引水工程安全保障體系研究

沈若寰

（甘肅省水務(wù)投資集團有限公司，蘭州 730050）

1 引言

引水工程是線狀構(gòu)造物，長度可達數(shù)十千米，會穿越河流、公路、鐵路等構(gòu)筑物。同時，引水工程的各建筑物之間不完全獨立，也不完全相關(guān)。單個建筑物的失效對整個引水工程系統(tǒng)的影響并不完全相同；單個建筑物安全性高，整個引水工程系統(tǒng)的安全性不一定高。如何實時監(jiān)控引水工程的工作狀態(tài)，并做出正確評價，是保障引水工程安全供水的關(guān)鍵工作[1]。因此，進一步研究引水工程的安全保障體系具有重要的工程意義。

2 引水工程的特點及安全評價流程

2.1 引水工程安全評價特點

大量工程實踐表明，引水工程安全評價一般以其監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)（滲壓、滲流量、變形、裂縫、應(yīng)力、內(nèi)外水壓力等），整合運行管理因素（輸水建筑物與輸水設(shè)施的日常巡查、維護管理等）、環(huán)境因素（水文、水質(zhì)等）等構(gòu)建一個多層次綜合評價體系，既有很強的水利行業(yè)特征，又融入了先進的工程管理理念[2]。

2.1.1 評價內(nèi)容豐富

引水工程由河道、隧洞、管道、倒虹吸管、水閘、泵等建筑物串聯(lián)而成，每個建筑物又可劃分為若干個分部分項工程，評價內(nèi)容較多。為了準確評價引水工程的安全性，需要對每個建筑物建立相應(yīng)的評價指標，由不同層次的評價指標構(gòu)成綜合評價體系。

2.1.2 定量指標較難量化

引水工程安全評價體系是一個定量和定性相結(jié)合的復雜系統(tǒng)，產(chǎn)生安全隱患可能是因為建筑物正常損耗、外力損壞或人為操作失誤。在評價期間，大多數(shù)指標難以定量計算，比如，缺油量多少會影響閘門鋼絲繩的安全性，不能簡單地以數(shù)據(jù)公式定量計算。此外，同一個建筑物的評價因素較多，如何選擇一個綜合性定量指標來評價其安全性也是技術(shù)人員需解決的重要問題。

2.1.3 數(shù)據(jù)共享性強

引水工程安全評價體系的研究對象并不是只針對某個建筑物，而是涉及水文、水質(zhì)、災情、險情、輸水調(diào)度等各類數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)之間存在直接或間接的聯(lián)系。根據(jù)相關(guān)研究成果，在建立引水工程安全評價體系時要統(tǒng)一數(shù)據(jù)類型或存儲格式，建立數(shù)據(jù)中心，以便于不同專業(yè)技術(shù)人員之間的溝通交流。

2.2 引水工程安全評價流程

引水工程安全評價過程中首先要遵循國家、地方和部門的有關(guān)政策及法規(guī)，并堅持“以人為本、實事求是”的基本原則。引水工程的安全評價流程如下：引水工程系統(tǒng)分析→單個建筑物安全評價→輸水安全總體評價。

3 引水工程安全評價指標體系構(gòu)建

3.1 評價指標選擇原則

為了科學建立引水工程安全評價體系，本文提出以下原則[3]。

1）代表性。引水建筑物安全性影響因素較多，不可能對每一個影響因素都進行評價。選擇評價指標時，要“抓住主要矛盾、忽略次要矛盾”，盡量選擇代表性強的評價指標。對于非關(guān)鍵因素，可不選擇，以簡化引水工程的安全性評價過程。

2）相關(guān)性。引水工程的安全性評價指標之間要有一定的聯(lián)系，以確保評價體系能形成一個有機整體。

3）層次性。引水工程安全評價體系涵蓋內(nèi)容廣，選擇評價指標時，要將整體分解為若干個層次，由表及里、由粗到細地全面評價引水建筑物安全性。同時，也便于發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

3.2 評價指標確定方法

引水工程安全性評價指標確定常用專家咨詢法。本文基于“李克特五級量表”制作了引水工程安全性評價指標調(diào)查問卷，向引水工程的設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位、業(yè)主單位、高等院校等專家發(fā)放200 份調(diào)查問卷，以獲取引水工程安全性評價指標[4]。

3.3 安全監(jiān)測指標及巡查內(nèi)容

3.3.1 水庫大壩

水庫是引水工程中的重要設(shè)施，且修建的水庫水壩大部分是土石壩。水庫蓄水后，水流會沿著土石壩的壩身、壩基等位置的孔隙向下滲流。土石壩在動水壓力作用下，容易出現(xiàn)滲漏、裂縫、滑坡等病害。為了保證水庫大壩的安全，建議以變形、壩基揚壓力、滲流量、應(yīng)力等參數(shù)作為監(jiān)測指標，其中，變形量能綜合反映水庫大壩的整體穩(wěn)定性，是壩體最重要的監(jiān)測量；壩基揚壓力與壩體失穩(wěn)、帷幕衰減密切相關(guān)，既是施加于壩基的荷載，又可以反映壩基滲透性能；滲流量會影響水庫大壩的穩(wěn)定、耐久性，應(yīng)力會影響水庫大壩的強度、穩(wěn)定性。

水庫大壩的同一監(jiān)測量要布置多個監(jiān)測點，在選擇測點時可參考以下方法：（1）在不同類型的壩段分別取代表性的測點；（2）同一類型壩段中宜選高度大、地質(zhì)條件復雜的測點；（3）宜選測值變化大的測點作為代表性測點。

3.3.2 水閘

水閘是引水工程中的流量調(diào)節(jié)設(shè)施，主要用于控制上、下游水位，排除泥沙或漂浮物等。對于重要性高的水閘，通常要設(shè)置自動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測項目有閘室水平位移、閘室豎向位移、底板揚壓力、繞閘滲流等。同時，要結(jié)合水閘設(shè)計及管理方面的規(guī)范和標準，加強水閘的日常巡查，具體巡查內(nèi)容見表1[5]。

3.3.3 泵站

泵站在引水工程中主要發(fā)揮提水、供水、防洪、排澇等功能，由水工建筑物和機電設(shè)備兩部分組成，其中水工建筑物包括取水口、引水渠、進水池、泵房等；機電設(shè)備包括水力或動力機械設(shè)備、一次設(shè)備、二次設(shè)備、直流設(shè)備等。

大量工程實踐表明，泵站病害現(xiàn)象復雜，安全影響因素多，越來越多的項目開始應(yīng)用計算機自動監(jiān)控系統(tǒng)來監(jiān)測泵站的安全性，常用的監(jiān)測指標有泵站建筑物變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、機組結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變和振動監(jiān)測等。

3.3.4 河道

引水工程中的河道較長，一般不安裝監(jiān)測儀器，而是通過巡視檢查來保證其安全性，主要巡查內(nèi)容見表2[6]。

表2 河道安全巡查內(nèi)容

在開展安全性評價時，要將河道劃分為若干個評價單元，并按順序編號。結(jié)合相關(guān)研究成果，本文建議將河道斷面特征相同的堤段作為一個評價單元。

4 引水工程安全評價指標權(quán)重和評價等級

4.1 評價指標權(quán)重計算

本文利用層次分析法（AHP）來確定引水工程各個安全性評價指標的權(quán)重，其基本步驟如下：（1）建立層次結(jié)構(gòu)。將引水工程安全性的影響因素劃分成目標層、準則層、指標層和方案層。某一層次的元素會對下一層次的元素起到控制作用，但也受到上一層次元素的約束。（2）構(gòu)建同層指標的判斷矩陣。構(gòu)建判斷哪矩陣的目標是確定兩個評價指標的相對重要性，常用1～9 標度法，標度1、標度3、標度5、標度7、標度9 分別表示兩個指標同等重要、前者比后者稍微重要、前者比后者明顯重要、前者比后者強烈重要、前者比后者極端重要。（3）判斷矩陣的一致性檢驗。判斷矩陣構(gòu)建結(jié)束后，要計算其特征向量和最大特征值，開展一致性檢驗。一致性指標CI 值越小，判斷矩陣的一致性越好，計算見式（1）：

式中，λmax為最大特征值；n 為矩陣階數(shù)。

4.2 引水工程安全性等級

確定引水工程各層次評價指標的權(quán)重后，可采用綜合評分法對引水工程的總體安全性進行評價。引水工程的評分值P 可按式（2）計算：

式中，Pi為第i 個評價指標評分；wi為第i 個評價指標權(quán)重。

評價分數(shù)越高，表明引水工程的安全性越高。根據(jù)評分結(jié)果，建議將引水工程安全性劃分為Ⅰ（正常）、Ⅱ（病變）、Ⅲ（險情）3 個等級，對應(yīng)的評分區(qū)間分別為80≤P＜100、60≤P＜80、P＜60。其中，正常狀態(tài)是指引水工程各項功能滿足設(shè)計要求，無明顯缺陷；病變狀態(tài)是指引水工程的某項功能不滿足設(shè)計要求或主要監(jiān)測參數(shù)異常，影響工程正常使用；險情狀態(tài)是指引水工程存在較大的安全隱患，如不及時采取措施，可能產(chǎn)生嚴重的安全事故。

4.3 實例分析

研究對象為某長距離引水工程，其輸水方式：河水經(jīng)隧洞、河道到水庫，經(jīng)暗渠到泵站，開啟自流道輸水。按上文方法對該引水工程中的水庫大壩、水閘、泵站、河道等建筑物進行評價，其權(quán)重和評分結(jié)果如圖1 所示。

圖1 某引水工程安全評價結(jié)果

由圖1 可知，不同建筑物的權(quán)重大小關(guān)系為：河道＞水庫大壩＞水閘＞泵站。將權(quán)重和評分數(shù)值代入式（2）可得該引水工程的綜合評分P=90×0.3+85×0.2+80×0.15+75×0.35=82.25 分，屬于正常狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文研究了引水工程的安全評價特點、評價流程及安全評價體系，主要得到了以下幾個結(jié)論：

1）引水工程安全評價是基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，并整合了運行管理因素和環(huán)境因素，具有評價內(nèi)容豐富、定量指標較難量化、數(shù)據(jù)共享性強等特點；

2）引水工程安全評價指標選擇要基于代表性、相關(guān)性、層次性原則，重點關(guān)注水庫大壩、水閘、泵站、河道等建筑物；

3）引水工程安全評價指標權(quán)重確定可采用層次分析法，同時可將其安全性劃分為Ⅰ（正常）、Ⅱ（病變）、Ⅲ（險情）3 個等級。