基于風險決策分析的水閘除險加固施工技術

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

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

1 基于風險決策分析的水閘施工技術研究

1.1 研究區域概況

黑茨河,潁河支流,流經河南太康、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100km,流域面積1 738km2;安徽境內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害,開挖茨淮新河降低了災害頻次,但災害并未消除。特別是原墻閘以下的545km2區域,受回水影響嚴重。茨淮新河作為主要飲用水源地,供應穩定性不足,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,導致阜陽城區用水緊張。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制閘。工程旨在實現黑茨河與沙潁河的連通,保障飲用水源,增強防洪能力,改善農業灌溉和水生態環境。工程還將設置污染應對措施,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氣候區。降水量年內分布不均,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,凍土發生在11月份至次年3月份,全年凍土日天數約30～40天,最大凍土深度13cm。全年無明顯主風向,平均風速為3.0m/s[7-8]。

1.2 基于風險分析的水閘除險工程模型構建

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

故障樹定性分析的目的是找出故障發生規律和特點,以便找出可行對策。其主要任務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頂層事件所需的基礎事件的最小集合。故障樹的定量分析旨在依據最小割集來推斷頂層事件的出現概率,同時也要解析其內在的不確定性。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,找出哪些基礎事件或割集的改變,能對頂層事件的發生概率造成最大影響。為了實現這一目標,需要對故障樹和其最小割集進行深度的定量分析,評估各個基礎事件和割集對頂層事件的貢獻度,以便為系統改進提供準確的定向指示。

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)為底層事件所對應的第二次中層事件和相應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;n為中間事件所對應的底事件個數[9-10]。

頂事件失效概率計算中,當有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。

基于風險分析的水閘除險工程模型未來預估情景系列生成過程見圖2。

圖2 基于風險分析的水閘除險工程模型未來預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據,分析風險變化趨勢,鑒別并替換不合適風險數據,生成最終風險情境系列。其過程包括風險識別、評估、決策及故障樹分析,有助于預測和管理水閘風險,提出最優除險方案。結構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、減輕局部應力、增加基坑地基沉降糾偏;后者根據裂縫性質,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,改善地基抗滲坡降,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。消能防沖設施破壞采用重新設計設施,軟土地基則采用灌注樁加固。通過采取上述措施,防范事故發生,確保安全生產。

1.3 基于風險決策分析的水閘除險加固施工技術研究

在構建基于風險分析的水閘除險工程模型后,關注點轉向基于決策分析的水閘除險加固施工技術研究。這項研究基于風險分析,目標是優化風險管理決策。通過對現有施工技術進行研究和新技術探索,結合風險評估結果,為水閘除險加固方案的選擇提供科學依據和決策支持。

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

風險決策是從微觀角度對風險進行宏觀分析的過程,識別、估算和評價各種風險處理方案可能帶來的風險結果,并根據評價結果提出可行處理方案。根據規定要求,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。對于已經完成的水閘除險加固工程,需要對其進行持續有效的運營管理和維護,以確保其安全、穩定、經濟和持久的運行。未來預估情景系列生成過程,應充分考慮運營管理維護的因素,如施工環境、設備運輸條件、工期、加固方案費用等,這些因素都是實現水閘除險加固工程長期穩定運行,提高工程效益的重要保障。水閘維修加固狀態評估指標體系見圖3。

圖3 水閘維修加固狀態評估指標體系

由圖3可知,通過構建基于風險分析的水閘除險工程模型預估情景系列,將定性指標分為5個等級,設定對應評價指標標準范圍。某些不恰當的載荷還可能導致水閘混凝土產生裂紋,如在混凝土結構強度還未達到設計標準時,在拆除模具之前就進行加載,此時對混凝土結構非常不利,任何外力都可能導致混凝土產生裂紋。不規范的施工方法也是導致混凝土開裂的一個重要因素。

針對可能發生的滲流破壞型式,通過研究現有施工技術,并探索新的技術方法,如加強防滲處理、優化閘基設計等,以降低可能的風險。對于已經完成的水閘除險加固工程,提出持續有效的運營管理和維護方案,包括定期對水閘進行風險評估和檢修,以保證其穩定運行。考慮到施工環境、設備運輸條件、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依據。在決策過程中,以決策者的目標為依據,根據不同自然狀態下不同方案的損益值,選擇最佳的項目管理方案。這些施工技術和管理措施都為實現水閘除險加固工程的長期穩定運行,提高工程效益提供了重要保障。在不確定條件下,決策分析的目標是作出最佳決策,體現了決策思維的基本特征,即分解、判斷、綜合,易于掌握,也易于應用。

2 基于風險決策分析的水閘除險加固施工技術實際效果分析

黑茨河流域作為本次研究的對象,對基于風險決策分析的水閘除險加固施工技術實際效果進行深入剖析。首先,通過直接查用淮北地區計算辦法成果,得到淮北地區三天設計暴雨成果。結合淮北地區最大三天點暴雨均值,以及《安徽省長短歷時年最大暴雨統計參數等值線圖》的成果,進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,小雨事件的發生概率更大。

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

圖5 閘門維護和加固后的事故發生概率分析

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、技術復雜性和環境等。分析結果表明,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險。其中,方案三修復水閘結構的安全問題,同時拆除并重建交通橋,提升了整體質量。盡管拆除重建的初期成本可能較高,但比起后期養護費用和運行時長,該方案更為經濟高效。因此,研究建議參照方案三進行水閘維修加固,以增強水閘的運行安全性和穩定性。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據進行分析,阜陽閘下實測水位及流量數據見表1。

表1 阜陽閘下實測水位及流量數據

表1為黑茨河口閘1985-2014年的水位和流量數據。其中,最高水位出現在2007和2010年,分別為31.43和31.47m;最大流量出現在2000和2003年,分別為2 690和2 480m3/s,數據揭示了水位和流量的年度差異,特別是在雨季期間,可能達到較高水平。此外,為了保障通航,閘口設計的最低通航水位為26.40m。研究結果對于運行管理維護工作至關重要,有助于預測和應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在不同風險情況下的效果進行分析,結果見圖6。

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

3 結 論

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