何金平，曹旭梅，李紹文，陳克振

(1. 武漢大學水利水電學院，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、資源調配的重要基礎設施。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、耐久性和適應性方面，分別設置若干評估指標，并依據(jù)現(xiàn)場調查和工程檢測成果，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、結構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)狀調查、現(xiàn)場安全檢測、工程復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)測資料是對水閘結構性態(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)控提供基礎條件和技術支持。

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)測項目的具體設置和水閘的破壞機理，結合不同水閘的具體特點，建立水閘健康診斷指標體系，構建診斷指標集U；根據(jù)水閘健康診斷的特點，在相應規(guī)程規(guī)范的基礎上，確定水閘健康狀態(tài)等級的劃分，構建診斷評語集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)測效應量對應于健康狀態(tài)等級的屬性矩陣C；根據(jù)多效應量的屬性矩陣，利用現(xiàn)代數(shù)學、信息科學或系統(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融合轉化為表征水閘健康狀態(tài)的診斷結果B。水閘健康診斷基本原理可概化為式(1)：

B=W·C

(1)

式中：B為水閘健康診斷結果，它實質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，診斷指標體系的構建和健康狀態(tài)等級的劃分是兩項基礎性工作。通過構建多層次的診斷指標體系，可以將復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 指標體系的構建

在構建水閘健康診斷指標體系時，應緊密結合水閘安全監(jiān)測布置和破壞機理，遵循科學性、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)《水閘設計規(guī)范(SL 265—2016)》的規(guī)定，結合對國內部分大型水閘安全監(jiān)測的調研，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構和地基性態(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構變形協(xié)調性的重要指標。

(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(水力學監(jiān)測)主要反映水閘的消能防沖效果。

(3)應力監(jiān)測。應力監(jiān)測包括地基應力和結構應力等，如反映地基承載力狀態(tài)的地基反力監(jiān)測，反映閘基應力分布的不均勻應力監(jiān)測，反映混凝土結構受力狀態(tài)的混凝土應力監(jiān)測，反映側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，這種地基條件給結構穩(wěn)定性和滲透穩(wěn)定性帶來較大困難；二是水閘結構主要為薄壁構件組成的空間結構體系，構件受力較為復雜，結構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，將導致閘室傾斜、結構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，將產生管涌、流土等滲透破壞，并導致閘基揚壓力增加，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)結構老化病害。老化病害對薄壁混凝土結構的影響遠大于大體積混凝土結構，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_裂將破壞結構的整體性和穩(wěn)定性以及構件的承載能力，鋼筋銹蝕將降低水閘混凝土的結構強度，沖磨空蝕將對混凝土面產生明顯破壞。

(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，將在下游產生折沖水流、波狀水躍、遠驅水躍等不良流態(tài)，造成下游河道及兩岸的嚴重沖刷和消能防沖結構的嚴重破壞。

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，這是結構上的多層次；監(jiān)測項目一般分為變形、滲流和應力三大類，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)遞階分析層次結構，上、下層之間具有關聯(lián)隸屬關系，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，綜合考慮了水閘破壞機理、水閘設計規(guī)范、水閘安全監(jiān)測工程實踐等多方面因素。不過需要特別強調的是，水閘健康診斷是一個內涵豐富、過程復雜的問題，不同水閘的結構特點和地質條件不同，安全監(jiān)測布置及側重點也不盡相同，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上，結合具體工程實際情況，對指標體系進行適當調整。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)學來描述。其基本思路為：依據(jù)相關規(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]范圍內隸屬度的分區(qū)映射關系，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]范圍內隸屬度的分區(qū)映射關系時，既要考慮水閘健康概念的客觀內涵，也要考慮人類思維活動方式的主觀屬性。在客觀內涵上，從偏重于工程安全的角度，對“正?！钡燃墝碾`屬度區(qū)間應從嚴，對“失?！钡燃墝碾`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?！迸c“異常/失常”的分界點，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，采用鋼筋混凝土結構，兩孔連成整體，為一閘段。正常蓄水位10.50 m，設計洪水位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、淤泥或淤泥質土、淤質粉細砂、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，結合東溪水閘安全監(jiān)測布置的具體情況，構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)測設施，因此，在水閘結構的層次性上，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)診斷目標下設置變形U1、滲流U2和應力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和應力U3下各設置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，并結合專家知識和工程經(jīng)驗，在[0,1]數(shù)值范圍內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的權重，μ(Uj)為診斷目標的診斷結果。

由于滲流U2和應力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，因此應賦予U11較大的權重；水閘一般建在軟基上，不均勻沉降U13對水閘整體穩(wěn)定性和構件安全性影響較大，因此也應賦予較大的權重；垂直位移U12雖然也很重要，但垂直位移U12與不均勻沉降U13之間存在一定關聯(lián)性，在U13已賦予較大權重的前提下，U12可賦予相對較小的權重；接縫開合度U14反映了不同結構部位之間的運行協(xié)調性，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，應賦予滲流U2較大的權重；同時，過大變形導致水閘失穩(wěn)或結構破壞也是病險水閘的主要病害表現(xiàn)形式，因此，對變形U1也應賦予較大的權重?；谝陨戏治?，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、應力U3的權重分別為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重[11]，甚至賦予“一票否決”的權限。

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；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生明顯影響；閘基揚壓力、地基承載力和應力不均勻系數(shù)均在設計允許范圍內；東溪水閘實測性態(tài)基本正常。本文的健康診斷結論與上述監(jiān)測資料分析結論一致。

3 結 語

(1)以水閘安全監(jiān)測為核心，結合水閘的破壞機理，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，設計了相應的評語集。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)控提供基礎條件和技術支持。

(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合具體水閘的結構特點和監(jiān)測布置情況進行適當?shù)恼{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)測設施的診斷指標，應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、多指標的復雜問題，本文主要目的在于構建一個基本框架體系。而其他技術問題，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。