基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的南水北調(diào)中線工程大型河渠交叉建筑物風(fēng)險(xiǎn)評估

郭政宇 袁 源 陳 寧 郭治君 尹傳森

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046)

前言

南水北調(diào)工程是一項(xiàng)宏偉的社會民生工程、經(jīng)濟(jì)工程、生態(tài)工程。該工程規(guī)模大、調(diào)水線路長，沿線有眾多渡槽、倒虹吸、箱涵等大型跨河建筑物，面臨著相對較大的水毀風(fēng)險(xiǎn)，這些關(guān)鍵性建筑物的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)識別、風(fēng)險(xiǎn)評估和風(fēng)險(xiǎn)管理對于南水北調(diào)中線工程的安全運(yùn)行極其重要。

目前，南水北調(diào)中線工程已經(jīng)基本建設(shè)完成，不可抗力、氣候因素、人為因素等導(dǎo)致渠道滑坡、失穩(wěn)、坍塌等事故時(shí)有發(fā)生，而渡槽、倒虹吸、箱涵等交叉建筑物連接處是工程相對薄弱之處，是需要運(yùn)行管理和風(fēng)險(xiǎn)防范的重點(diǎn)內(nèi)容。國內(nèi)外不少學(xué)者對南水北調(diào)中線工程進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析評價(jià)，但是大部分主要集中于擋水建筑物以及整治建筑物。少部分學(xué)者也針對工程相對薄弱的河渠交叉建筑進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析評價(jià)，但是缺乏對具體設(shè)計(jì)單元的分析且并未針對具體的問題提出相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)管理方法?？紤]到以上對于大型河渠交叉建筑物并結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計(jì)單元的風(fēng)險(xiǎn)分析識別、風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制不足，因此本文將選取主要的大型河渠交叉建筑物(渡槽、倒虹吸、箱涵)為研究對象， 并結(jié)合具體設(shè)計(jì)單元進(jìn)行分析。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)為不定性因果關(guān)聯(lián)模型，相比于其他綜合風(fēng)險(xiǎn)分析方法，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變量之間的因果關(guān)系及條件相關(guān)關(guān)系更加直觀化。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種強(qiáng)有力的不定性推理，可以在有限的、不完整的、不確定的信息下進(jìn)行推理，同時(shí)具有相對較高的可信度，因此本文將選用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)為理論基礎(chǔ)，并結(jié)合具體的進(jìn)行分析，給予結(jié)論和運(yùn)行管理意見。

1 河渠交叉建筑物失效模式分析

本文將選取渡槽、倒虹吸和箱涵三類主要大型河渠交叉建筑物分別進(jìn)行失效模式分析，并總結(jié)出共同點(diǎn)，構(gòu)建出相對統(tǒng)一的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)失效模型[1](注：該貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為適應(yīng)各設(shè)計(jì)單元的不同而做出些許改變)。渡槽是一組由橋梁、隧道或溝渠構(gòu)成的輸水系統(tǒng)，主要由進(jìn)出口段、槽身、支承結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)等部分組成，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。渡槽失效模式為整體倒塌、整體失衡、槽身及支承結(jié)構(gòu)裂縫，滲漏水和表層混凝土剝蝕及鋼筋腐蝕。倒虹吸由進(jìn)口段、管身和出口段三部分組成，為有壓封閉管道。倒虹吸的失效模式為管身錯位、填方段沖毀、管基不均勻沉降、管身裂縫、攔污柵的損毀和止水破損及滲漏。箱涵一般為鋼筋混凝土或圬工結(jié)構(gòu)，其失效模式有洞身坍塌、基礎(chǔ)失穩(wěn)、滲漏水和洞身裂縫。渡槽、倒虹吸和箱涵這三類主要大型河渠交叉建筑物結(jié)構(gòu)、形式等存在著一定的差異，但是它們的失效模式可以歸結(jié)為整體性破壞、結(jié)構(gòu)裂縫、基礎(chǔ)失穩(wěn)及滲漏水。

整體性破壞一般是由不可抗力引起的，比如特大暴雨、洪水、地震。結(jié)構(gòu)裂縫一般是由于低溫凍融，人為因素以及材料本身的性質(zhì)引起的。渡槽、倒虹吸、箱涵這三類大型河渠交叉建筑物采用的均有混凝土材料，而由混凝土材料本身的性質(zhì)可知，不能避免裂縫的出現(xiàn)。在交叉建筑物中，裂縫出現(xiàn)的位置不同對建筑物帶來的影響不同。基礎(chǔ)失穩(wěn)由工程地質(zhì)導(dǎo)致的不均勻沉降以及地基局部上抬引起的，取決于工程所在的水文條件。滲漏水由止水失效、材料老化引起。這四種失效模式存在關(guān)聯(lián)性，在進(jìn)行運(yùn)行管理的時(shí)候需從這四個(gè)方面同時(shí)預(yù)防，考慮四種模式之間的相關(guān)關(guān)系。

綜上，引起河渠交叉建筑物失效的主要因子是不可抗力(特大暴雨、洪水、地質(zhì)災(zāi)害)、低溫凍融和人為因素。

2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建河渠交叉建筑物的風(fēng)險(xiǎn)評估模型

2.1 選擇網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變量

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評估模型選取南水北調(diào)三個(gè)主要大型河渠交叉建筑物——渡槽、倒虹吸、箱涵。通過對三大主要河渠交叉建筑物的失效模式的分析，初步確定的節(jié)點(diǎn)變量分別是整體性破壞、結(jié)構(gòu)裂縫、基礎(chǔ)失穩(wěn)、滲漏水、不可抗力、低溫凍融、人為因素。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定

下面根據(jù)已經(jīng)確定的所選變量之間的相關(guān)關(guān)系確定一個(gè)相對統(tǒng)一的大型河渠交叉建筑物貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)失效模型。通過對三大大型河渠交叉建筑物的失效機(jī)理分析，選擇不可抗力、低溫凍融、人為因素作為影響三大主要河渠交叉建筑物失效的父節(jié)點(diǎn)。如在建筑施工過程中，出現(xiàn)高溫季節(jié)混凝土澆筑完成后，未及時(shí)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)和遮陽保護(hù)以及在低溫季節(jié)完成，混凝土澆筑后未及時(shí)進(jìn)行覆蓋保護(hù)或者過早的去掉了保溫層；在建筑完工時(shí)，施工縫面處理的不合格等人為因素將會使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。不可抗力主要指的是特大暴雨洪水以及地質(zhì)災(zāi)害，不可抗力直接影響的因素一般包括整體性破壞、基礎(chǔ)失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)裂縫等。低溫凍融直接影響因素是結(jié)構(gòu)裂縫、基礎(chǔ)失穩(wěn)等，人為因素直接影響因素是整體性破壞、結(jié)構(gòu)裂縫、基礎(chǔ)失穩(wěn)、滲漏水等。根據(jù)以上分析，可以得到相對統(tǒng)一的大型河渠交叉建筑物貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)失效模型，見圖1。

圖1 河渠交叉建筑物失效風(fēng)險(xiǎn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的推理求解理論

在確定完河渠交叉建筑物失效風(fēng)險(xiǎn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法或?qū)＜抑R獲取各根節(jié)點(diǎn)以及非根節(jié)點(diǎn)的條件概率。然后，在確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及各網(wǎng)絡(luò)參數(shù)后，結(jié)合樣本數(shù)據(jù)集，計(jì)算根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率和中間節(jié)點(diǎn)的條件概率。當(dāng)獲得更多新數(shù)據(jù)的情況下，進(jìn)一步完善更新貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證該貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的可信度，同時(shí)這也是從先驗(yàn)概率分布到后驗(yàn)概率聯(lián)合的過程。

3 案例分析

3.1 工程概況

南水北調(diào)中線一期工程總干渠沙河南至黃河南段潮河段設(shè)計(jì)單元工程位于河南省新鄭市和中牟縣境內(nèi)，擔(dān)負(fù)著向新鄭市、鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)及其下游地區(qū)的輸供水任務(wù)。

潮河段設(shè)計(jì)單元工程全長45.847km，工程沿線共布置各類建筑物80座，其中河渠交叉建筑物有5座(黃水河倒虹吸、梅河倒虹吸、丈八溝倒虹吸、老張莊溝河渡槽、大碾盧溝河渡槽)。

3.2 潮河段貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評估模型建立

3.2.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評估模型的基本假設(shè)

不考慮潮河段相同類型的河渠交叉建筑物的極特性問題；不考慮失效模式之間的相關(guān)性；各風(fēng)險(xiǎn)因子相互獨(dú)立。

3.2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評估模型的構(gòu)建

潮河段主要有兩個(gè)主要大型河渠交叉建筑物，渡槽和倒虹吸，屬于本文構(gòu)建相對統(tǒng)一的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評估模型的三大主要河渠交叉建筑物之二，故采用構(gòu)建的統(tǒng)一的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評估模型。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)概率的確定

根據(jù)查閱相關(guān)資料以及相關(guān)專家的評估，后利用統(tǒng)計(jì)方法預(yù)估出以上節(jié)點(diǎn)在各種情況下出現(xiàn)的頻率(僅考慮最有可能引起的破壞)，如表1所示，其中不可抗力(UF)、整體性破壞(OD)、結(jié)構(gòu)裂縫(SC)、基礎(chǔ)失穩(wěn)(FI)、低溫凍融(LTFT)、人為因素(HF)、滲漏水(LW)。

表1 風(fēng)險(xiǎn)因子與建筑物

后由根據(jù)相關(guān)資料同時(shí)又請教相關(guān)專家，用統(tǒng)計(jì)方法推出各風(fēng)險(xiǎn)因子可能發(fā)生的概率，不可抗力(0.6%)，低溫凍融(2.5%)，人為因素(4.5%)。

4 目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)概率的計(jì)算

4.1 風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算

根據(jù)河渠交叉建筑物的失效模式在不同風(fēng)險(xiǎn)因子下出現(xiàn)的先驗(yàn)概率的分布，以及河渠交叉建筑物的失效模式在相同風(fēng)險(xiǎn)因子作用下的組合概率分布，通過下列公式1求得河渠交叉建物失效風(fēng)險(xiǎn)的條件概率。以O(shè)D為例：

P(X)=P(OD|UF|HF)=

式(1)

由圖1潮河段河渠交叉建筑物風(fēng)險(xiǎn)失效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)知引起OD的風(fēng)險(xiǎn)因子主要為UF、HF。又由表1知P(OD|UF)=0.285、P(OD|HF)=0.224，表三知P(UF)=0.006、P(HF)=0.045。則由式(1)可求得P((X|1)=P(OD|UF|HF)=0.019。同理可求得其他失效模式在相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因子下發(fā)生的概率為OD(0.019)，SC(0.057)，F(xiàn)I(0.27)，LW(0.050)。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)因子后果評價(jià)

據(jù)計(jì)算出的失效模式的風(fēng)險(xiǎn)概率以及失效模式與風(fēng)險(xiǎn)因子的相關(guān)關(guān)系，給出風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)因子的評價(jià)指數(shù)：

UF所引起的OD、SC、FI等失效模式的評價(jià)指數(shù)為1.5；LTFT所引起的SC、FI等失效模式的評價(jià)指數(shù)為1；HF所引起的OD、SC、FI、UF等失效模式的評價(jià)指數(shù)為2.5。因此，在南水北調(diào)中線工程運(yùn)行過程中，相關(guān)管理人員的管理是關(guān)鍵。

4.3 運(yùn)行管理建議

通過上述風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算以及風(fēng)險(xiǎn)因子后果評價(jià)，咨詢專家意見后，最終給出以下建議：加強(qiáng)對已經(jīng)運(yùn)行的建筑物的運(yùn)行管理；正在施工過程中嚴(yán)格按照規(guī)范或設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工；相關(guān)部門應(yīng)提前制定應(yīng)急預(yù)案和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施。

5 結(jié) 語

本文通過引入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)建了相對統(tǒng)一的南水北調(diào)中線河渠交叉建筑物的風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算模型，同時(shí)給出河渠交叉建筑物系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子出現(xiàn)的評判依據(jù)，為南水北調(diào)中線河渠交叉建筑物的風(fēng)險(xiǎn)管理提供了依據(jù)。此外，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參數(shù)的確定，這將直接關(guān)系到結(jié)果的可信程度。