基于安全監(jiān)測的水閘健康診斷體系研究

何金平，曹旭梅，李紹文，陳克振

(1. 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北武漢 430072； 2. 廣東省潮州供水樞紐管理處，廣東潮州 521011)

水閘是防洪興利、資源調(diào)配的重要基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)2013年全國首次水利普查統(tǒng)計[1]，我國共有過閘流量大于5 m3/s的水閘97 019座，其中大型水閘860座。定期對水閘進行安全評估，是目前保障水閘安全的主要手段。當前水閘安全評估主要有兩種途徑：一是基于工程可靠性的安全評估，即在安全性、耐久性和適應(yīng)性方面，分別設(shè)置若干評估指標，并依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和工程檢測成果，采用遞歸運算方法，對水閘防洪標準、閘室穩(wěn)定性、抗?jié)B穩(wěn)定性、消能防沖、結(jié)構(gòu)老化病害等進行安全評估[2-4]；二是基于水閘安全鑒定的安全評估，即以《水閘安全鑒定規(guī)定(SL 214—98)》和《水閘安全鑒定管理辦法(水建管[2008]214號文)》為依據(jù)，從現(xiàn)狀調(diào)查、現(xiàn)場安全檢測、工程復(fù)核計算和安全評價等4個方面，對水閘的安全類別做出評估[5-6]。上述水閘安全評估方法，在實際工程中應(yīng)用廣泛，但也存在較明顯的局限性。主要表現(xiàn)在：①缺乏時效性。水閘安全評估目前主要采用離線分析方法，每隔一定時間(一般為5～10 a)對水閘進行一次安全評估，未能對水閘實施實時在線健康診斷和安全監(jiān)控。②未能充分利用監(jiān)測資料。大中型水閘一般配置有較為齊全的安全監(jiān)測項目，所取得的監(jiān)測資料是對水閘結(jié)構(gòu)性態(tài)和安全狀態(tài)的最直接反映，因此，對水閘進行安全評估和健康診斷時，應(yīng)充分利用監(jiān)測資料所提供的信息。

為此，本文擬建立一種基于安全監(jiān)測的水閘健康診斷體系，并重點對水閘健康診斷指標體系的構(gòu)建和健康狀態(tài)等級的劃分進行研究。與已有的基于可靠性和安全鑒定的水閘安全評估體系相比，基于安全監(jiān)測的水閘健康診斷體系能更緊密地結(jié)合水閘安全監(jiān)測，能更合理地反映水閘的實際健康狀態(tài)，也能為實現(xiàn)水閘實時在線安全監(jiān)控提供基礎(chǔ)條件和技術(shù)支持。

1 診斷體系研究

1.1 總體思想

基于安全監(jiān)測的水閘健康診斷是一個多層次、多指標的遞階分析決策問題，其基本思路可概括為：根據(jù)水閘安全監(jiān)測項目的具體設(shè)置和水閘的破壞機理，結(jié)合不同水閘的具體特點，建立水閘健康診斷指標體系，構(gòu)建診斷指標集U；根據(jù)水閘健康診斷的特點，在相應(yīng)規(guī)程規(guī)范的基礎(chǔ)上，確定水閘健康狀態(tài)等級的劃分，構(gòu)建診斷評語集V；根據(jù)水閘安全監(jiān)測資料，通過定性和定量分析，建立各監(jiān)測效應(yīng)量對應(yīng)于健康狀態(tài)等級的屬性矩陣C；根據(jù)多效應(yīng)量的屬性矩陣，利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)、信息科學(xué)或系統(tǒng)工程等方法，選擇合適的融合診斷途徑W，對水閘整體健康狀態(tài)進行融合診斷，將診斷指標的屬性矩陣C融合轉(zhuǎn)化為表征水閘健康狀態(tài)的診斷結(jié)果B。水閘健康診斷基本原理可概化為式(1)：

B=W·C

(1)

式中：B為水閘健康診斷結(jié)果，它實質(zhì)上是從水閘健康診斷的指標集U到水閘健康狀態(tài)等級的評語集V的狀態(tài)映射；C為水閘健康診斷指標的屬性矩陣，是對診斷指標特性的定量度量；W為融合診斷途徑，是將診斷指標特性融合轉(zhuǎn)化為健康狀態(tài)特性的遞歸運算法則。

在水閘健康診斷中，診斷指標體系的構(gòu)建和健康狀態(tài)等級的劃分是兩項基礎(chǔ)性工作。通過構(gòu)建多層次的診斷指標體系，可以將復(fù)雜的水閘健康診斷問題有機地分解為若干個相對簡單的子問題。通過對健康狀態(tài)的等級劃分，并建立診斷指標屬性與狀態(tài)等級評語集的映射關(guān)系，可以將難以精確表達的診斷問題模糊化。

1.2 指標體系的構(gòu)建

在構(gòu)建水閘健康診斷指標體系時，應(yīng)緊密結(jié)合水閘安全監(jiān)測布置和破壞機理，遵循科學(xué)性、相對完備性、相對獨立性、層次性、簡潔性和可操作性等原則。

1.2.1基于安全監(jiān)測 根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范(SL 265—2016)》的規(guī)定，結(jié)合對國內(nèi)部分大型水閘安全監(jiān)測的調(diào)研，水閘的常規(guī)性安全監(jiān)測項目主要包括變形、滲流和應(yīng)力等[7]。

(1)變形監(jiān)測。水閘一般建在軟基上，在自重、水壓力等荷載作用下，水閘將產(chǎn)生較明顯的變形，包括水平位移、垂直位移、不均勻沉降及接縫開合度等。其中，水平位移是對水閘結(jié)構(gòu)和地基性態(tài)最直接的綜合反映，垂直位移是對地基沉降性態(tài)的直接反映，不均勻沉降是評價地基變形特性的重要指標，接縫開合度是評價結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性的重要指標。

(2)滲流監(jiān)測。滲流是影響水閘整體穩(wěn)定性和滲透穩(wěn)定性的重要因素，水閘滲流監(jiān)測項目主要包括閘基揚壓力、滲透坡降、滲流量、繞閘滲流及水流流態(tài)等。其中，閘基揚壓力是綜合評價閘室整體穩(wěn)定性和閘基防滲排水狀態(tài)的重要指標，滲透坡降是評價閘基滲透穩(wěn)定性的重要指標，滲流量是評價閘基防滲效果的重要指標，繞閘滲流監(jiān)測主要反映水閘的兩岸滲流狀態(tài)，水流流態(tài)監(jiān)測(水力學(xué)監(jiān)測)主要反映水閘的消能防沖效果。

(3)應(yīng)力監(jiān)測。應(yīng)力監(jiān)測包括地基應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力等，如反映地基承載力狀態(tài)的地基反力監(jiān)測，反映閘基應(yīng)力分布的不均勻應(yīng)力監(jiān)測，反映混凝土結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的混凝土應(yīng)力監(jiān)測，反映側(cè)墻墻后回填土的土壓力監(jiān)測等。

在上述監(jiān)測項目中，水平位移、垂直位移、不均勻沉降、閘基揚壓力、滲透坡降、地基反力等是最重要的監(jiān)測項目。

1.2.2基于破壞機理 水閘有兩個較顯著的特點：一是地基一般為軟基，具有地層分布不均勻、壓縮性較大、承載能力較低、抗?jié)B性能較差等特點，這種地基條件給結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和滲透穩(wěn)定性帶來較大困難；二是水閘結(jié)構(gòu)主要為薄壁構(gòu)件組成的空間結(jié)構(gòu)體系，構(gòu)件受力較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)老化病害對水閘安全影響較大。

(1)沉降。軟基壓縮性較大，在荷載作用下，水閘將產(chǎn)生較大的沉降，特別是當荷載分布和地基抗力分布不均勻時，水閘不均勻沉降將比較明顯。水閘不均勻沉降是水閘的主要破壞模式之一，將導(dǎo)致閘室傾斜、結(jié)構(gòu)開裂等一系列安全問題[8]。

(2)滲透破壞。軟基抗?jié)B性能較差，一旦滲流控制不當，將產(chǎn)生管涌、流土等滲透破壞，并導(dǎo)致閘基揚壓力增加，直接影響閘室整體穩(wěn)定。滲透破壞是水閘最主要的破壞模式。

(3)結(jié)構(gòu)老化病害。老化病害對薄壁混凝土結(jié)構(gòu)的影響遠大于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，水閘最常見的老化病害主要有混凝土開裂、鋼筋銹蝕、沖磨空蝕等?；炷灵_裂將破壞結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性以及構(gòu)件的承載能力，鋼筋銹蝕將降低水閘混凝土的結(jié)構(gòu)強度，沖磨空蝕將對混凝土面產(chǎn)生明顯破壞。

(4)不良流態(tài)。在高速水流作用下，一旦下泄水流消能不充分，將在下游產(chǎn)生折沖水流、波狀水躍、遠驅(qū)水躍等不良流態(tài)，造成下游河道及兩岸的嚴重沖刷和消能防沖結(jié)構(gòu)的嚴重破壞。

1.2.3指標體系 水閘健康診斷具有多層次特性。水閘由閘室段、上游連接段和下游連接段3部分組成，這是結(jié)構(gòu)上的多層次；監(jiān)測項目一般分為變形、滲流和應(yīng)力三大類，各大類監(jiān)測項目又包括多種具體的監(jiān)測項目，而每一種具體監(jiān)測項目又具有多種監(jiān)測方法，這是監(jiān)測上的多層次。

水閘健康診斷又具有多指標特性。水閘一般布置有多種具體的監(jiān)測項目，這些具體的監(jiān)測項目構(gòu)成了水閘健康診斷的基本診斷指標。

在基于安全監(jiān)測的水閘多層次、多指標健康診斷體系中，最終診斷目標為水閘健康狀態(tài)，位于最頂層；基本診斷指標為具體的監(jiān)測項目，位于最底層，基本診斷指標的屬性由所屬監(jiān)測點的監(jiān)測資料來確定；該體系呈現(xiàn)遞階分析層次結(jié)構(gòu)，上、下層之間具有關(guān)聯(lián)隸屬關(guān)系，每層指標既是上一層的診斷指標，也是下一層的診斷目標。

圖1為普遍意義上的水閘健康診斷指標體系。該體系以水閘安全監(jiān)測為基礎(chǔ)，綜合考慮了水閘破壞機理、水閘設(shè)計規(guī)范、水閘安全監(jiān)測工程實踐等多方面因素。不過需要特別強調(diào)的是，水閘健康診斷是一個內(nèi)涵豐富、過程復(fù)雜的問題，不同水閘的結(jié)構(gòu)特點和地質(zhì)條件不同，安全監(jiān)測布置及側(cè)重點也不盡相同，因此其健康診斷指標體系也不盡相同，在具體工程實踐中，需要在圖1所示的普遍意義上的水閘診斷指標體系基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程實際情況，對指標體系進行適當調(diào)整。比如，閘門作為水閘的重要組成部分，對水閘安全也十分重要，當閘門具有較完整的監(jiān)測資料時，應(yīng)考慮將閘門特性納入到水閘健康診斷指標體系之中。

1.3 健康狀態(tài)等級的劃分與評語集設(shè)計

水閘健康狀態(tài)是一個抽象的具有模糊特性的概念，可采用模糊數(shù)學(xué)來描述。其基本思路為：依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范、工程實踐經(jīng)驗和人類心理活動規(guī)律等因素，將水閘健康狀態(tài)劃分為若干個模糊子集，構(gòu)成評語集V；然后利用隸屬度概念，建立評語集V與[0,1.00]范圍內(nèi)隸屬度的分區(qū)映射關(guān)系，為水閘健康診斷提供診斷標準。

目前，《水閘安全鑒定規(guī)定(SL 214—98)》、《水閘安全鑒定管理辦法(水建管[2008]214號文)》和《水閘安全評價導(dǎo)則(SL 214—2015)》都將水閘安全等級劃分為一類閘、二類閘、三類閘和四類閘等4個類別。其中，一類閘的評價標準為：運用指標能達到設(shè)計標準，無影響正常運行的缺陷，按常規(guī)維修養(yǎng)護即可保證正常運行；二類閘的評價標準為：運用指標基本達到設(shè)計標準，工程存在一定損壞，經(jīng)大修后，可達到正常運行；三類閘的評價標準為：運用指標達不到設(shè)計標準，工程存在嚴重損壞，經(jīng)除險加固后，才能達到正常運行；四類閘的評價標準為：運用指標無法達到設(shè)計標準，工程存在嚴重安全問題，需降低標準運用或報廢重建。

基于以上分析，為與當前水閘安全評價規(guī)程規(guī)范中水閘安全等級的劃分一致，將水閘健康狀態(tài)劃分為4個等級，其評語集可表示為：

V={正常，基本正常，異常，失常}

(2)

在建立評語集V與[0,1.00]范圍內(nèi)隸屬度的分區(qū)映射關(guān)系時，既要考慮水閘健康概念的客觀內(nèi)涵，也要考慮人類思維活動方式的主觀屬性。在客觀內(nèi)涵上，從偏重于工程安全的角度，對“正?！钡燃墝?yīng)的隸屬度區(qū)間應(yīng)從嚴，對“失常”等級對應(yīng)的隸屬度區(qū)間宜從寬；在主觀屬性上，可將人類思維中的“及格”作為區(qū)分“正常/基本正常”與“異常/失?！钡姆纸琰c，將“優(yōu)秀”作為“正?！钡姆纸琰c。因此，水閘健康診斷中評語集與隸屬度的對應(yīng)區(qū)間可確定為：

V={正常，基本正常，異常，失常}={[1.00, 0.85], (0.85, 0.60], (0.60, 0.40], (0.40, 0]}

(3)

2 實例分析

2.1 工程概況

潮州供水樞紐工程的東溪和西溪各布置有16孔攔河閘，總寬度約524 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩孔連成整體，為一閘段。正常蓄水位10.50 m，設(shè)計洪水位12.93 m(P=2%)，校核洪水位14.63 m(P=0.5%)，閘頂高程16.20 m。東溪水閘和西溪水閘均坐落在深厚的第四系沖積層上，地基主要為黏土、淤泥或淤泥質(zhì)土、淤質(zhì)粉細砂、中粗砂、砂卵礫石，總厚度80～100 m。

以東溪水閘的健康診斷為例，該水閘布置的安全監(jiān)測項目見表1。

表1 東溪水閘安全監(jiān)測項目布置Tab.1 Safety monitoring project layout of Dongxi sluice

圖2 東溪水閘閘室段健康診斷指標體系Fig.2 Health diagnosis index system for Dongxi sluice chamber section

2.2 指標體系

根據(jù)圖1所示的普遍意義上的水閘健康診斷指標體系，結(jié)合東溪水閘安全監(jiān)測布置的具體情況，構(gòu)建東溪水閘健康診斷指標體系，如圖2所示。

在圖2的診斷指標體系中，由于東溪水閘上、下游連接段未布置監(jiān)測設(shè)施，因此，在水閘結(jié)構(gòu)的層次性上，本次僅以閘室段健康狀態(tài)為最終診斷目標；根據(jù)監(jiān)測大類的層次性，在閘室段健康狀態(tài)診斷目標下設(shè)置變形U1、滲流U2和應(yīng)力U3等3個中間診斷指標；根據(jù)監(jiān)測項目的層次性，在變形U1下設(shè)置水平位移U11、垂直位移U12、地基不均勻沉降U13、接縫裂縫開合度U14等4個底層診斷指標，在滲流U2和應(yīng)力U3下各設(shè)置1個底層診斷指標，分別為閘底揚壓力U21和地基反力U31。

2.3 健康診斷

根據(jù)各監(jiān)測點的實測資料，從數(shù)值表現(xiàn)和趨勢性表現(xiàn)兩個角度，對監(jiān)測資料進行定性和定量分析，并結(jié)合專家知識和工程經(jīng)驗，在[0,1]數(shù)值范圍內(nèi)對各底層診斷指標進行量化評分，最終得到各底層指標的隸屬度，如表2所示。

表2 東溪水閘閘室段底層診斷指標隸屬度Tab.2 Membership of Dongxi sluice chamber section bottom diagnosis indexes

對表2，采用式(4)所示的普通加乘運算模型M，對各診斷指標進行遞歸運算。

(4)

式中：μ(Ulj)為診斷指標Ulj對評語集V的隸屬度；ωlj為診斷指標Ulj的權(quán)重，μ(Uj)為診斷目標的診斷結(jié)果。

由于滲流U2和應(yīng)力U3均只有1個底層診斷指標，因此無需進行遞歸運算。對變形U1的4個底層診斷指標U11，U12，U13，U14，水平位移U11是對水閘變形性態(tài)的綜合反映，也是對水閘健康狀態(tài)的最直接描述，因此應(yīng)賦予U11較大的權(quán)重；水閘一般建在軟基上，不均勻沉降U13對水閘整體穩(wěn)定性和構(gòu)件安全性影響較大，因此也應(yīng)賦予較大的權(quán)重；垂直位移U12雖然也很重要，但垂直位移U12與不均勻沉降U13之間存在一定關(guān)聯(lián)性，在U13已賦予較大權(quán)重的前提下，U12可賦予相對較小的權(quán)重；接縫開合度U14反映了不同結(jié)構(gòu)部位之間的運行協(xié)調(diào)性，其重要性相對于水平位移U11和不均勻沉降U13略低。因此，基于以上分析，確定U11，U12，U13，U14的權(quán)重分別為0.35，0.15，0.30，0.20。則變形U1的實測性態(tài)診斷值為：

μ(U)={0.80, 0.80, 0.75, 0.90}{0.35, 0.15, 0.30, 0.20}T=0.805

對最終診斷目標——閘室段健康狀態(tài)U，根據(jù)水利部1999年對全國水閘安全狀態(tài)的普查結(jié)果[10]，以滲流病害為主要表現(xiàn)特征的病險水閘占病險水閘總數(shù)的50%以上，滲透破壞是水閘最主要的破壞模式，因此，應(yīng)賦予滲流U2較大的權(quán)重；同時，過大變形導(dǎo)致水閘失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)破壞也是病險水閘的主要病害表現(xiàn)形式，因此，對變形U1也應(yīng)賦予較大的權(quán)重。基于以上分析，最終診斷目標——閘室段健康狀態(tài)U的診斷指標變形U1、滲流U2、應(yīng)力U3的權(quán)重分別為0.35，0.40，0.25，則閘室段健康狀態(tài)的診斷值為：

μ(U)={0.805, 0.85, 0.85}{0.35, 0.40, 0.25}T=0.834

對照式(3)所示的評語集，μ(U)處于(0.85, 0.60]區(qū)間，且接近于0.85，因此可確定東溪水閘閘室段健康狀態(tài)的診斷結(jié)果為健康狀態(tài)基本正常，且偏于正常。

水閘健康診斷指標既相互聯(lián)系，又具有相對獨立性。水閘健康狀態(tài)的惡化，有可能首先在某一種診斷指標中得到反映。在這種情況下，如果仍按常規(guī)的權(quán)重來診斷水閘的健康狀態(tài)，則有可能掩蓋水閘的真實健康狀態(tài)，甚至遺漏水閘存在的嚴重安全隱患。此時，應(yīng)對那些反映水閘健康狀態(tài)惡化的診斷指標賦予更大的權(quán)重[11]，甚至賦予“一票否決”的權(quán)限。

2.4 對比分析

潮州供水樞紐管理處2014年委托廣東省水利水電科學(xué)研究院對潮州供水樞紐工程安全監(jiān)測資料進行了系統(tǒng)分析，分析表明[12]：東溪水閘水平位移、垂直位移變化規(guī)律基本合理，測值在合理的變化范圍內(nèi)；接縫變形未出現(xiàn)明顯異常；水閘存在不均勻沉降，但尚不會對水閘安全產(chǎn)生明顯影響；閘基揚壓力、地基承載力和應(yīng)力不均勻系數(shù)均在設(shè)計允許范圍內(nèi)；東溪水閘實測性態(tài)基本正常。本文的健康診斷結(jié)論與上述監(jiān)測資料分析結(jié)論一致。

3 結(jié) 語

(1)以水閘安全監(jiān)測為核心，結(jié)合水閘的破壞機理，建立了一種基于安全監(jiān)測的水閘健康診斷體系，并構(gòu)建了一個普遍意義上的水閘健康診斷指標體系，提出了水閘健康狀態(tài)的四等級劃分方法，設(shè)計了相應(yīng)的評語集。與基于可靠性和安全鑒定的水閘安全評估體系相比，基于安全監(jiān)測的水閘健康診斷體系由于能更充分地利用監(jiān)測資料，因而能更合理地反映水閘的實際健康狀態(tài)，也能為實現(xiàn)水閘實時在線安全監(jiān)控提供基礎(chǔ)條件和技術(shù)支持。

(2)圖1給出的只是一個普遍意義上的水閘健康診斷指標體系，可為具體水閘的健康診斷提供一個參考性的指標體系框架。該指標體系一方面需要結(jié)合具體水閘的結(jié)構(gòu)特點和監(jiān)測布置情況進行適當?shù)恼{(diào)整，另一方面也需要在水閘健康診斷的實踐中不斷進行完善。此外，安全監(jiān)測既包括儀器監(jiān)測，也包括巡視檢查，因此，在指標體系建立時，對未布置監(jiān)測設(shè)施的診斷指標，應(yīng)盡可能地利用巡視檢查成果來確定其隸屬度，以保證診斷指標的完整性。

(3)基于安全監(jiān)測的水閘健康診斷是一個多層次、多指標的復(fù)雜問題，本文主要目的在于構(gòu)建一個基本框架體系。而其他技術(shù)問題，諸如：如何利用監(jiān)測資料更合理地確定診斷指標的隸屬度，如何更合理地確定各診斷指標的權(quán)重，在診斷過程中如何考慮診斷的不確定性等，則有待今后繼續(xù)深入研究。