基于貝葉斯網絡的南水北調中線工程大型河渠交叉建筑物風險評估

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

南水北調工程是一項宏偉的社會民生工程、經濟工程、生態工程。該工程規模大、調水線路長，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中線工程的安全運行極其重要。

目前，南水北調中線工程已經基本建設完成，不可抗力、氣候因素、人為因素等導致渠道滑坡、失穩、坍塌等事故時有發生，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容。國內外不少學者對南水北調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，但是缺乏對具體設計單元的分析且并未針對具體的問題提出相關的風險管理方法?？紤]到以上對于大型河渠交叉建筑物并結合相應的設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， 并結合具體設計單元進行分析。

貝葉斯網絡為不定性因果關聯模型，相比于其他綜合風險分析方法，貝葉斯網絡使網絡節點變量之間的因果關系及條件相關關系更加直觀化。貝葉斯網絡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絡為理論基礎，并結合具體的進行分析，給予結論和運行管理意見。

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，并總結出共同點，構建出相對統一的貝葉斯網絡拓撲結構失效模型[1](注：該貝葉斯網絡拓撲結構為適應各設計單元的不同而做出些許改變)。渡槽是一組由橋梁、隧道或溝渠構成的輸水系統，主要由進出口段、槽身、支承結構和基礎等部分組成，為鋼筋混凝土結構。渡槽失效模式為整體倒塌、整體失衡、槽身及支承結構裂縫，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構，其失效模式有洞身坍塌、基礎失穩、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構、形式等存在著一定的差異，但是它們的失效模式可以歸結為整體性破壞、結構裂縫、基礎失穩及滲漏水。

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。結構裂縫一般是由于低溫凍融，人為因素以及材料本身的性質引起的。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可知，不能避免裂縫的出現。在交叉建筑物中，裂縫出現的位置不同對建筑物帶來的影響不同?；A失穩由工程地質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聯性，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關系。

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、地質災害)、低溫凍融和人為因素。

2 基于貝葉斯網絡理論構建河渠交叉建筑物的風險評估模型

2.1 選擇網絡節點變量

貝葉斯網絡風險評估模型選取南水北調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，初步確定的節點變量分別是整體性破壞、結構裂縫、基礎失穩、滲漏水、不可抗力、低溫凍融、人為因素。

2.2 網絡拓撲結構確定

下面根據已經確定的所選變量之間的相關關系確定一個相對統一的大型河渠交叉建筑物貝葉斯網絡拓撲結構失效模型。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點。如在建筑施工過程中，出現高溫季節混凝土澆筑完成后，未及時進行灑水養護和遮陽保護以及在低溫季節完成，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構出現裂縫。不可抗力主要指的是特大暴雨洪水以及地質災害，不可抗力直接影響的因素一般包括整體性破壞、基礎失穩、結構裂縫等。低溫凍融直接影響因素是結構裂縫、基礎失穩等，人為因素直接影響因素是整體性破壞、結構裂縫、基礎失穩、滲漏水等。根據以上分析，可以得到相對統一的大型河渠交叉建筑物貝葉斯網絡拓撲結構失效模型，見圖1。

圖1 河渠交叉建筑物失效風險的貝葉斯網絡拓撲結構

2.3 貝葉斯網絡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絡拓撲結構，通過概率論和數理統計方法或專家知識獲取各根節點以及非根節點的條件概率。然后，在確定貝葉斯網絡結構以及各網絡參數后，結合樣本數據集，計算根節點的先驗概率和中間節點的條件概率。當獲得更多新數據的情況下，進一步完善更新貝葉斯網絡拓撲結構，保證該貝葉斯網絡的可信度，同時這也是從先驗概率分布到后驗概率聯合的過程。

3 案例分析

3.1 工程概況

南水北調中線一期工程總干渠沙河南至黃河南段潮河段設計單元工程位于河南省新鄭市和中牟縣境內，擔負著向新鄭市、鄭州航空港經濟綜合實驗區及其下游地區的輸供水任務。

潮河段設計單元工程全長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 潮河段貝葉斯網絡風險評估模型建立

3.2.1 貝葉斯網絡風險評估模型的基本假設

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性；各風險因子相互獨立。

3.2.2 貝葉斯網絡風險評估模型的構建

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，屬于本文構建相對統一的貝葉斯網絡風險評估模型的三大主要河渠交叉建筑物之二，故采用構建的統一的貝葉斯網絡風險評估模型。

3.2.3 網絡各節點概率的確定

根據查閱相關資料以及相關專家的評估，后利用統計方法預估出以上節點在各種情況下出現的頻率(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)、結構裂縫(SC)、基礎失穩(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

后由根據相關資料同時又請教相關專家，用統計方法推出各風險因子可能發生的概率，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

根據河渠交叉建筑物的失效模式在不同風險因子下出現的先驗概率的分布，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OD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絡拓撲結構知引起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風險因子下發生的概率為OD(0.019)，SC(0.057)，FI(0.27)，LW(0.050)。

4.2 風險因子后果評價

據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關系，給出風險相關因子的評價指數：

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

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：加強對已經運行的建筑物的運行管理；正在施工過程中嚴格按照規范或設計要求進行施工；相關部門應提前制定應急預案和風險規避措施。

5 結 語

本文通過引入貝葉斯網絡理論，構建了相對統一的南水北調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風險因子出現的評判依據，為南水北調中線河渠交叉建筑物的風險管理提供了依據。此外，貝葉斯網絡進行風險分析的關鍵是網絡節點以及網絡節點參數的確定，這將直接關系到結果的可信程度。