病險水利工程除險加固效果評價研究進展

王少偉, 蘇懷智, 付啟民

(1.常州大學環境與安全工程學院,江蘇 常州 213164;2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098)

我國水庫、水閘、堤防等水利工程大多修建于20世紀50～70年代,隨著服役老化期的臨近,以及修建時受經濟、技術條件限制而產生的遺留問題,大量工程已逐漸成為病險工程,由此導致工程潛在風險不斷增大[1-2]。2009年1月全國水利工作會議明確指出[3]:“確保2010年底完成全國6 240座大中型和重點小型病險水庫除險加固任務,在此基礎上,啟動大中型病險水閘除險加固任務,并加快各地小型病險水閘除險加固步伐”。2014年國家發展改革委印發了《中央政府投資項目后評價管理辦法》,明確指出需要從技術水平、目標實現程度、可持續發展能力、財務及經濟效益、社會效益、資源利用效率、環境影響等方面對項目實施的實際效果進行評價,以便總結經驗教訓、形成良性項目決策機制。截至2016年底,全國已完成多項病險水利工程的除險加固任務,但針對各工程實際取得的加固治理效果的系統評價尚未全面展開。

病險水利工程安全鑒定結論是除險加固決策的依據,也是保證加固治理效果最優的基礎。對此,針對我國病險水利工程數量多、病險成因復雜的特點,大量學者建立了各種形式的安全綜合評價體系。吳中如等[4]鑒于我國大壩建設和定檢過程中偏重工程安全及社會經濟效益,而忽視環境效益和生態效益,進而提出了大壩服役狀態評估應遵循社會經濟效益最大、對環境與生態的負面影響最小或互為和諧共處的總原則,建立了以工程安全、社會經濟效益、環境和生態為一級指標的大壩服役性態綜合評判模型;何金平[5]以效應量監測資料為基礎,根據監測項目布置狀況構建了大壩健康狀態綜合診斷指標體系的基本框架,同時認為指標體系的建立需要考慮普遍性和特殊性兩方面;張宇華等[6]以多座病險水閘的現場調查、安全檢測、復核計算和專家意見等資料為基礎,從安全狀況、運行狀況、耐久狀況和其他因素四方面建立了病險水閘風險評判指標體系;馮峰等[7]基于后果逆向擴散法對黃河堤防工程安全影響因子進行識別,建立了以工程因素和非工程因素為準則層,以堤身因素、堤基因素、隱患因素、河道因素和搶險因素為指標層的黃河堤防工程安全評價指標體系;蘇懷智等[8-9]在分析影響因素的基礎上,先后建立了海堤安全性、水電站邊坡穩定性等方面的綜合評價體系,并對綜合評價中所用的主客觀權重、等級隸屬度等進行了研究;謝婕等[10]從漫堤和潰堤兩方面分別挖掘海堤安全影響因素,構建了海堤安全風險評估體系。

上述水利工程采用綜合評價體系側重于工程安全,以便根據此評價結果對其安全進行定級,進而決定是否需要除險加固。而除險加固效果評價不同于加固前安全鑒定和加固方案優選評估,是目前國內病險水利工程除險加固項目后評價中急需解決的關鍵問題。對此,筆者從評價指標體系和評價方法體系兩方面,重點闡述病險水利工程除險加固效果評價的研究現狀,并對今后的發展提出一些建議。

1 除險加固效果評價指標體系

目前關于病險水利工程的綜合評價主要是除險加固前開展的安全等級評價和除險加固方案優選評估,對于除險加固效果的綜合評價則處于剛剛起步階段,當前的除險加固效果評價主要是對除險加固中某一項或幾項功能指標的評估。

1.1 除險加固效果宏觀定性評價

除險加固效果的定性評價主要是基于自然語言,在對評價對象的運行狀態、工程影響等相關信息細致觀察和分析的基礎上,利用決策者的經驗,圍繞工程服役安全性、除險加固效益、社會環境影響等方面,直接對其等級水平、好壞程度、演變趨勢等給出一個定性結論。

a. 在除險加固后工程服役安全性方面,其定性評價主要是以監測資料分析和現場檢查為主,根據荷載與環境因素協同作用下的工程效應量來反饋加固后工程的安全穩定性。趙凌云等[11]根據1998年湖北省長江堤防34處潰口應急整治后在1999年汛期特大洪水時的險情狀況,對加固治理效果進行了定性分析評價,結果表明此次應急整治達到了預期效果,有效減輕了1999年特大洪水時的堤防險情;邴強興等[12]結合棘洪灘水庫大壩干砌石護坡內坡采用現澆混凝土板加固后1997—2009年的運行狀況,認為在經歷冬季低于零下10℃寒冷氣溫和長期風速為25 m/s的風浪沖擊下加固工程沒有發生破壞,表明采用現澆混凝土板加固水庫干砌石護坡是成功的,且經濟效益較好;蘇懷智等[13]基于原位變形監測資料反演壩體和壩基的彈性模量,評價加固治理對提高大壩材料性能的長期效果;蔡蓁[14]根據北溪水閘測壓管水位在閘基防滲加固后的明顯下降效應,認為采用抓斗成槽法修建混凝土防滲墻的加固方案是合理的,加固治理效果是明顯的。

b. 在除險加固效益及其社會環境影響方面,其定性評價主要是對病險工程加固治理在降低風險、消除安全隱患、增加受益、改善生態環境等方面的促進作用及可能產生的不利影響進行宏觀分析,以便權衡利弊和提出改善措施。綦中躍等[15]針對密云水庫1998—2004年間的除險加固工程,從工程效益、經濟效益和社會效益三方面對除險加固工程綜合效益進行了分析和評價,結果表明此階段除險加固效果較好;陳鳳等[16]結合江蘇省徐州市石灰巖地區5座小型水庫庫底滲漏問題的治理,認為病險水庫除險加固在促進社會主義新農村建設、提升地區防洪保障能力、發展農業灌溉、改善城鄉供水和生態環境等方面具有明顯的社會效益;楊世華等[17]針對黃河下游堤防加固工程,基于工程施工前、過程中和結束后的各種監測數據以及工地實時狀況,分析了加固工程對環境的有利影響和不利影響,由此表明大中型水利工程施工過程中采取環境保護措施的必要性。

1.2 除險加固單一效能量化評價

病險水利工程除險加固治理單一效能的量化評價主要包括加固治理后單功能指標提升程度評價、經濟效益評價、施工質量評價三方面。

a. 加固治理后單功能指標提升程度評價目前主要是針對病險水利工程在防洪標準、滲透穩定性、抗滑穩定性、抗震安全性、地基承載力、消能防沖、建筑結構老化、泥沙淤積等方面的病險問題,基于數值模擬、理論計算、監測反分析等方法來對比加固前后上述功能指標的變化情況,以此評價本次除險加固所取得的工程治理效果。盧曉鵬[18]通過開挖、鉆孔壓水試驗和室內試驗對云南省白鶴水庫防滲加固中的高壓噴射灌漿加固效果進行了分析,加固后平均滲透系數為0.68×10-6cm/s,壩腳滲水量由98.6 L/s降至0.35 L/s;張建華等[19]針對峽江12號閘墩抗滑穩定安全系數不滿足規范要求的問題,研究了底板加厚和布置錨筋樁兩種加固措施的提升效果;Chen等[20]提出利用錨桿加固方案來提升小溪水電站重力壩壩基抗滑穩定性,由剛體極限平衡法和有限元強度折減法得到的1號壩段抗滑穩定系數加固前分別為3.29和2.0，加固后分別為4.34和2.8;楊寶全等[21]以汶川地震中受損嚴重的蒼溪縣紅旗水庫土石壩為例,通過理論計算對其上游壩坡放緩培厚加固措施進行分析,結果表明此加固治理使壩坡穩定最小安全系數由1.098～1.145提升到1.262～1.698。

表1 病險水利工程除險加固效果綜合評價指標體系

注:病險水庫的擋水建筑物在實際中主要為土石壩。

b. 除險加固工程經濟效益評估最常用的方法是基于加固前后防洪、灌溉、供水等工程效益增量與除險加固費用之間的關系進行國民經濟評價,以及采用新技術、新材料等所帶來的額外經濟效益的評估,以此評價除險加固工程實施的經濟合理性。例如,無錫市錫澄運河三級航道整治工程中為節約天然骨料,同時為了解決廢棄混凝土的堆放、占地和環境污染等問題,使用C25等級再生骨料混凝土(RAC)約10萬m3,直接節省工程造價125萬元[22]。而病險水利工程一旦失事,將導致巨大的經濟損失、生命損失及社會環境影響,因此除險加固治理帶來的不僅僅是直接工程效益的增加,因加固治理而避免的潛在風險損失同樣需要考慮。對此,胡江等[23]在潰壩風險率和潰壩生命損失估算的基礎上,以加固前后潰壩風險區生命質量指數增量與最大社會愿意支付費用之間的關系來定量評價除險加固效應,并以此作為病險水庫除險加固資金投入的決策準則;劉曾美等[24]基于Copula函數和GIS技術,以有無治澇工程情況下減少的洪澇損失為目標,構建了變化環境下治澇效益的分析計算模型,可為治澇工程建設的合理決策提供依據;何曉燕等[25]在系統收集水庫潰壩后果資料的基礎上,建立了水庫潰壩社會影響及環境影響評價指標體系和量化方法;魏洪濤等[26]針對巴家嘴水庫除險加固的經濟效益主要是降低潰壩概率,避免潰壩淹沒損失，在有、無除險加固工程情況下水庫潰壩發生概率和一次性損失分析的基礎上,以減少的潛在潰壩損失來評價除險加固工程效益,由此得出近期效益較小、后期效益逐年增加的規律。

c. 除險加固工程施工質量評價目前主要是采用與新建工程相同或類似的質量檢測和評價方法。然而加固治理不同于新建工程,其影響因素更多、更復雜,且具有很強的隨機性和不確定性,因此除了參照常規新建工程施工質量的檢測方法外,加固治理后隱患部位的原位監測反饋分析能更好地反映除險加固工程施工質量。齊建堂等[27]基于防滲墻施工過程中的混凝土拌和質量、糟孔質量和墻體質量等施工質量檢測資料,以及除險加固后的測壓管水位監測數據,對黃壁莊水庫副壩除險加固防滲工程施工質量進行了評價,結果表明其施工質量達到了設計要求;徐光磊等[28]從前期工作、建設質量和建設資金三方面評價了病險水庫除險加固工程質量,調查分析結果表明建設資金不足、勘探工作不足、鑒定工作不到位和施工質量差是影響除險加固效果的主要因素。

1.3 除險加固效果綜合評價指標體系

根據工程經驗,綜合評價是一個多指標、多層次,且包含大量模糊性和不確定性的復雜分析評價問題,其指標體系的構建需要遵循科學性、全面性、可操作性、定性與定量相結合的原則,在制定總體評價目標的基礎上,再根據工程實際特征將其拆解成不同的子目標,以及便于量化和描述的基礎評價指標。針對病險水利工程除險加固效果的綜合評價,目前尚缺乏系統、完善的綜合評價指標體系,部分研究者基于不同的評價目的,從治理效果、工程安全性、工程質量、實施績效、工程效益及影響等方面進行了綜合評價,具體統計結果如表1所示[29-35]。吳煥新[29]從除險加固方案、加固治理功能指標康復程度和除險加固治理影響三方面建立了評價指標體系,并用于石貶峪水庫加固治理效果評價,結果表明該水庫復合土工膜防滲加固效果非常好;王寧等[36]結合房山水庫除險加固實際情況,在吳煥新所建指標體系的基礎上進行了指標取舍,并邀請專家以該工程為背景重新進行評價指標的兩兩比較;張計[31]基于大壩安全量化綜合評價體系,以加固前后大壩安全綜合評價系數的提升程度作為評價指標,通過劃分相應的評價集,實現從大壩安全的角度來量化評價除險加固治理效果,基于該評價方法得到張家咀水庫安全系數由加固前的0.274提升到加固后的0.924,使水庫由極不安全狀態轉變為非常安全狀態;盧欣[30]提出了從前期工作、施工過程、加固后運行性態和工程效益四方面建立病險水庫加固后評價體系的思路,并以江西省玉山縣七一水庫除險加固后運行性態為例,開展了指標體系建立、指標內涵解釋、權重確定等工作,評價結果表明七一水庫加固后運行性態處于“很好”的狀態,加固效果達到了預期目的;盧振園等[34]從經濟、社會、環境三方面建立了宿遷閘除險加固工程影響的評價指標體系,評價結果表明宿遷閘除險加固明顯改善了當地的生產生活環境,加固效果介于成功與完全成功之間的概率為78%;馬壯等[35]建立了針對病險水利工程加固治理全過程的后評價體系,并將其用于南四湖二級壩第二節制閘,評價結果表明該加固治理工程的過程效果屬于2級—成功;黃顯峰等[32]從經濟、社會、環境三方面建立了病險水庫除險加固效益評價指標體系,并將其用于宜昌市小溪塔黑灣水庫除險加固工程,結果表明大部分效益指標值達到了預期效益值,但水土流失指標效益較差,后期應加強水土保持措施的力度。

上述工程實踐表明,影響病險水閘、大壩等水利工程除險加固效果的關鍵因素是安全鑒定結論的準確性、加固設計方案對恢復其設計功能的可行性和經濟性、施工質量等。對此,王少偉等[37]依據《中央政府投資項目后評價管理辦法》,并結合病險水閘除險加固工程的特點,建立了由安全鑒定結論準確性、除險加固設計方案、服役性能提升程度、除險加固經濟效益和除險加固可持續發展效應5個一級評價指標和21個二級評價指標組成的病險水閘除險加固效果評價指標體系。病險水利工程除險加固的程序、目的、效益等具有一定的相似性,尤其是水庫大壩與水閘,因此其他病險水利工程的除險加固效果評價可參照此指標體系,再結合實際需要進行指標的刪減,并修正指標權重。

2 除險加固效果評價方法體系

鑒于綜合評價指標體系是由多個層次的子指標組成,且同層子指標對其上層指標具有不同的貢獻度,因此綜合評價中的方法體系主要包括加固治理效果評價等級的劃分、各評價指標屬性的量化、評價指標融合權重的確定等,以便將細化的多個基礎層指標評價屬性融合生成一個簡單明確的加固治理效果綜合評價值或評價等級。

2.1 除險加固治理效果評價等級的劃分

評價等級劃分是綜合評價的前提,以便根據評價指標在不同等級下的賦值標準來量化評價指標值對應的等級屬性。目前水利工程中使用的評價等級主要是三級制至五級制。其中,三級制主要源于規范標準,例如壩工領域所依據的《水庫大壩安全鑒定辦法》中一類壩、二類壩和三類壩3種安全狀況,或《水電站大壩運行安全監督管理規定》中正常壩、病壩和險壩3種安全等級。鑒于三級制略顯粗糙,五級制目前應用較多,同時部分評價者采用四級制,對應的描述語言可歸納為:四級制“優、良、中、差”,五級制“很好、較好、一般、較差和很差”或“完全成功、較成功、基本成功、不成功、失敗”等[29-32,34-35]。

2.2 評價指標融合權重的確定方法

權重的作用在于區分指標之間的相對重要程度,以便據此將多個下層指標值融合成單一的上層指標值,權重確定的合理與否,直接關系到綜合評價結果的可信程度。目前常用的指標融合權重主要是基于主觀賦權法、客觀賦權法和組合賦權法等確定的點值權重。

a. 主觀賦權法。該方法是一種定性方法,利用決策者的知識和經驗來給出各指標的權重,主要包括德爾菲(Delphi)法、相對比較法、層次分析(AHP)法等,其中AHP法通過構造基于兩兩因素比較的判斷矩陣而實現對定性問題的定量分析,因而簡單實用[38]。盛金保等[39]基于潰壩后果綜合評價對河南省安陽市10座小型病險水庫進行風險排序時,采用AHP法確定的潰壩生命損失、經濟損失、社會與環境影響的權重系數分別為0.737、0.105和0.158。然而,主觀賦權法受人為主觀因素的干擾較大,因此為了降低主觀隨意性,需要對多位專家賦權結果進行信息融合,目前常用方法為對專家賦予相同或不同的權威性系數后,再進行指標權重的加權平均處理。其中,根據專家賦權結果與專家組整體賦權結果的偏差程度來計算其權威性系數的方法較為客觀公正。孫德忠等[40]將專家組主觀權重矩陣的相關系數作為對專家權威系數的賦權,通過相關系數矩陣與指標權重矩陣的乘積計算加權權重矩陣,并循環處理至最終收斂后,再對其歸一化處理即可得到融合整個專家組意見的主觀權重。

b. 客觀賦權法。該方法是一種基于指標數據信息的定量方法,主要有變異系數法、熵權法、主成分分析法、投影尋蹤(PP)法、粗糙集理論法等。Lei等[41]在建立高混凝土壩空間變形熵預警指標時,基于監測所得各測點位移時間序列,采用PP法擬定了各測點變形熵融合時的權重,且測點權重值隨季度變化;Gu等[42]在進行碾壓混凝土壩滲流性態綜合評價時,基于熵權所反映的指標信息有序度差異性,擬定了多測點預測殘差和時效分量的權重。綜合而言,客觀賦權法可以有效地反映評價指標的數據信息和差異性,但完全忽略了主觀信息,僅以指標數據為基礎,有時會導致數理推斷得到的權重系數明顯不合理。

c. 組合賦權法。該方法是將主觀賦權法得到的主觀權重和客觀賦權法得到的客觀權重相組合,因而既充分利用了決策者知識、經驗的主觀性,又兼顧了指標信息所包含的客觀性。最常用且簡單有效的方法就是將主觀權重和客觀權重直接進行線性組合,但其準確性依賴于采用的組合系數,其中平均線性組合法采用較多,即主、客觀權重各采用0.5的組合系數。周紅梅[43]在評價臥龍山水庫重力壩安全性、朱蓓等[44]在評價三板溪水電站堆石壩面板健康狀態、楊海平[45]在評價某土石壩安全性時,分別采用AHP-PP、AHP-BP神經網絡、AHP-熵權的組合方案,主、客觀權重各采用0.5的組合系數。除此之外,通過對主、客觀權重之間的差異程度進行優化,也是常用的主客觀組合權重確定方法,如組合最小二乘法、最小信息熵原理法、距離函數法和最小偏差法等。Zhang等[46]在進行烏東德水電站庫區泥石流風險評價時,基于最小偏差法計算得到的AHP法和熵權法各自組合系數分別為0.47和0.53,接近主、客觀平均線性組合方案。

在指標權重表示方法方面,目前主要采用的是以點值表示的確定性權重。然而,綜合評價過程中,評價數據采集的非全面性、原始數據信息的不確定性、評價數據量化的非精確性等,導致在很多情況下無法較好地以點值來準確描述評價對象;同時,作為加固治理效果評語集的“很好、較好、一般、較差和很差”等評價等級,也不是一個“點”的概念,而是一個范圍。對此,部分學者認為以非點值形式表示的評價結論有利于更好地體現評價結果的相對合理性,這其中就包含非點值權重,如陳旭東[47]在評價碾壓混凝土工作性態時使用了區間權重；張秋文等[48]在評價水庫誘發地震風險時使用了云模型權重等。與傳統點值權重相比,非點值權重不僅對指標相對重要性進行了比較,也對評價語言的模糊性和離散性有了更加客觀的描述,因而更符合人類語言習慣。對此,王少偉等[49]基于所建包含5個一級評價指標和21個二級評價指標的病險水閘除險加固效果綜合評價指標體系,通過對41份專家權重打分調查問卷的統計分析,擬定了評價指標融合的點值權重、區間權重和云模型權重,結果表明經濟效益和可持續發展效應2個一級指標的權重取值范圍較大,但離散性較小,而7種服役性能提升程度二級評價指標的權重取值范圍較小,建議優先采用確定性權重以減少計算量。

2.3 綜合評價等級的確定方法

綜合評價等級的確定需要以基礎層評價指標信息為基礎。根據工程經驗,評價指標按其能否用精確數值描述分為兩類:定性評價指標和定量評價指標。前者具有一定的模糊性和不確定性,主要基于專家經驗或工程類比來對其進行評判性描述;后者可以根據理論計算得出,如除險加固效果功能指標提升程度中的抗滑穩定性,直接通過抗滑力與滑動力的比值得到加固前后的抗滑穩定安全系數。目前常用的綜合評價等級確定方法可歸納為兩類,分別是基于加權綜合評分值和最大等級隸屬度的確定方法。

a. 基于加權綜合評分值的評價方法。該方法首先需要標準化基礎層評價指標值,然后逐層加權匯總各評價指標值得到綜合評價值,最后再根據事先擬定的評價等級及其對應的評價值范圍來確定其綜合評價等級[29-31,35-36]。該類方法中,由于各評價指標量綱不統一,且各指標的優化準則不一致,因此其關鍵在于根據事先擬定的各評價等級對應的評價值取值范圍,對基礎層評價指標值進行標準化,其中定性評價指標多采用專家打分法,定量評價指標則按效益型、成本型、固定型、區間型、偏離型等不同的指標類型,采用線性函數或非線性函數對其進行標準化處理。

b. 基于最大等級隸屬度的評價方法。該方法首先從基礎層評價指標開始,分別計算各評價指標對評價等級的單一隸屬度,然后加權匯總生成目標層的綜合隸屬度,并以最大綜合隸屬度對應的等級作為綜合評價等級[32,34]。與基于加權綜合評分值的評價方法不同的是,該方法需要首先確定基礎層評價指標的等級隸屬度。對于定性評價指標,通常多采用等級比重法;定量評價指標則需要事先對每一個底層評價指標進行等級取值范圍的劃分,再根據選取的隸屬函數計算其等級隸屬度。目前常用的該類方法主要是模糊綜合評價法、灰色關聯度評價法、可拓綜合評價法等,但這些方法大多只針對評價過程中的模糊性或隨機性,沒有同時兼顧兩者的影響。對此,大量學者將能同時考慮模糊性和隨機性的云模型理論引入到綜合評價中,通過建立評語集云模型和等級隸屬度云模型,使得評價等級不再采用明晰的區間劃分,更加符合人類語言習慣[50-51]。

3 研究展望

a. 構建能兼顧病險水利工程除險加固治理效果通用性和特殊性的綜合評價指標體系。病險水利工程除險加固涉及面廣,各工程的病險問題既有共性部分,又有各自的特殊性。現有的加固治理單一效能評價方法主要為針對工程安全、經濟效益等某一方面的評價方法,均無法完全兼顧加固治理效果評價的通用性和特殊性。因此,需要在分析水利工程病險成因和主要加固措施的基礎上,深入挖掘病險水利工程除險加固效果的影響因素,構建能同時兼顧加固治理效果通用性和特殊性的病險水利工程除險加固效果綜合評價指標體系,以便對同類除險加固工程進行類比評價和反饋指導。

b. 基于云模型進行病險水利工程除險加固效果的綜合評價。除險加固效果綜合評價中獲取的基礎層評價指標信息、評價指標權重等均包含大量的不確定性;同時,作為加固治理效果評語集的“很好、較好、一般、較差和很差”等評價等級,也不是一個“點”的概念,而是一個范圍。結合當前綜合評價領域中使用的云模型理論,研究建立病險水利工程除險加固效果的評語集云模型、評價指標權重云模型和隸屬度云模型,進而同時反映評價指標信息、權重和評語集的不確定性,并將不確定信息中的模糊性和隨機性有機結合起來,以提高綜合評價的系統性和精確性。

c. 強化除險加固效果評價中的可持續發展效應。當前水閘除險加固中涉及大量的混凝土結構拆除重建工程,若將此廢棄混凝土塊用于制備RAC,既可解決資源短缺問題,也可解決加固治理引起的部分環境污染問題;此外,部分除險加固工程存在加固后短期內的反復加固問題,因此需要對本次加固治理后工程的預期服役壽命及后期加固治理的經濟性和技術可行性等可持續效應進行評價。