內河航道整治建筑物服役狀態綜合評價研究

楊 寧，李文杰，張浩游，杜洪波，萬 宇，肖 毅

(1.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；3.長江重慶航道工程局，重慶 400010)

國務院提出強化交通基礎設施預防性養護維護、安全評估，加強長期性能觀測，完善數據采集、檢測診斷、維修處治技術體系。長江上游山區航道通航環境復雜,船舶航行安全壓力大[1-2]，為改善灘段水流結構、提升通航尺寸、保護堤岸，修建了眾多航道整治建筑物。國內外學者對航道整治建筑物展開了大量研究，Fleischer等[3]根據靜態計算評估了水工建筑物的穩定性；王平義等[4]采用模糊綜合評判法對整治建筑物的安全穩定性進行分析；陳琳[5]通過統計大量整治建筑物外局部沖刷實測數據，結合半經驗沖刷公式，擬合出符合本區域特點的局部沖刷公式；唐銀安等[6]分析了沖積性河流整治建筑物水毀原因和防止措施；石進等[7]針對航道整治建筑物堤身塌陷、護底沖刷、燈樁基礎傾斜等代表性損壞,查明原因,研究確定修復措施。同時，鄧良愛等[8]總結了游沙卵石河床整治建筑物損毀的自然原因并提出相應的維修思路；朱俊鳳[9]根據長江上游航道河床、水流特點，分析長江上游宜賓至重慶河段內整治建筑物的破壞形式以及破壞機理；文岑等[10]分析鎖壩下游的沖刷機理，導出鎖壩下游沖刷深度的計算公式；韓林峰[11]提出了受年際不同洪峰流量的洪水作用后丁壩剩余壽命計算方法。張夢成[12]基于BP神經網絡等方法對長江中下游的航道整治建筑物提出功能評估方法；張文江、曾濤等[13]提出了川江航道整治建筑物損毀原因及維修對策。但總體而言，目前航道整治建筑物的評估研究大多集中在損毀機理，對于航道整治建筑物評價中只針對局部河段的個別建筑物類型進行了深入分析，且評價方法主觀性較強，航道整治建筑物評估手段存在較大的局限性。

本文旨在選取長江上游具有較強代表性的5座整治建筑物，應用模糊貝葉斯網絡評價模型[14]，綜合功能狀況和技術狀況分析整治建筑物不同年份的技術狀況等級，借助數學期望公式計算量化技術狀況數值，對長江上游航道整治建筑物綜合技術狀況進行定量評估并提出維護措施，以期對未來階段的航道建設規劃提供參考，以保證上游航運安全發展。

1 長江上游航道整治建筑物概況

1.1 河段概況

長江上游河段從四川宜賓至湖北宜昌，全長1 045 km，按河流特性劃分屬于典型山區河流[15]。該河段航道條件險惡，具備河身狹窄，岸坡陡峻，河流水位及流量變化較大的特點。河段內水流條件紊亂，航道條件復雜，卵石運動強度大，沿線灘險分布較多，復雜的通航條件大大限制了長江上游通航水平。截至至今，長江上游共進行過6次系統的長河段治理工程，已整治灘險共50余處，航道整治建筑物數量眾多且修建時間早。在宜賓至重慶河段目前在役89座航道整治建筑物，其中含丁壩45座，順壩22座，潛壩18座，鎖壩3座，見圖1-a。

1-a 長江上游主要航道建筑物類型匯總 1-b 長江上游主要航道建筑物技術狀況匯總圖1 長江上游航道整治建筑物概況Fig.1 Overview of the upper Yangtze River channel improvement buildings

結合《內河航道維護技術規范》將建筑物技術狀況劃分為四個類別：一類整治建筑物(結構良好，功能發揮正常)40處，二類整治建筑物(有少量變形，但不影響建筑物功能發揮)32處，三類整治建筑物(損壞較明顯，尚能發揮整治功能但需及時修復)8處，四類整治建筑物(損毀嚴重或有明顯缺陷，已經或即將失去整治功能)0處，見圖1-b。

1.2 典型航道整治建筑物工程概況

考慮整治建筑物的代表性，不同建筑物間可比性，建筑物不同河段特性，因此以東溪口磧頭壩、紅燈磧上順壩、紅燈磧下順壩、落鍋灘丁壩、落鍋灘順壩五座整治建筑物為例進行評價模型應用分析，將上述五座航道整治建筑物基本信息匯總如表1。

表1 典型航道整治建筑物整治工程信息匯總Tab.1 Typical waterway regulated improvement project information summary

東溪口磧頭壩原設計為拋石結構，壩頂高程198.88 m，壩頂為平坡，壩長465 m，壩身頂部寬度3 m，近年東溪口河段總體河勢較為穩定，灘段航道條件較好。落鍋灘丁壩為拋石壩體和砼壩面結構，壩根高程245.85 m，壩頭高程為245.81 m，壩長47.0 m，壩身頂部寬度3 m。落鍋灘順壩為拋石壩體和砼壩面結構，壩根高程245.49 m，壩頭高程為245.94 m，壩長564.27 m，壩身頂部寬度3 m。紅燈磧上順壩為全拋石和砼壩面結構；壩根高程237.17m，壩頭高程256.57 m，壩體總長170 m，壩體頂寬3 m。紅燈磧下順壩為全拋石和砼壩面結構，壩根高程236.15 m，壩頭高程234.75 m，壩體長420 m，壩體頂寬3 m。

2 長江上游航道整治建筑物技術狀況評價

2.1 數據來源

(1)通過長江航道局、長江上游水文水資源勘察局等水利部門網站收集相關水情信息、航道公告、維護記錄等資料，并對數據進行分析處理，收集功能類指標數據；(2)通過長江航道局上游整治建筑物的灘段斷面，成圖及壩體斷面圖，收集近年東溪口磧頭壩、落鍋灘丁壩、落鍋灘順壩、紅燈磧上順壩、紅燈磧下順壩的周圍地形數據以及壩體具體參數；(3)通過《長江航道局航道整治建筑物技術狀況分析報告》收集整治建筑物基本信息，如末次基建工程竣工時間、實拍影像、河段近期演變及通航條件等；(4)建立長江上游東溪口秤桿磧、落鍋灘、紅燈磧河段二維水流數學模型，計算收集長江上游東溪口磧頭壩2016年—2020年、落鍋灘丁壩和落鍋灘順壩2016、2017、2020年數據、紅燈磧上順壩和紅燈磧下順壩2017、2018年相關指標數據。

表2 典型航道整治建筑物技術狀況隸屬等級Tab.2 Typical waterway improvement building technical condition affiliation level

2.2 典型航道整治建筑物技術狀況等級評價

結合模糊貝葉斯網絡模型[14]對長江上游典型航道整治建筑物進行技術狀況等級評價，基于整治建筑物結構與功能發揮現狀觀測分析，量化指標概率分布較好符合建筑物客觀特征，進行后續隸屬度等級分析。通過指標標準值量化依據分別對東溪口磧頭壩2016年—2020年數據、落鍋灘丁壩和落鍋灘順壩2016、2017、2020年數據、紅燈磧上順壩和紅燈磧下順壩2017、2018年數據進行分析整理，根據最大隸屬度原則，對長江上游典型航道整治建筑物的技術狀況評價結果進行等級判斷分析，得到整治建筑物各年份的技術狀況隸屬等級，見表2。

從表2可以看出東溪口磧頭壩在近5 a未維修的情況下，2016年技術狀況等級為Ⅰ級，2017年技術狀況發生變化，由Ⅰ級升級為Ⅱ級，并在4 a內沒有進一步損毀擴大的趨勢。落鍋灘丁壩在2016年技術狀況處于Ⅰ級，來年技術狀況急轉而下，隸屬等級Ⅲ級，在2018年進行維修后，2020年技術狀況較好，隸屬等級為Ⅰ級。與落鍋灘丁壩類似，落鍋灘順壩在2016年技術狀況處于Ⅰ級，從概率分布來看在2016年技術狀況處于Ⅰ級與Ⅱ級臨界狀態，2017年技術狀況隸屬等級為Ⅲ級；同樣的，在2018年維修后，2020年建筑物技術狀況恢復較好，隸屬等級Ⅰ級。

紅燈磧上順壩2017年、2018年技術狀況隸屬等級都為Ⅰ級，在2016年按原設計尺寸進行過一次系統維修加固后，整治建筑物整體技術狀況保持較好，能按原設計功能正常發揮在河段內的整治作用。紅燈磧下順壩2017年技術狀況隸屬于Ⅲ級，在2017年—2018年間未采取維修加固時，2018年的技術狀況隸屬等級依舊為Ⅲ級，整個評價結果與工程實際相符。

2.3 典型航道整治建筑物技術狀況量化評價

在計算分析航道整治建筑物技術狀況等級的基礎上，依據貝葉斯網絡計算結果的概率分布，選擇傳統概率論中的數學期望公式，量化評價航道整治建筑物技術狀況數值，直觀體現航道整治建筑物技術狀況的優劣程度，見表3。

表3 典型航道整治建筑物量化技術狀況數值Tab.3 Quantitative technical condition values of typical waterway improvement buildings

根據算例量化技術狀況值計算結果對航道整治建筑物技術狀況量化數值初步提出處理閾值，對于Ⅳ級的處理閾值為50，意味著當量化數值低于50時，整治建筑物出現重大損毀狀況，需要立刻進行展開維修，Ⅲ級的處理閾值為70，量化數值在50～70時，需要找出損毀部位采取措施進行針對性修補，Ⅱ級的處理閾值為80，量化數值在70～80時，需要加強對建筑物特定部位觀測，防止建筑物進一步損毀。

3 典型航道整治建筑物潛在影響因素判斷及維護措施

3.1 診斷推理分析

診斷推理可得到東溪口磧頭2017年—2020年、落鍋灘丁壩和落鍋灘順壩2017年、紅燈磧下順壩2017年和2018年的技術狀況等級降低致因鏈。以落鍋灘丁壩2017年為例，從目標節點出發，由因果推理得知落鍋灘丁壩2017年技術狀況隸屬等級為Ⅲ級，以此為依據，將貝葉斯網絡中的目標節點(技術狀況)在級的概率分布調整為100%，推理得出功能狀況節點等級為Ⅲ級，對應的概率為45%，結構狀況節點等級為Ⅲ級，對應概率為78%，診斷推理結果如圖2。

圖2 落鍋灘丁壩2017年技術狀況診斷推理結果Fig.2 The results of the diagnostic reasoning of the technical condition of the luoguotan groin in 2017

表4 典型航道整治建筑物技術狀況評價敏感度分析Tab.4 Sensitivity analysis of technical condition evaluation of typical waterway improvement buildings

通過診斷分析可以得出，模糊貝葉斯網絡下長江上游航道整治建筑物技術狀況等級降低致因鏈：沖刷坑深度、沖刷坑距壩最小距離、穩定性、結構狀況、技術狀況。同時，長江上游航道整治建筑物技術狀況評價中功能狀況因素重要性排序低于結構狀況因素；在結構狀況因素中對航道整治建筑物技術狀況評價影響最大的是沖刷坑深度與沖刷坑距壩的最小距離；在功能狀況因素方面，主槽淺區航深對航道整治建筑物技術狀況評價影響最大。

3.2 敏感度分析

為確定對整治建筑物技術狀況有重要影響的敏感性因素，采用貝葉斯網絡敏感性推理分析方法得到不同節點互信息測度，見表4。由表中各節點互信息測度數值對比可得，主要敏感因素為主槽淺區航深、航道整治建筑物坡比、壩身水毀體積比，說明這三個因素對航道整治建筑物技術狀況評價會產生較大的影響。

3.3 維護措施

在分析得出影響航道整治建筑物技術狀況降低的重要影響因素后，針對于此提出以下相應的維護管理措施建議：(1)針對沖刷坑發展態勢：加強日常監測，通過連續時間段地形測圖掌握建筑物附近沖刷坑沿壩體橫向發展及沿水深縱向沖深的趨勢；通過相應維修補救措施遏止沖刷坑繼續發展，如回填沖刷坑，利用與沖刷坑大小相匹配的塊石進行填補，防止沖刷坑繼續沖深；(2)針對航道整治建筑物邊坡穩定性：需加強建筑物結構檢測，從增加建筑物材料穩定性和連接力度、角度來保證邊坡穩定性，并且加強監督，制止人為拾取水材，撬取壩體石材等行為導致壩體邊坡發生損毀情況的發生；(3)針對主槽淺區航道條件：通過二維或三維數學模型、物理模型等方式計算多種工況組合下的建筑物附近河道主槽淺區航深表現，掌握分析最不利工況下主槽淺區航深，輔以其他相應航道整治措施如炸礁、疏浚等，一同保障對應區域的航道條件。

4 結論

(1)基于模糊貝葉斯網絡評價模型評價長江上游典型航道整治建筑物技術狀況等級表明，長江上游東溪口磧頭壩在2017年由Ⅰ級變化為Ⅱ級后，至今維持較好；落鍋灘丁壩與落鍋灘順壩類似，2017年由Ⅰ級變化為Ⅲ級后，經過維修，在2020年恢復Ⅰ級；紅燈磧上順壩2017、2018技術狀況保持良好，都為Ⅰ級；紅燈磧下順壩2017、2018技術狀況為Ⅲ級，其結果與長江上游相關維護管理部門對航道整治建筑物歷年評價契合度較高；(2)對長江上游典型航道整治建筑物技術狀況量化分析，各量化技術狀況評價值滿足工程實際狀況，建議對整治建筑物技術狀況量化值為50～70展開相應損毀部位的維修，70～80應加強觀測、巡視；(3)結合診斷推理與敏感度分析結果推斷得到，影響航道整治建筑物技術狀況評價的準則層中結構狀況重要性大于功能狀況；主槽淺區航深、航道整治建筑物坡比、壩身水毀體積比對航道整治建筑物技術狀況評價影響程度較大，日常管理維護應重點關注沖刷坑發展態勢、邊坡穩定性、主槽淺區航道條件。