中小型混凝土拱壩施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)識(shí)別及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究

佘春勇，李星林

（1.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全管理中心，浙江 杭州，310012；2.華東交通大學(xué)，江西 南昌，330013）

0 引言

拱壩是一種高次超靜定空間殼體結(jié)構(gòu)，具有受力條件好、安全度高的特點(diǎn)。據(jù)相關(guān)資料，混凝土拱壩的超載能力可達(dá)設(shè)計(jì)載荷的5～11 倍，當(dāng)外荷載增加或拱壩局部開裂時(shí)，壩體應(yīng)力可以自行調(diào)整，只要壩肩穩(wěn)定、可靠，壩體安全度一般較大[1]。但拱壩因其剖面薄，壩體呈現(xiàn)的幾何形狀比較復(fù)雜，對(duì)地質(zhì)條件、筑壩材料、防滲等要求較其他壩型更為嚴(yán)格。同時(shí)，中小型拱壩因施工工期短、施工技術(shù)力量相對(duì)薄弱等客觀因素，在施工過程中容易出現(xiàn)質(zhì)量問題或質(zhì)量事故。綜合拱壩事故案例、安全鑒定報(bào)告及學(xué)術(shù)文獻(xiàn)觀點(diǎn)，中小型混凝土拱壩事故主要有失穩(wěn)潰壩、超量開裂以及剪滑垮壩三種類型。開展中小型拱壩的施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究，對(duì)中小型拱壩施工質(zhì)量控制和監(jiān)管具有重要的指導(dǎo)意義。

為保障中小型混凝土拱壩施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)識(shí)別的全面性和科學(xué)性，采用故障樹分析方法，從混凝土拱壩可能出現(xiàn)的施工質(zhì)量問題反推施工過程中的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。故障樹分析用來了解系統(tǒng)失效的原因，并且找到最好的方式降低風(fēng)險(xiǎn)。以拱壩的潰壩和非潰壩事件兩類事件作為頂層故障，采用故障樹分析方法從不同部位、施工過程逐層細(xì)化，從理論上識(shí)別質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。然后，設(shè)計(jì)調(diào)查問卷開展指標(biāo)完備性的初步調(diào)研和指標(biāo)重要度的德爾菲法調(diào)研。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建較為完善的中小型混凝土拱壩施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。

1 基于潰壩失穩(wěn)事故的施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)識(shí)別

拱壩失穩(wěn)原因眾多，失穩(wěn)的部位也具有不確定性。錢向東等[2]從工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定的一般概念出發(fā)，提出拱壩的穩(wěn)定是壩體、巖體及其交界面整體的穩(wěn)定平衡，壩肩巖體滑移及超量壓縮、壩基破壞及壩體屈曲是失穩(wěn)的主要可能形式。史如平[3]通過對(duì)拱壩邊坡及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、觀測(cè)研究，結(jié)合具體工程分析了拱壩失穩(wěn)的原因。綜合上述觀點(diǎn)，拱壩失穩(wěn)潰壩的主要風(fēng)險(xiǎn)來自壩肩、壩體以及壩基三個(gè)部位，與之相關(guān)聯(lián)的施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分析見表1。

表1 拱壩失穩(wěn)潰壩的施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)Table 1 Construction quality risk indexes in arch dam failures

2 基于超量開裂的施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)識(shí)別

拱壩超量開裂除預(yù)留的施工橫縫、縱縫不當(dāng)外，混凝土溫控、養(yǎng)護(hù)措施不到位也是重要原因。陳勝宏等[4]在開裂單元中引入不連續(xù)形函數(shù)，建立了一種三維裂縫擴(kuò)展的不變網(wǎng)格有限元分析方法，運(yùn)用該方法對(duì)二灘拱壩和小灣拱壩在相同工況下進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算。盧向麗[5]對(duì)某拱壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜、動(dòng)力的耦合分析，對(duì)大壩的開裂進(jìn)行了靜、動(dòng)力的線性和非線性分析。田斌等[6]綜述了國內(nèi)外有關(guān)拱壩壩踵開裂機(jī)理的研究成果，分析了壩踵開裂機(jī)理，并探討了從中應(yīng)吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。綜上，拱壩超量開裂的主要風(fēng)險(xiǎn)有縱橫縫設(shè)置不當(dāng)、溫度裂縫、周邊縫等，與之相關(guān)的施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)見表2。

表2 拱壩超量開裂的施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分析Table 2 Construction quality risk indexes in arch dam cracking

3 基于剪滑垮壩的施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)識(shí)別

拱壩剪滑破壞也是拱壩垮壩事故比較常見的情形。陳在鐵[7]在分析洪水、地震和材料老化等造成拱壩失效原因的基礎(chǔ)上，研究了拱壩單個(gè)失效模式與系統(tǒng)失效概率的計(jì)算方法，計(jì)算了拱壩剪滑失效模式的失效概率。任青文等[8]以計(jì)算拱壩剪滑垮壩發(fā)生概率為例，研究各失效模式的相關(guān)程度及失效概率。綜上分析，拱壩出現(xiàn)剪滑垮壩主要為拱壩邊坡或壩基滑坡等，與之相關(guān)的施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)包括：（1）上游面防滲體設(shè)置不合理；（2）周圍的山體防滑加固處理不合理；（3）庫區(qū)邊坡加固處理措施不到位；（4）壩址基坑處理不當(dāng)導(dǎo)致滑坡；（5）施工過程中對(duì)降雨量、雨量監(jiān)測(cè)不夠。

4 施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

4.1 專家甄別

根據(jù)上述混凝土拱壩施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)識(shí)別結(jié)果，對(duì)前述可能造成拱壩失穩(wěn)潰壩、超量開裂和剪滑垮壩的施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)設(shè)計(jì)調(diào)查問卷，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的問卷調(diào)查分為兩步。第一輪為預(yù)調(diào)研，目的是保證施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的完備性。為保證問卷的全面性，首輪工程涉及浙江、江蘇、貴州、廣西等省區(qū)的12 個(gè)混凝土拱壩，調(diào)研對(duì)象包括水利工程建設(shè)管理部門、建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督、項(xiàng)目法人、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工等單位的技術(shù)管理人員。第一輪問卷調(diào)查結(jié)束后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)技術(shù)人員意見，調(diào)整了部分風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，刪除了“邊縫、地縫設(shè)置不合理”等設(shè)計(jì)指標(biāo)，形成新問卷并進(jìn)行第二輪問卷調(diào)查。第二輪問卷調(diào)查采用德爾菲法，邀請(qǐng)了17位從事混凝土壩設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理和質(zhì)量監(jiān)督方面的專家，采用三輪次匿名打分的方式，逐步形成共識(shí)性意見。

根據(jù)第二輪問卷調(diào)查反饋的專家意見，使用離散系數(shù)法進(jìn)行指標(biāo)篩選，離散系數(shù)計(jì)算公式為：

變異系數(shù)越大，表明專家對(duì)于該指標(biāo)的分歧越大。為達(dá)成專家共識(shí)意見，在得到專家打分結(jié)果后，課題組通過計(jì)算變異系數(shù)的方法判斷專家打分結(jié)果的一致性。課題組對(duì)第一次打分結(jié)果變異系數(shù)大于0.5 的指標(biāo)向各位專家進(jìn)行詳細(xì)的解釋，對(duì)第二次調(diào)查結(jié)果變異系數(shù)大于0.3的指標(biāo)進(jìn)行了解釋，最終，三次打分后，結(jié)果中所有指標(biāo)得分變異系數(shù)均小于0.3，符合權(quán)重確定要求。根據(jù)17 位專家的反饋意見，刪除了初始指標(biāo)中“混凝土密實(shí)度不夠”、“施工過程中的低溫荷載導(dǎo)致上游面產(chǎn)生豎向裂縫”和“拱端向岸壁嵌進(jìn)深度不夠?qū)е鹿白€(wěn)定性不強(qiáng)”等指標(biāo)。

4.2 基于信息集結(jié)算子的AHP權(quán)重設(shè)計(jì)

根據(jù)專家問卷調(diào)查反饋的結(jié)果分析，專家對(duì)某些指標(biāo)的評(píng)價(jià)差異較大，評(píng)分分布較分散，第二輪德爾菲問卷的三次打分后仍無法達(dá)成一致。為此，借鑒大規(guī)模群體決策的研究方式，構(gòu)建了基于信息集結(jié)算子的AHP 權(quán)重計(jì)算方法。該方法包括以下四個(gè)步驟。

（1）采用標(biāo)準(zhǔn)化方法剔除專家的個(gè)人偏好。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)區(qū)間為[L，R]，通常為[0，1]區(qū)間，原有指標(biāo)的取值范圍為[l，r]，則根據(jù)變量物理意義取值，此處為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的評(píng)分值，為[0,9]區(qū)間。根據(jù)等比例映射原理，一個(gè)專家對(duì)某項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)分x映射到標(biāo)準(zhǔn)化區(qū)間的值v的計(jì)算方法如下：

式中：x為待標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)分值；l、r分別為原評(píng)分制上下限；R、L為標(biāo)準(zhǔn)化上下限。

（2）采用信息集結(jié)算子剔除極端評(píng)分并加權(quán)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的評(píng)分。信息集結(jié)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(quán)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(duì)評(píng)分按照大小順序進(jìn)行有序排列，然后根據(jù)專家人數(shù)、希望考慮的專家數(shù)量等因素，生成一組專家權(quán)重序列，然后進(jìn)行評(píng)分的加權(quán)計(jì)算。計(jì)算公式為[9-10]：

式中：α、β分別代表極端偏低和極端偏高評(píng)分的控制，低于α排名的評(píng)分值權(quán)重為零，高于β排名的權(quán)重也為零。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(duì)應(yīng)的參數(shù)(α,β)分別為（0.2，0.8）、（0，0.5）、（0.5，1）、（0，1）。

以8位專家對(duì)某項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)分為例，專家評(píng)分依次為（5，7，4，7，1，7，5，4），按順序排列后為（7，7，7，5，5，4，4，1）。在考慮“多數(shù)”專家意見情況下，分別為（0.2，0.8），根據(jù)公式（1），首先計(jì)算對(duì)應(yīng)r排序的Q（r）值，其中，r為專家按評(píng)分排序的位序，然后求出不同專家的權(quán)重。具體計(jì)算過程見表3所示。

表3 權(quán)重計(jì)算過程Table 3 Calculation process of weights

該權(quán)重類似于跳水比賽中“去掉一個(gè)最高分和一個(gè)最低分”的打分方式。加權(quán)分值為5.2。由于剔除了極端意見，因此采用算子集結(jié)后的分值高于簡(jiǎn)單平均值4。

（3）建立指標(biāo)體系評(píng)分與問卷題項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)分的映射關(guān)系。根據(jù)初始風(fēng)險(xiǎn)清單篩選結(jié)果，結(jié)合問卷題項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)分值和專家評(píng)分，計(jì)算最終確定的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分值及平均值。

（4）根據(jù)指標(biāo)體系的標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)，采用AHP 進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。

4.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分析

根據(jù)中小型混凝土拱壩事故案例分析，事故類型和導(dǎo)致事故的因素往往是復(fù)雜的，可能是多種風(fēng)險(xiǎn)因素共同作用的結(jié)果。但究其原因，主要有材料質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、混凝土施工風(fēng)險(xiǎn)、地基處理風(fēng)險(xiǎn)、結(jié)合處處理風(fēng)險(xiǎn)、溫度控制風(fēng)險(xiǎn)和其他部位施工風(fēng)險(xiǎn)等五方面。根據(jù)上述五方面風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)第二輪問卷調(diào)查反饋意見篩選后的指標(biāo)進(jìn)行故障樹分析，并按目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層建立施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表4所示。

表4 中小型混凝土拱壩施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 4 System of construction quality risk evaluation indexes for small and medium-sized concrete arch dams

4.4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)檢驗(yàn)分析

根據(jù)構(gòu)建的中小型混凝土拱壩施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用群體層次分析法對(duì)某在建小型拱壩工程施工初期風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系進(jìn)行分析。由于該工程處于基礎(chǔ)處理階段，提取風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系中的材料風(fēng)險(xiǎn)U1、基礎(chǔ)處理風(fēng)險(xiǎn)U3、溫控風(fēng)險(xiǎn)U5及所包含的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)體系，并根據(jù)第二輪德爾菲法的各專家最后評(píng)分，重新進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算分析。

以U1材料風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算為例，轉(zhuǎn)化目標(biāo)區(qū)間為[0,1]，17位專家給出的最終重要度得分如圖1所示。

圖1 材料風(fēng)險(xiǎn)的專家評(píng)分結(jié)果Fig.1 Experts scores on material risks

對(duì)圖1所示的專家評(píng)分進(jìn)行降序排序，并根據(jù)公式（1）生成專家權(quán)重系數(shù)，如圖2所示。

圖2 專家權(quán)重Fig.2 Experts weights

根據(jù)專家權(quán)重加權(quán)獲得U1的風(fēng)險(xiǎn)得分為4.763，采用相同步驟獲得其U3、U5的風(fēng)險(xiǎn)得分，歸一化得到U1、U3、U5的權(quán)重集A=（0.3332，0.3607，0.3061）。采用相同步驟得到指標(biāo)Uij的權(quán)重集Ai為：A1=（0.28，0.39，0.33），A3=（0.32，0.33，0.35），A5=（0.28，0.41，0.31），均滿足一致性檢驗(yàn)。

5 結(jié)語

中小型混凝土拱壩施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)因素多，類型復(fù)雜，既有地質(zhì)條件、壩型結(jié)構(gòu)等客觀因素，也有建筑材料、施工技術(shù)、施工方法、施工條件、施工管理等現(xiàn)實(shí)情況，難以有效識(shí)別和控制。通過文獻(xiàn)計(jì)量、專家咨詢、專家甄別及相關(guān)性分析研究，構(gòu)建中小型拱壩施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，能夠有效識(shí)別中小型混凝土拱壩施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)及其存在的問題，該套質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)體系已集成至浙江省水利工程建設(shè)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管理原型系統(tǒng)中，在平陽順溪水利樞紐等10多個(gè)工程項(xiàng)目上進(jìn)行了測(cè)試和初步應(yīng)用，指標(biāo)體系的適用性較高，為施工質(zhì)量差別化監(jiān)管提供了指導(dǎo)與幫助。