南水北調中線河渠交叉建筑物風險評估模型

郭政宇 袁源 郭治君 尹傳森 陳寧

摘要：該文基于南水北調中線工程河渠交叉建筑物的設計、材料信息以及工程所處的地理氣候信息，考慮不同類型建筑物的各自建筑結構的特點和建筑物的功能，包括施工質量，工程所在地區的不可抗力事件出現的頻率等，在查閱地質、勘測、設計、歷次驗收、運行管理等資料的基礎上，結合河渠交叉建筑物的運行情況，基于國內外已有研究成果的基礎上，以貝葉斯網絡理論分析為基礎構建出貝葉斯網絡風險評估模型，對風險因子集以及致險因子之間的關系進行了歸類分析并以模型的形式呈現出其相關關系。

關鍵詞：南水北調中線工程;河渠交叉建筑物;貝葉斯網絡;風險評估模型

前言

南水北調中線工程是具有可持續發展性的惠及民生的世紀性工程。南水北調中線工程調水線路長，工程規模大，沿線有眾多渡槽、倒虹吸、箱涵等大型河渠交叉建筑物，面臨著相對較大的水毀風險，而這些關鍵性建筑物一旦被毀壞將會帶來無法估量的經濟、社會損失。目前，南水北調中線工程基本已經建設完成，通水狀態、洪水、人為破壞等事件導致渠道滑坡、坍塌等事故時有發生，而渠道與渡槽、倒虹吸等交叉建筑物連接處是工程相對薄弱之處，是需要運行管理和工程風險防范的重點內容。因此，基于各種相關資料的基礎上建立河渠交叉建筑物的風險評估模型來闡述風險因子集以及致險因子之間的關系顯得尤為重要。

目前國內外對水利工程的風險評價主要集中在擋水建筑物以及整治建筑物的風險分析，由于南水北調工程總體呈現線性、跨度較大且主要解決輸水、引水的相關問題，對于輸水、引水建筑物的風險評價還較少，大部分是針對沿線的風險分析，少數是針對工程相對薄弱的河渠交叉建筑物進行風險分析。

考慮到以上風險分析中大多局限在工程的整體以及局限在某個風險因素對工程的影響，未考慮到風險因子集與致險因子之間的關系，因此本文將以渡槽、倒虹吸、箱涵等主要大型河渠交叉建筑物為研究對象，建立起風險因子集以及致險因子之間的相關關系。

傳統風險分析方法有些受主觀因素的影響，有些受相關公式或系數選取的影響，可信度相對較低，并且這些風險分析方法均不能清晰明了的反映風險因子集以及致險因子之間的關系。因此，為了分析模型具有更高的可信度以及簡單明了的反映風險因子集以及致險因子之間的關系，本文將以貝葉斯網絡理論分析為基礎構建貝葉斯網絡風險評估模型。

一、貝葉斯網絡模型構建

（一）失效模型分析

考慮到各個河渠交叉建筑物的獨特性，為建立可信度較高的風險因子集以及致險因子之間相關關系的模型，本文將以渡槽、倒虹吸、箱涵3類大型河渠交叉建筑物為研究對象，分別進行模式分析。

在對于渡槽、倒虹吸、箱涵這3類河渠交叉建筑物的結構，施工用的材料以及現行工程中所出現的問題研究之后，對這三類關鍵性建筑物的失效模式得出了以下結論：

渡槽主要破壞模式有整體倒塌、整體失衡、表層混凝土剝蝕及鋼筋腐蝕、滲漏水和槽身及支承結構裂縫，這些破壞模式均有可能導致渡槽的功能喪失或者失事;倒虹吸主要失效模式是管身錯位、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;箱涵的失效模式有洞身坍塌、基礎失穩、洞身裂縫、滲漏水。

（二）風險因子分析

本文將風險因子主要歸為3類：不可抗力、低溫凍融、人為因素。

（1）不可抗力

因暴雨洪水以及地質災害是自然災害，非人為可控，所以均歸為不可控力。

暴雨洪水使得河渠交叉建筑物失效主要有兩種形式：暴雨洪水對建筑物的沖擊力超過了建筑物本身能夠承受的最大的抗沖擊能力;暴雨洪水沖刷基礎，導致基礎的不均勻沉降以及結構失穩，嚴重時可能會導致建筑結構的倒塌。地形有利于暴雨的形成以及氣候相對濕潤的地區容易形成特大暴雨，特大暴雨會導致山體滑坡和泥石流，泥石流所攜帶的固體物質會堵塞河道，造成河道的過流能力不足，洪水不能順利排出，會抬高水位，改變主流方向，對河道進出口段造成沖刷，致使河道的穩定性不能保證。

地質災害主要是地震，地震的震源、震級不同對河渠交叉建筑物帶來的影響不同。地震的震源距離河道位置越近，震級越大，河道被毀壞的概率越大。

（2）低溫凍融

低溫凍融主要會引起河渠交叉建筑物地基的不均勻沉降以及塑性破壞型裂縫。低溫凍融對建筑物的影響主要與建筑物所在的地理位置相關，比如東北，氣候常年寒冷，土質常常為凍土。常年凍土以及季節性凍土會對建筑物產生較大的影響，短時凍土對建筑物的影響較小。

（3）人為因素

人為因素主要就是在設計施工上出現致命性缺陷以及在工程運行時，管理養護不到位而引起的河渠交叉建筑物的失效。

（三）網絡節點變量的選取

貝葉斯網絡風險評估模型選取可能引起南水北調河渠交叉建筑物風險的指標及事件作為該模型的節點

渡槽失效的節點變量分別為不可抗力、低溫凍融、人為因素、地基不均勻沉降、基礎上抬、邊坡失穩、填方土體承載力降低、超標準荷載、止水破損、表層混凝土剝蝕及鋼筋腐蝕、裂縫、滲漏水、整體倒塌、槽身傾覆、進出口段失穩、過流能力不足、槽身及支承結構裂縫，具體見表1。

倒虹吸失效的節點變量分別為不可抗力（暴雨洪水，地質災害）、低溫凍融、人為因素、邊坡失穩、地基不均勻沉降、基礎上抬、管內沉積物、材料老化、管身裂縫、止水破損、攔物柵損壞、滲漏水、漂浮物進管、管身錯位、填方段沖毀、過流能力不足、水頭損失過大，具體見表2。

箱涵失效的節點變量分別為不可抗力（暴雨洪水，地質災害）、低溫凍融、人為因素、管基不均勻沉降、基礎上抬、邊坡失穩、涵洞內沉積物、裂縫、防水失效、基底或洞口鋪砌冒水、滲漏水、洞身坍塌、基礎失穩、過流能力不足、洞身開裂、進出口段失穩、水頭損失過大，具體見表3.

結語

本文以貝葉斯網絡分析為基礎，以渡槽、倒虹吸、箱涵3類大型河渠交叉建筑物為研究對象，根據這三類建筑物各自的特點以及功能等建立了各自的貝葉斯網絡風險模型，闡述了風險因子集與致險因子之間的關系。

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作者簡介：

郭政宇（2000年03月），女，漢族，河南省中牟縣，本科，華北水利水電大學。

袁源（2000年06月），男，漢族，江蘇省淮安市，本科，華北水利水電大學。

郭治君（2000年10月），男，漢族，河南省駐馬店市，本科，華北水利水電大學。

尹傳森（ 1997年10 月），男，漢族，河南封丘，本科，華北水利水電大學。

陳寧（2000年01月），女，漢族，河南省鹿邑縣，本科，華北水利水電大學。