為3.1169；當全體評價專家都認為第x個受評項目的每個指標Uij評分都是3分，對應的R(x)為3.500 8；當全體評價專家都認為第x個受評項目的每個指標Uij評分都是4分，對應的R(x)為4.054 1；當全體評價專家都認為第x個受評項目的每個指標Uij評分都是5分，對應的R(x)為4.32。

3 案例分析

現(xiàn)有一碾壓混凝土壩壩體正在施工，質監(jiān)人員對其進行檢測，獲取數(shù)據(jù)以便對其進行質量評價。利用文章中采用的群體層次分析法，分別求得Ui的權重集A=(0.323 5,0.090 7,0.137 3,0.294 1,0.154 4)；指標Uij的權重集Ai為：A1=(0.358 3，0.331 8，0.309 9)；A2=(0.553 8，0.215 4，0.230 8)；A3=(0.643 5,0.356 5)；A4=(0.456 3，0.543 7)；A5=(0.456 3，0.242 4,0.301 3)，均滿足一致性檢驗，分別請8位有關專家進行評價，評價矩陣如下：

計算灰色全矩陣為：

B(1)=A·Q(1)=(0.003 579,0.189 082,0.307 699,0.295 113,0.233 437)

R(1)=B(1)·CT=3.652 4

其中，B(x)表示對第x個受評項目的Ui指標做綜合評價的結果，C=(1,2,3,4,5)為各評價灰類等級值化向量。R(x)表示對第x個受評項目的綜合評價結果。因此，根據(jù)計算結果可知，此碾壓混凝土壩處于較高的風險等級，需要質檢部門通過評價過程探究造成碾壓混凝土壩施工質量風險較高的原因，并進行重點監(jiān)管。

4 結 論

碾壓混凝土壩施工質量風險的因素類型繁多、錯綜復雜，因而，質監(jiān)部門難以在短時間內細致檢查所有的指標。筆者梳理歸納現(xiàn)有文獻構建初始評價指標體系，在此基礎上，利用專家甄別法和相關性分析法對碾壓混凝土壩施工風險初始評價指標進行了刪減優(yōu)化。同時，筆者借鑒大規(guī)模群體決策和灰色多層次評價模型構造碾壓混凝土壩施工風險評價模型，通過評價結果判斷施工過程中存在的問題。案例研究表明，文中構建的指標體系和評價方法能夠有效識別施工質量風險及其存在的問題，能夠輔助質監(jiān)部門明確重點監(jiān)管部位，提升質監(jiān)工作效率。

參考文獻：

[1] 韓可林. 碾壓混凝土大壩工程的施工質量管理研究[D]. 長沙:國防科學技術大學, 2008.

[2] 李亞非. 高混凝土重力壩開裂成因分析及數(shù)值研究[D]. 濟南:山東大學, 2010.

[3] 賈峰. 碾壓混凝土壩的滲漏問題及處理措施[J]. 水電站機電技術, 2016,39(11):79-80.

[4] 高鵬. 碾壓混凝土施工質量評價指標及影響因素分析[J]. 中國水利, 2007(21):32-34.

[5] 林達. 碾壓混凝土壩施工壓實質量預測模型研究[D]. 天津:天津大學, 2012.

[6] 石妍, 方坤河, 高鐘偉. 碾壓混凝土強度特性的研究[J]. 水力發(fā)電學報, 2006, 25(1):85-89.

[7] 全海. 碾壓混凝土大壩強度特性試驗研究[J]. 低碳世界, 2017,7(23):42-43

[8] 石妍, 方坤河. 碾壓混凝土強度特性的研究[C]∥中國水力發(fā)電工程學會.2004年全國碾壓混凝土壩筑壩技術交流會論文集. 貴陽：中國水力發(fā)電工程學會，2004:85-89.

[9] 劉偉寶, 陸采榮, 梅國興,等. 軟弱砂巖骨料碾壓混凝土的配制及其特性研究[J]. 海洋工程, 2014,32(6):105-110.

[10] 劉建義. 淺談粉煤灰摻量對水泥膠砂、碾壓混凝土強度的影響[J]. 混凝土, 1988,10(5):29-33.

[11] 劉數(shù)華, 方坤河. 碾壓混凝土的強度研究[J]. 大壩與安全, 2004,17(3):1-2.

[12] 阮燕, 方坤河. 水工碾壓混凝土耐久性及使用壽命的探討[J]. 水利水電技術, 2003,34(7):41-43.

[13] 石妍, 方坤河. 碾壓混凝土變形特性的研究[J]. 水力發(fā)電, 2006,32(7):71-73.

[14] 方坤河. 碾壓混凝土的變形特性研究[J]. 湖北水力發(fā)電, 1993,3(2):22-32.

[15] 陳國宏, 肖細鳳, 李美娟. 區(qū)域技術創(chuàng)新能力評價指標識別研究[J]. 中國科技論壇, 2008,24(11):67-71.