曹利平

(安徽省阜陽市黑茨河閘管理所,安徽 阜陽 236000)

0 引 言

水閘是水利工程系統(tǒng)的重要組成部分,其穩(wěn)定性對于防洪、供水以及航運等多個領(lǐng)域至關(guān)重要。一旦水閘出現(xiàn)問題,不僅會影響整個工程系統(tǒng)的正常運行,還可能對周邊地區(qū)的穩(wěn)定和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。由于自然環(huán)境的變化以及材料的老化等因素,水閘可能會出現(xiàn)各種安全問題。因此,對于水閘的維護和管理尤為重要,需要采取有效措施,及時進(jìn)行檢修和維護,確保水閘的正常運行和安全[1-2]。

為此,將風(fēng)險決策分析理論與方法應(yīng)用于水閘除險加固施工技術(shù)中,通過科學(xué)的風(fēng)險評估和決策分析,保障施工安全有效。在該過程中,引入概率論、統(tǒng)計學(xué)等工具,對風(fēng)險因素進(jìn)行量化分析,形成切實可行的施工技術(shù)[3-4]。研究的創(chuàng)新性在于將風(fēng)險決策分析理論融入水閘除險加固施工技術(shù),既能提升施工效率,又能增強施工安全性。同時,風(fēng)險因素的量化分析可為水閘運行管理維護提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果可為水利工程領(lǐng)域的風(fēng)險決策分析開拓新的應(yīng)用實例,推進(jìn)理論和實踐的發(fā)展。

1 基于風(fēng)險決策分析的水閘施工技術(shù)研究

1.1 研究區(qū)域概況

黑茨河,潁河支流,流經(jīng)河南太康、淮陽、鹿邑、鄲城、界首、太和及潁泉,全長185 km,流域面積2 994km2,分布在河南和安徽兩省。其中,河南境內(nèi)100km,流域面積1 738km2;安徽境內(nèi)85km,流域面積1 256km2[5-6]。流域地處豫皖平原,地勢自西北向東南傾斜,河源至省界地面坡降由1:5 000降為1:9 000,省界至茨河鋪由1:9 000降為1:18 000。阜陽市黑茨河水系連通工程位置圖見圖1。

圖1 阜陽市黑茨河水系連通工程位置圖

由圖1可知,黑茨河歷史上頻繁遭受洪澇災(zāi)害,開挖茨淮新河降低了災(zāi)害頻次,但災(zāi)害并未消除。特別是原墻閘以下的545km2區(qū)域,受回水影響嚴(yán)重。茨淮新河作為主要飲用水源地,供應(yīng)穩(wěn)定性不足,干旱期尤為明顯。2015年,黑茨河上游污水污染了茨淮新河水源地,導(dǎo)致阜陽城區(qū)用水緊張。為了改善該狀況,決定實施黑茨河活水工程,包括疏浚楊溝、許溝,新建楊溝站涵、許溝涵,以及新建黑茨河口節(jié)制閘。工程旨在實現(xiàn)黑茨河與沙潁河的連通,保障飲用水源,增強防洪能力,改善農(nóng)業(yè)灌溉和水生態(tài)環(huán)境。工程還將設(shè)置污染應(yīng)對措施,以確保茨淮新河飲用水源的安全。

黑茨河流域位于我國南北氣候過渡地帶,屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。降水量年內(nèi)分布不均,6-9月份降水量約占全年的60%,多年平均降水量為934.1mm,最大年降水量為最小值的4倍。多年平均蒸發(fā)量約1 614mm。多年平均氣溫15.3℃,日極端最高氣溫41.4℃,日極端最低氣溫-20.4℃。全年無霜期平均216天,凍土發(fā)生在11月份至次年3月份,全年凍土日天數(shù)約30～40天,最大凍土深度13cm。全年無明顯主風(fēng)向,平均風(fēng)速為3.0m/s[7-8]。

1.2 基于風(fēng)險分析的水閘除險工程模型構(gòu)建

考慮到研究區(qū)域內(nèi)水閘的重要性和復(fù)雜性,建立基于風(fēng)險分析的水閘除險工程模型尤為必要。該模型以水閘的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、運行可靠性和環(huán)境影響為評價指標(biāo),通過對水閘的破壞機理、風(fēng)險評估和風(fēng)險管理進(jìn)行深入研究,以期找出最優(yōu)的除險方案。模型的構(gòu)建主要包括風(fēng)險識別、風(fēng)險評估和風(fēng)險決策3個步驟。風(fēng)險識別是尋找可能導(dǎo)致水閘失效的因素;風(fēng)險評估是對這些因素的影響進(jìn)行定量或定性分析;風(fēng)險決策是在評估結(jié)果的基礎(chǔ)上,制定出最合適的風(fēng)險控制措施。

故障樹定性分析的目的是找出故障發(fā)生規(guī)律和特點,以便找出可行對策。其主要任務(wù)是計算故障樹的最小割集或最小徑集,最小割集定義為觸發(fā)頂層事件所需的基礎(chǔ)事件的最小集合。故障樹的定量分析旨在依據(jù)最小割集來推斷頂層事件的出現(xiàn)概率,同時也要解析其內(nèi)在的不確定性。此外,它還涉及底層事件或割集的重要性計算。該過程將揭示故障樹分析的核心,找出哪些基礎(chǔ)事件或割集的改變,能對頂層事件的發(fā)生概率造成最大影響。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),需要對故障樹和其最小割集進(jìn)行深度的定量分析,評估各個基礎(chǔ)事件和割集對頂層事件的貢獻(xiàn)度,以便為系統(tǒng)改進(jìn)提供準(zhǔn)確的定向指示。

底事件失效概率計算中,針對實測的一級中間層失效概率,公式如下:

(1)

式中:p(i,j,k)為底層事件所對應(yīng)的第二次中層事件和相應(yīng)的一次中間事件的失敗概率;(RI)為事件的失效值;αi為底事件的相對重要性系數(shù);n為中間事件所對應(yīng)的底事件個數(shù)[9-10]。

頂事件失效概率計算中,當(dāng)有n個相容事件時,積的概率計算公式如下:

f(x1,x2,…,xn)=f(x1)f(x2/x1)f(x3/x1·x2)…f(xn/x1x2…xn-1)

(2)

式中:f1<0.1,i=1,2,…,n,則相容事件近似獨立事件;f1<0.01,i=1,2,…,n,則相容事件近似相似事件。

基于風(fēng)險分析的水閘除險工程模型未來預(yù)估情景系列生成過程見圖2。

圖2 基于風(fēng)險分析的水閘除險工程模型未來預(yù)估情景系列生成過程

由圖2可知,通過實地測量水閘運行數(shù)據(jù),分析風(fēng)險變化趨勢,鑒別并替換不合適風(fēng)險數(shù)據(jù),生成最終風(fēng)險情境系列。其過程包括風(fēng)險識別、評估、決策及故障樹分析,有助于預(yù)測和管理水閘風(fēng)險,提出最優(yōu)除險方案。結(jié)構(gòu)變形采用閘室地基處理和裂縫處理,前者通過取出部分軟土、減輕局部應(yīng)力、增加基坑地基沉降糾偏;后者根據(jù)裂縫性質(zhì),灌漿或碳纖維布補強。地基滲漏處理主要通過減小水流滲流梯度,改善地基抗?jié)B坡降,將消力池后護底長8m、護坡10m砂石反濾層拆除翻修,翻修方案可采用水平反濾層,也可采用垂直反濾井。消能防沖設(shè)施破壞采用重新設(shè)計設(shè)施,軟土地基則采用灌注樁加固。通過采取上述措施,防范事故發(fā)生,確保安全生產(chǎn)。

1.3 基于風(fēng)險決策分析的水閘除險加固施工技術(shù)研究

在構(gòu)建基于風(fēng)險分析的水閘除險工程模型后,關(guān)注點轉(zhuǎn)向基于決策分析的水閘除險加固施工技術(shù)研究。這項研究基于風(fēng)險分析,目標(biāo)是優(yōu)化風(fēng)險管理決策。通過對現(xiàn)有施工技術(shù)進(jìn)行研究和新技術(shù)探索,結(jié)合風(fēng)險評估結(jié)果,為水閘除險加固方案的選擇提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

基于風(fēng)險評估,有針對性地采用先進(jìn)的施工材料,如土工合成材料。這種材料優(yōu)于傳統(tǒng)人造纖維,優(yōu)勢明顯,且在防水性、加固和保護等方面表現(xiàn)出色。通過判斷工程風(fēng)險,可以選擇在特定區(qū)域應(yīng)用土工膜,提高防水效果,同時優(yōu)化施工流程,降低人力物力投入,實現(xiàn)加固效果的最大化。這種以風(fēng)險決策分析為基礎(chǔ)的施工技術(shù),提高了水閘除險加固工程的經(jīng)濟效益和安全性。

風(fēng)險決策是從微觀角度對風(fēng)險進(jìn)行宏觀分析的過程,識別、估算和評價各種風(fēng)險處理方案可能帶來的風(fēng)險結(jié)果,并根據(jù)評價結(jié)果提出可行處理方案。根據(jù)規(guī)定要求,水閘工程的年度運行成本主要包含管理人員的工資和福利支出、水源成本、材料成本、燃料和動力成本、工程維護成本和管理費等。此外,運營管理維護也是重要的一環(huán)。對于已經(jīng)完成的水閘除險加固工程,需要對其進(jìn)行持續(xù)有效的運營管理和維護,以確保其安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟和持久的運行。未來預(yù)估情景系列生成過程,應(yīng)充分考慮運營管理維護的因素,如施工環(huán)境、設(shè)備運輸條件、工期、加固方案費用等,這些因素都是實現(xiàn)水閘除險加固工程長期穩(wěn)定運行,提高工程效益的重要保障。水閘維修加固狀態(tài)評估指標(biāo)體系見圖3。

圖3 水閘維修加固狀態(tài)評估指標(biāo)體系

由圖3可知,通過構(gòu)建基于風(fēng)險分析的水閘除險工程模型預(yù)估情景系列,將定性指標(biāo)分為5個等級,設(shè)定對應(yīng)評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)范圍。某些不恰當(dāng)?shù)妮d荷還可能導(dǎo)致水閘混凝土產(chǎn)生裂紋,如在混凝土結(jié)構(gòu)強度還未達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時,在拆除模具之前就進(jìn)行加載,此時對混凝土結(jié)構(gòu)非常不利,任何外力都可能導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂紋。不規(guī)范的施工方法也是導(dǎo)致混凝土開裂的一個重要因素。

針對可能發(fā)生的滲流破壞型式,通過研究現(xiàn)有施工技術(shù),并探索新的技術(shù)方法,如加強防滲處理、優(yōu)化閘基設(shè)計等,以降低可能的風(fēng)險。對于已經(jīng)完成的水閘除險加固工程,提出持續(xù)有效的運營管理和維護方案,包括定期對水閘進(jìn)行風(fēng)險評估和檢修,以保證其穩(wěn)定運行?？紤]到施工環(huán)境、設(shè)備運輸條件、工期、加固方案費用等因素,為水閘除險加固方案的選擇提供科學(xué)依據(jù)。在決策過程中,以決策者的目標(biāo)為依據(jù),根據(jù)不同自然狀態(tài)下不同方案的損益值,選擇最佳的項目管理方案。這些施工技術(shù)和管理措施都為實現(xiàn)水閘除險加固工程的長期穩(wěn)定運行,提高工程效益提供了重要保障。在不確定條件下,決策分析的目標(biāo)是作出最佳決策,體現(xiàn)了決策思維的基本特征,即分解、判斷、綜合,易于掌握,也易于應(yīng)用。

2 基于風(fēng)險決策分析的水閘除險加固施工技術(shù)實際效果分析

黑茨河流域作為本次研究的對象,對基于風(fēng)險決策分析的水閘除險加固施工技術(shù)實際效果進(jìn)行深入剖析。首先,通過直接查用淮北地區(qū)計算辦法成果,得到淮北地區(qū)三天設(shè)計暴雨成果。結(jié)合淮北地區(qū)最大三天點暴雨均值,以及《安徽省長短歷時年最大暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖》的成果,進(jìn)行暴雨成果對比分析。黑茨河流域最大一日面雨量頻率曲線圖,見圖4。

圖4 黑茨河流域最大一日面雨量頻率曲線圖

由圖4可知,黑茨河流域最大一日面雨量頻率曲線揭示了降水量的下降趨勢。當(dāng)頻率從0增至99.3%,降雨量從最高的650mm逐步降至130mm,表明大雨事件在該流域發(fā)生的頻率較低,小雨事件的頻率較高。降水量在頻率的中部下降趨勢平緩,表明中等雨量事件的頻率較穩(wěn)定。但在頻率兩極,降水量下降趨勢較明顯,特別是在高頻率區(qū),小雨事件的發(fā)生概率更大。

通過對新建中閘進(jìn)行風(fēng)險分析,并結(jié)合檢修、加固工程,對閘門維護、加固后的失效概率進(jìn)行計算,見圖5。

圖5 閘門維護和加固后的事故發(fā)生概率分析

由圖5可知,在水閘維修加固方案的選擇上,需要綜合考慮多個因素,包括安全性、適用性、耐久性以及施工的可行性、技術(shù)復(fù)雜性和環(huán)境等。分析結(jié)果表明,各因素的失效概率在0～0.16之間,表明這些因素對水閘維修加固后效果的影響。

鑒于此,研究提出幾種方案以降低風(fēng)險。其中,方案三修復(fù)水閘結(jié)構(gòu)的安全問題,同時拆除并重建交通橋,提升了整體質(zhì)量。盡管拆除重建的初期成本可能較高,但比起后期養(yǎng)護費用和運行時長,該方案更為經(jīng)濟高效。因此,研究建議參照方案三進(jìn)行水閘維修加固,以增強水閘的運行安全性和穩(wěn)定性。由于沙潁河10年一遇水位無法直接查得,因此利用阜陽閘下實測水位及流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,阜陽閘下實測水位及流量數(shù)據(jù)見表1。

表1 阜陽閘下實測水位及流量數(shù)據(jù)

表1為黑茨河口閘1985-2014年的水位和流量數(shù)據(jù)。其中,最高水位出現(xiàn)在2007和2010年,分別為31.43和31.47m;最大流量出現(xiàn)在2000和2003年,分別為2 690和2 480m3/s,數(shù)據(jù)揭示了水位和流量的年度差異,特別是在雨季期間,可能達(dá)到較高水平。此外,為了保障通航,閘口設(shè)計的最低通航水位為26.40m。研究結(jié)果對于運行管理維護工作至關(guān)重要,有助于預(yù)測和應(yīng)對可能的水位和流量變化,確保閘口的安全和有效運行。

針對水閘除險加固施工技術(shù)在不同風(fēng)險情況下的效果進(jìn)行分析,結(jié)果見圖6。

圖6 不同風(fēng)險情況下的水閘加固效果

圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)分別表示在高、中、低風(fēng)險情況下的水閘除險加固效果。在較高風(fēng)險等級下,需采取更嚴(yán)格的加固措施以獲得顯著效果,而較低風(fēng)險等級下的加固效果相對較弱。研究結(jié)果驗證了風(fēng)險決策分析在水閘加固施工中的有效性,通過選擇與風(fēng)險等級相符的加固方案,可以提升水閘的安全性和穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

水閘除險加固是保障水利設(shè)施安全的重要任務(wù)。為了提高水閘穩(wěn)定性,本文運用基于風(fēng)險決策分析的加固施工技術(shù),考慮了諸多因素,通過對黑茨河口閘1985-2015年水位和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,揭示了水位和流量年度差異,尤其是雨季可能達(dá)到較高水平。結(jié)果顯示,最大流量出現(xiàn)在2000和2003年,分別為2 690和2 480m3/s。高風(fēng)險等級下,加固措施更嚴(yán)格,加固效果更顯著,可為實際工程提供重要指導(dǎo)。