水閘工程安全風(fēng)險綜合評價方法研究

陳江云，錢 寬，彭新勝，陳 鐘

（江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100）

水閘工程是作為擋水、泄水或取水的水工建筑物，滿足灌溉、發(fā)電、航運、水產(chǎn)、環(huán)保、工業(yè)和生活用水等需要，在水利工程中應(yīng)用廣泛[1]?，F(xiàn)今雖然水閘種類多、分布廣，但也存在地理偏僻、建閘時間長、人員管理水平不足、巡查方式較簡單等問題，水閘工程存在風(fēng)險不利于其日常管理，需要水閘管理人員根據(jù)工程現(xiàn)場進行風(fēng)險研判，針對可能發(fā)生的事故隱患，提出有效的管控措施。現(xiàn)階段，水閘安全風(fēng)險評價方法只停留在單個危險源評價，隨著時間或環(huán)境等不斷改變，部分風(fēng)險因素也在改變，單個危險源評價不能動態(tài)地分析出整個工程安全風(fēng)險狀況，應(yīng)引進有效的方法對工程進行安全風(fēng)險綜合評價。

安全風(fēng)險綜合評價被應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，水利工程安全風(fēng)險綜合評估方法較少。陳昌仁等[2]對洪澤湖生態(tài)風(fēng)險采用AHP 法進行綜合評價，并提出生態(tài)風(fēng)險綜合評價方法；王偉等[3]對安全標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作采用AHP 法進行動態(tài)評價；金遠征等[4]提出利用專家權(quán)重改進LEC 法，解決了主觀性較強、風(fēng)險容忍度考慮不充分的問題；舒持愷等[5]采用AHP 法建立湖泊健康評價物元分析模型，加入組合賦權(quán)解決了主觀賦權(quán)中取值單一、主觀性強的問題。本文利用AHP 賦權(quán)的方法，建立水閘層次分析模型，采用專家權(quán)重對各風(fēng)險因素進行賦權(quán)，研究水閘綜合風(fēng)險值和存在較大的風(fēng)險因素，并提出針對性的措施，對水閘工程風(fēng)險管控進行有效分析。

1 工程概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 工程概況

三河閘位于江蘇省淮安市洪澤區(qū)境內(nèi)、洪澤湖的東南角，是淮河下游入江水道的控制口門、淮河流域性骨干工程，是新中國成立初期我國自行設(shè)計自行施工的大型水閘之一。三河閘閘身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共63 孔，每孔凈寬10 m，總寬697.75 m；閘門為鋼結(jié)構(gòu)弧形門，左右岸空箱內(nèi)分別設(shè)有水電站1座。三河閘按洪澤湖水位16 m設(shè)計、17 m校核，原設(shè)計流量為8000 m3/s，加固后設(shè)計行洪能力提高到12000 m3/s。三河閘設(shè)計抗震烈度8 度，屬大（1）型水閘。截至2021年底，三河閘累計安全泄洪1.29×1012m3，為保證里下河地區(qū)3000×104hm2農(nóng)田和2600 多萬人民生命財產(chǎn)的安全作出了卓越貢獻。三河閘位置示意，如圖1所示。

圖1 三河閘位置示意

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文主要以《水閘安全評價導(dǎo)則》（SL 214—2015）和《水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)水利水電工程（水庫、水閘）運行危險源辨識與風(fēng)險評價導(dǎo)則（試行）的通知》（辦監(jiān)督函〔2019〕1486 號）等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，風(fēng)險和隱患相關(guān)數(shù)據(jù)來源于2020 和2021年的三河閘安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)資料以及相關(guān)工程數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 安全風(fēng)險評估模型建立

研究三河閘工程綜合風(fēng)險評價，采用AHP 法，這是一種半定量半定性分析的決策方法[6]。本文研究步驟為：①專家組根據(jù)《水閘工程安全評價導(dǎo)則》（SL 214—2015）建立三河閘層次結(jié)構(gòu)模型；②結(jié)合三河閘近2 a 的風(fēng)險評價數(shù)據(jù)，分析出主要風(fēng)險因素，輔助決策層次結(jié)構(gòu)模型建立。本文建立的模型層次主要分為目標(biāo)層（A）、評價層（B）、因素層（C），目標(biāo)層為三河閘工程綜合風(fēng)險評價指標(biāo)（A），評價層為工程質(zhì)量（B1）、運行管理（B2）、防洪安全（B3）、滲漏安全（B4）和結(jié)構(gòu)安全（B5），而因素層是將評價層指標(biāo)進一步分解的指標(biāo)，如維養(yǎng)管理（C23）、機電設(shè)備可靠性（C54）等。三河閘工程綜合風(fēng)險評價模型，如圖2所示，圖中i、j為大于2的整數(shù)。

圖2 三河閘工程綜合風(fēng)險評價模型

2.2 層次分析賦權(quán)法改進

三河閘工程綜合風(fēng)險評價體系中，各個風(fēng)險指標(biāo)的重要程度是不同的，各風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重決定綜合風(fēng)險評價的準(zhǔn)確性和合理性。本文針對層次分析法存在的主觀性較強的問題，加入專家權(quán)重[7]，對各個風(fēng)險指標(biāo)進行賦權(quán)，得出最終值，以改進層次分析法的缺點。

2.2.1 專家權(quán)重確定

在江蘇省洪澤湖水利工程管理處（三河閘上級管理單位）范圍內(nèi)，分3個層級（分管負責(zé)人、部門負責(zé)人、運行管理人員）選取專家，主要從專家的從事專業(yè)年限、專業(yè)技術(shù)水平、從事安全生產(chǎn)工作經(jīng)驗、水閘工程管理工作技術(shù)水平4個方面綜合確定。專家分級標(biāo)準(zhǔn)，詳見表1。一級、二級、三級專家的可信度μ分別為1.0、0.8、0.6。

表1 專家分級標(biāo)準(zhǔn)

某專家根據(jù)專家分級標(biāo)準(zhǔn)確定其可信度μi，專家組綜合可信度αn按式（1）計算：

式中：W為相關(guān)函數(shù)，與可信度μi有關(guān)，當(dāng)αn越接近1，專家組可信度越高，權(quán)威度越大。

專家組權(quán)重ψi按式（2）計算：

式中：ψi為專家組權(quán)重；μi為專家可信度。

則權(quán)向量σ=［ψ1，ψ2，…，ψn］，其中n為專家總數(shù)。

2.2.2 判斷矩陣構(gòu)建和檢驗

（1）構(gòu)造判斷矩陣。層次分析法需構(gòu)建判斷矩陣，其目的是對上一層次因素與下一層次與之相關(guān)的各因素之間的相對重要性進行表示，而各因素之間的相對重要性會隨著比較標(biāo)度和方法不同而改變。根據(jù)三河閘綜合風(fēng)險評價模型，評價層中B1，B2，…，Bi以目標(biāo)層Ak作為比較準(zhǔn)則，因素層Cij以評價層Bi對應(yīng)因素作為比較準(zhǔn)則，用ρij來表示同一層次的第i、j個因素的相對權(quán)重，若ρij=1 則ρji=1/ρij，而同一層次兩因素相對重要度采用1～9標(biāo)度法[8]進行賦值。判斷矩陣標(biāo)度定義，詳見表2。

表2 判斷矩陣標(biāo)度定義

用1～9 標(biāo)度法將各因素之間的相對重要度進行量化表示，構(gòu)成判斷矩陣，見式（3）：

由判斷矩陣計算被比較元素的權(quán)重ρij，計算公式為：

式中：Li為判斷矩陣中同一行數(shù)的乘積。

式中：ρij為利用層析分析法所求的RI指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重。

（2）層次單排序及其一致性檢驗。引入一致性指標(biāo)CI和RI，計算檢驗系數(shù)CR，當(dāng)CR＜0.1時，一般認為此判斷矩陣通過一致性檢驗，否則需調(diào)整[9]，驗證公式為：

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根；(Lρ)i為向量Lρ的第i個元素。

式中：CI為一致性指標(biāo)。

式中：CR為計算檢驗系數(shù)；RI為平均隨機一致性指標(biāo)。

平均隨機一致性指標(biāo)RI取值，詳見表3。

表3 平均隨機一致性指標(biāo)RI

2.2.3 層次分析賦權(quán)

分別計算出各層次中相關(guān)因素權(quán)重ζmn，則專家m（m=i=1，2，…，n）的權(quán)重賦分為[ζm1，ξm2，…，ξmn]T（此向量為列向量），權(quán)向量σ按照式（2）計算，則修正后的層次權(quán)重取值按照下式計算：

式中：σ為權(quán)向量；ζmn為相關(guān)因素權(quán)重。

3 結(jié)果分析

3.1 安全風(fēng)險綜合評價

在三河閘工程管理單位3 個層級中，每個層級選取2 名專家，判斷各專家可信度分別為1、1、0.8、0.8、0.8、0.6，則這3 個層級的綜合可信度ψn分別為1、0.96、0.92，3 組專家可信度高，權(quán)威性較大，再根據(jù)式（2）計算出各專家的權(quán)重μi，則權(quán)向量為σ=[0.2，0.2，0.16，0.16，0.16，0.12]?；? 位專家構(gòu)建判斷矩陣，分別對判斷矩陣進行一致性檢驗，RI取值詳見表5，分別為1.12、1.12、0.58、0、0.58、1.12。經(jīng)計算，CR值均小于1，滿足一致性要求，計算過程采用MATLAB 軟件計算[10]，專家權(quán)重計算結(jié)果詳見表4—9。

表4 目標(biāo)層權(quán)重A

表5 因素層權(quán)重B1

表6 因素層權(quán)重B2

表7 因素層權(quán)重B3

表8 因素層權(quán)重B4

表9 因素層權(quán)重B5

經(jīng)過6 位專家的研究分析，三河閘工程綜合風(fēng)險評價模型評價層中運行安全B2權(quán)重最大為0.247，因素層中土工建筑物質(zhì)量C11、維養(yǎng)管理C23、設(shè)計水位C32、滲漏量C42、檢測設(shè)備有效性C55相對于評價層指標(biāo)B權(quán)重最高。因此，在工程安全管理上，應(yīng)將這5項指標(biāo)作為安全管理重點。

將各指標(biāo)的得分值轉(zhuǎn)化為百分制，則綜合風(fēng)險值采用下式計算：

式中：D為三河閘工程綜合風(fēng)險值；δ為評價項目得分。

根據(jù)近2 a 三河閘隱患資料和實際工程安全運行情況，將三河閘出現(xiàn)頻次較多隱患作為失效項目進行扣分，采用式（10）計算出安全風(fēng)險綜合評價得分為93.97分。

3.2 安全風(fēng)險綜合評價分級

根據(jù)《水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)水利水電工程（水庫、水閘）運行危險源辨識與風(fēng)險評價導(dǎo)則（試行）的通知》（辦監(jiān)督函〔2019〕1486 號）中安全風(fēng)險評價等級標(biāo)準(zhǔn)和三河閘工程實際情況，將水閘工程劃分為5個等級，即優(yōu)、良、一般、較差、差，具體情況詳見表10。

表10 綜合風(fēng)險等級劃分

由表10 可知，三河閘工程綜合風(fēng)險等級為優(yōu)，工程運行安全穩(wěn)定，安全風(fēng)險管控措施落實到位，隱患排查治理整改措施可靠。

4 建議

本文采用AHP 法對三河閘工程進行安全風(fēng)險綜合評價，根據(jù)綜合評價結(jié)果，三河閘工程安全風(fēng)險等級為優(yōu)，安全管理水平較好。針對三河閘工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全存在的安全風(fēng)險，提出以下2 點安全措施。

（1）建立安全風(fēng)險管控和隱患排查治理“雙預(yù)防”機制。為此，管理單位要做好三河閘危險源辨識和安全風(fēng)險評價工作，針對重大危險源及時管控，每季度對全工程進行1 次評價，動態(tài)掌握工程運行過程的風(fēng)險點。落實安全網(wǎng)格化巡查方式[11]，開展安全教育培訓(xùn)，加強安全管理人員查險查患能力，進一步升級三河閘信息化水平，保證檢測設(shè)施的有效性和機電設(shè)備的可靠性。

（2）提升防汛搶險能力。管理單位要編制重大危險源、重大隱患等預(yù)案，并報主管部門備案，做好防汛物資管理，配備搶險物資，強化預(yù)報預(yù)警工作，加強防汛搶險隊伍建設(shè)工作，提高人員除險水平，進一步規(guī)范防汛搶險和水文演練，切實做到“四預(yù)”，時刻關(guān)注“四情”，保證周邊地區(qū)居民安全。