郭政宇 袁 源 陳 寧 郭治君 尹傳森

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450046)

前言

南水北調(diào)工程是一項宏偉的社會民生工程、經(jīng)濟工程、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險，這些關(guān)鍵性建筑物的運行風險識別、風險評估和風險管理對于南水北調(diào)中線工程的安全運行極其重要。

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、人為因素等導致渠道滑坡、失穩(wěn)、坍塌等事故時有發(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，是需要運行管理和風險防范的重點內(nèi)容。國內(nèi)外不少學者對南水北調(diào)中線工程進行了風險分析評價，但是大部分主要集中于擋水建筑物以及整治建筑物。少部分學者也針對工程相對薄弱的河渠交叉建筑進行了風險分析評價，但是缺乏對具體設(shè)計單元的分析且并未針對具體的問題提出相關(guān)的風險管理方法?？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)計單元的風險分析識別、風險管理機制不足，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)計單元進行分析。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)為不定性因果關(guān)聯(lián)模型，相比于其他綜合風險分析方法，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點變量之間的因果關(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、不確定的信息下進行推理，同時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)合具體的進行分析，給予結(jié)論和運行管理意見。

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行失效模式分析，并總結(jié)出共同點，構(gòu)建出相對統(tǒng)一的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)失效模型[1](注：該貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為適應(yīng)各設(shè)計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?；A(chǔ)失穩(wěn)由工程地質(zhì)導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，在進行運行管理的時候需從這四個方面同時預防，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險評估模型

2.1 選擇網(wǎng)絡(luò)節(jié)點變量

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風險評估模型選取南水北調(diào)三個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)拓撲結(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)系確定一個相對統(tǒng)一的大型河渠交叉建筑物貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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。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，未及時進行灑水養(yǎng)護和遮陽保護以及在低溫季節(jié)完成，混凝土澆筑后未及時進行覆蓋保護或者過早的去掉了保溫層；在建筑完工時，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)拓撲結(jié)構(gòu)失效模型，見圖1。

圖1 河渠交叉建筑物失效風險的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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險的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，通過概率論和數(shù)理統(tǒng)計方法或?qū)＜抑R獲取各根節(jié)點以及非根節(jié)點的條件概率。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，計算根節(jié)點的先驗概率和中間節(jié)點的條件概率。當獲得更多新數(shù)據(jù)的情況下，進一步完善更新貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，保證該貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的可信度，同時這也是從先驗概率分布到后驗概率聯(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)計單元工程位于河南省新鄭市和中牟縣境內(nèi)，擔負著向新鄭市、鄭州航空港經(jīng)濟綜合實驗區(qū)及其下游地區(qū)的輸供水任務(wù)。

潮河段設(shè)計單元工程全長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)風險評估模型建立

3.2.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風險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；各風險因子相互獨立。

3.2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風險評估模型的構(gòu)建

潮河段主要有兩個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)風險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)風險評估模型。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點概率的確定

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)計方法預估出以上節(jié)點在各種情況下出現(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 風險因子與建筑物

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

4 目標風險概率的計算

4.1 風險概率計算

根據(jù)河渠交叉建筑物的失效模式在不同風險因子下出現(xiàn)的先驗概率的分布，以及河渠交叉建筑物的失效模式在相同風險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險的條件概率。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險失效網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)知引起OD的風險因子主要為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)風險因子下發(fā)生的概率為OD(0.019)，SC(0.057)，F(xiàn)I(0.27)，LW(0.050)。

4.2 風險因子后果評價

據(jù)計算出的失效模式的風險概率以及失效模式與風險因子的相關(guān)關(guān)系，給出風險相關(guān)因子的評價指數(shù)：

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

4.3 運行管理建議

通過上述風險概率計算以及風險因子后果評價，咨詢專家意見后，最終給出以下建議：加強對已經(jīng)運行的建筑物的運行管理；正在施工過程中嚴格按照規(guī)范或設(shè)計要求進行施工；相關(guān)部門應(yīng)提前制定應(yīng)急預案和風險規(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險概率計算模型，同時給出河渠交叉建筑物系統(tǒng)風險因子出現(xiàn)的評判依據(jù)，為南水北調(diào)中線河渠交叉建筑物的風險管理提供了依據(jù)。此外，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行風險分析的關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點參數(shù)的確定，這將直接關(guān)系到結(jié)果的可信程度。