河堤应急消险工程施工期安全状况评价

(1.徐州市水利建筑设计研究院,江苏 徐州 221000;2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司,江苏 淮安 223005;3.安徽华邦工程设计有限公司,安徽 淮北 235000)

1 前 言

工程施工期安全状况评价是工程安全管理中的重要环节，其相关研究对减少施工事故伤亡与经济损失具有重要的现实意义[1-3]。河堤应急消险工程施工期安全状况主要取决于防洪墙沉降、堤顶道路沉降、临河步道水平位移、防洪墙水平位移等因素。常规的评价方法主要是对各项指标进行监测，并分别进行判断，根据其是否超标来判断工程安全状况。此评价方法主要存在两项不足，一方面其判断过程客观性不强，另一方面所出具的结论综合性较弱。因此，有必要建立一项针对此类工程的施工期安全状况指数[4]，从而定量、综合地反映其安全水平。功效系数法在此方面具有较大的优势，它是多指标、综合分析的定量评价方法，目前广泛应用于服务质量评价、经营水平评价、商业趋势预测等方面[5]；陆华山和缪曹富结合模糊逻辑法[6-8]对该方法进行了改进，提出Fuzzy功效系数法[9]，对传统方法进行去量纲化和同向化，进一步提升了该方法的简易性，并基于该改进方法成功地对不同土质下泥浆泵的施工功效进行了评估。目前，该方法尚未被应用于评价河堤应急消险工程施工期的安全状况中。本文以徐州市铜山区段黄河故道干河工程为例，测量该工程施工期的防洪墙沉降、堤顶道路沉降、临河步道水平位移、防洪墙水平位移等数据，并基于Fuzzy功效系数法对其安全状况进行综合评价，从而为Fuzzy功效系数法在施工期安全状况评价中的应用提供参考，并为类似的安全水平分析工作提供经验。

2 方 法

2.1 工程实例

黄河故道西起河南省兰考东坝头，流经豫、鲁、皖、苏四省，至江苏省滨海县套子口入黄海。徐州市境内黄河故道自丰县二坝至徐洪河全长196.7km，2014年起黄河故道中泓贯通工程实施，其中丁楼闸—西三环段工程是贯通工程中的一个重要节点，也是黄河故道险工段之一。该段干河长3.05km，设计河底高程34.0m，底宽50m左右，边坡1∶2.5～1∶3.0；设计堤顶高程39.5～40.0m，堤顶宽8.0～12.0m。施工方案河道左岸河口保持不动，按1∶3边坡整理，采用混凝土预制块从河底护砌至38.21m高程。为了减少河道右岸开挖量，在满足50m河道底宽的前提下，采用护砌和挡土墙相结合断面，护砌从河底起，按1∶3边坡护至35.80m高程，留5m平台，砌筑2m高混凝土挡墙至滩面。

由于本段河床土质主要为砂性土，抗冲刷能力差，容易被水流淘刷引起岸坡坍塌。现状河槽两侧房屋林立，建筑物众多，公路距河道仅5m左右，一旦发生塌坡，将会造成严重损失，影响社会安定。同时，本段堤防险工段失险也严重威胁区域防洪安全。本工程于2015年2月底开工建设，施工期间为保障区域防洪安全，及时掌握施工期河堤安全性状并结合堤防后期运行管理需要，对该段河堤开展了施工期安全控制设计及监测，并应用Fuzzy功效系数法对其安全状况进行综合评价。本工程于2015年7月底完工，施工期间安全状况良好，未发生不良事件。

2.2 监测方法

监测指标主要包括防洪墙沉降、堤顶道路沉降、临河步道水平位移、防洪墙水平位移四项。垂直位移按国家二等水准测量精度要求进行沉降监测。观测仪器采用DSZ1精密水准仪，配钢标尺进行沉降监测。高程控制测量及首次沉降观测采用往返测或单程双测站观测方式，起测基准点DO3，位于隧道观测井旁，高程8.665m。视线长度小于50m，前后视距差小于1m，视线高度大于0.3m。监测所用仪器为EL302A水准仪，用不锈钢标记做水准测点，期间由于防洪墙顶景观不便破坏，在不方便打入不锈钢标记点的地方粘贴塑料测点。堤顶水平位移依据现场情况，采用视准轴线法和小角法；测定监测点任意方向的水平位移采用控制网法、极坐标法等。临河步道水平位移监测利用测斜仪进行测量；本次测量仪器为GN-103型测斜仪，钻孔后安装塑料测斜管进行测量。

2.3 评价方法

采用陆华山和缪曹富提出的Fuzzy功效系数法[9]对该工程的施工期安全状况进行评价。借鉴闫晓惠等人提出的Fuzzy逻辑法分析步骤[10]，采用MATLAB的Fuzzy逻辑工具箱建立模糊逻辑模型。首先定义各要素的论域与隶属度方程：假设模糊集合为A，则其中某一元素x的隶属度可表示为

μA(x)∈[0,1]

(1)

其模糊集合可表示为

A=(x,μA(x)|x∈X)

(2)

针对本文案例，可分别建立工程施工期的防洪墙沉降、堤顶道路沉降、临河步道水平位移、防洪墙水平位移共4项模糊集合。再确定计算规则并定义输出量，得到基于0和1之间的单个标量。最后进行去模糊化，其计算方程为

(3)

式中x*即为去模糊化结果。此模糊逻辑分析可实现各参数的无量纲化，以方便不同参数之间的比较，当数值趋近于0时，代表安全状况较低，当结果趋近于1时，则代表安全状况较高。针对四个不同的指标分别建立模糊逻辑模型，得到各指标的输出值，称为“单项功效系数”x*；最后采用以下公式计算总功效系数F：

(4)

其中n表示指标个数，w表示权重值，其中权重值可采取绝对平均法或者经验取值法。本文主要包含四项指标，因此n的取值为4；四项指标的重要性基本相同，因此采取绝对平均法对权重值进行取值，均为0.25。

3 结 果

3.1 监测成果

对监测数据进行汇总分析，得到防洪墙沉降、堤顶道路沉降、临河步道水平位移和防洪墙水平位移4项监测指标的变化量过程，典型的累计变化过程线如图1所示；其中横坐标代表时间，纵坐标达标累积位移量，各曲线分别代表不同的测量点。据图可知，各指标在工程初期变化较大，如桩号K0+605.8处的防洪墙沉降在一个月内超过100mm；但变化速率逐渐下降，累积变化率在后期变化幅度较小，说明工程基本趋于稳定。

图1 典型累计变化量过程线

对所有数据进行汇总，得到各项指标的最小值、最大值、中间值、平均值、标准差与变异系数，结果见表1。其中平均值主要代表该工程的整体状况，可以用于评价该工程的综合安全状况；变异系数则主要用于衡量资料中各观测值的变异程度。由表1数据可知，各数据的中间值与平均值较为接近，说明采用平均值来代表整体水平较为合理；临河步道累积水平位移的变异系数较小，说明各测点的局部安全状况与平均值较为接近；而防洪墙累积水平位移的变异系数较大，说明各测点的局部安全状况与整体评价结果相差相对较大。

表1 累计变化量监测数据统计特性

3.2 隶属度方程

采用MATLAB的Fuzzy逻辑工具箱定义各要素的论域，即各指标的常见范围。目前并无统一的范围标准，由《水工挡土墙设计规范》(SL 379—2007)等资料可知，类似工程的允许最大位移量一般不宜超过150mm。因此分别选取该数值的30%、50%和70%作为特征值，分别代表位移“较小”“中等”和“较大”，因此论域范围为45～105mm。采用Fuzzy逻辑工具建立三条输入参数的隶属度方程，其隶属度曲线如图2(a)所示，其中MF1、MF2和MF3分别代表位移“较小”“中等”和“较大”，其对应的特征值分别为45mm、75mm和105mm。由表1数据可知，各指标的平均值均小于105mm，因此不存在“不安全”状况，但各方面的安全程度不完全相同。采用类似方法确定输出参数的隶属度方程曲线，其论域主要介于0与1之间，当结果趋近于0时，代表安全状况较差，接近于1时则代表较好，因此图中MF1、MF2和MF3分别代表位移“基本安全”“中等安全”和“非常安全”，其对应的特征值分别为0、0.5和1。一般情况下可以认为，当输出值介于0至0.3时，该工程状况为“基本安全”；当输出值介于0.3至0.7时，该工程状况为“中等安全”；当输出值介于0.7至1时，该工程状况为“非常安全”。

图2 隶属度方程曲线

3.3 评价结果与讨论

采用MATLAB的Fuzzy逻辑工具箱定义分析规则，规则采用典型的IF-THEN规则，其数学公式的含义为“当位移较小时，安全状况较高”。输入各参数的数值，得到数值对应的隶属度值作为输入参数的隶属度，再根据IF-TEHN规则和式(3)计算输出参数的结果，其分析过程的图形化表达如图3所示。

工程的防洪墙沉降累积平均值为59.6mm，分别绘制输入参数的3条隶属度曲线，并做竖直线x=59.6mm,如图3(a)中左侧图形所示；竖线与隶属度曲线的交点所对应的纵坐标值则代表该数值在相应曲线集合中的隶属度。根据输入值在各条曲线上的隶属度与计算规则，可得到该值在输出参数隶属度曲线中的隶属度，如图3(a)中右侧前3组图形所示；将图形中的阴影面积叠加，并找到图形面积中点，如图3(a)中

图3 安全状况评价示意图与结果

右侧第3幅图形所示，该点所对应的横坐标则为最终的输出值，即0.599。同理可知，该工程施工期的防洪墙沉降、堤顶道路沉降、临河步道水平位移和防洪墙水平位移4项指标的单项功效系数分别为0.599、0.371、0.665和0.489，其安全状况均属于“中等安全”。采取式(4)计算总功效系数F，结果为0.531，同样为“中等安全”。该工程于2017年6月6日完工，安全状况良好，与本文分析结果保持一致。

4 结 论

本文引入Fuzzy功效系数法对河堤应急消险工程施工期安全状况进行评价，并以徐州市铜山区段黄河故道干河(丁楼闸—西三环段)工程为例进行应用。分别监测该工程施工期的防洪墙沉降、堤顶道路沉降、临河步道水平位移和防洪墙水平位移4项指标，建立了模糊逻辑模型，并根据功效系数法得到以上4项指标的功效系数分别为0.599、0.371、0.665和0.489，总功效系数为0.531，因此各项计算结果表明工程安全状况均属于“中等安全”；其总功效系数为0.531，等级为“中等安全”。该方法操作简单、客观性强，且可得到一个明确的综合指数，因此具有较好的推广价值。但是，该方法还存在一定的不足，目前各类位移并无统一的常见范围标准，而该标准的确定对于结果的影响可能较为明显，因此在以后的研究中，应更加注重类似工程案例相关数据的收集整理，从而确定更为合理的论域值，进一步提高该方法的可信度。