中小型混凝土拱坝施工质量风险指标识别及评价指标体系研究

佘春勇，李星林

（1.浙江省水利水电工程质量与安全管理中心，浙江 杭州，310012；2.华东交通大学，江西 南昌，330013）

0 引言

拱坝是一种高次超静定空间壳体结构，具有受力条件好、安全度高的特点。据相关资料，混凝土拱坝的超载能力可达设计载荷的5～11 倍，当外荷载增加或拱坝局部开裂时，坝体应力可以自行调整，只要坝肩稳定、可靠，坝体安全度一般较大[1]。但拱坝因其剖面薄，坝体呈现的几何形状比较复杂，对地质条件、筑坝材料、防渗等要求较其他坝型更为严格。同时，中小型拱坝因施工工期短、施工技术力量相对薄弱等客观因素，在施工过程中容易出现质量问题或质量事故。综合拱坝事故案例、安全鉴定报告及学术文献观点，中小型混凝土拱坝事故主要有失稳溃坝、超量开裂以及剪滑垮坝三种类型。开展中小型拱坝的施工质量风险识别与评价指标体系研究，对中小型拱坝施工质量控制和监管具有重要的指导意义。

为保障中小型混凝土拱坝施工质量风险指标识别的全面性和科学性，采用故障树分析方法，从混凝土拱坝可能出现的施工质量问题反推施工过程中的质量风险。故障树分析用来了解系统失效的原因，并且找到最好的方式降低风险。以拱坝的溃坝和非溃坝事件两类事件作为顶层故障，采用故障树分析方法从不同部位、施工过程逐层细化，从理论上识别质量风险指标。然后，设计调查问卷开展指标完备性的初步调研和指标重要度的德尔菲法调研。在此基础上，构建较为完善的中小型混凝土拱坝施工质量风险评价方法。

1 基于溃坝失稳事故的施工质量风险指标识别

拱坝失稳原因众多，失稳的部位也具有不确定性。钱向东等[2]从工程结构系统稳定的一般概念出发，提出拱坝的稳定是坝体、岩体及其交界面整体的稳定平衡，坝肩岩体滑移及超量压缩、坝基破坏及坝体屈曲是失稳的主要可能形式。史如平[3]通过对拱坝边坡及现场试验、观测研究，结合具体工程分析了拱坝失稳的原因。综合上述观点，拱坝失稳溃坝的主要风险来自坝肩、坝体以及坝基三个部位，与之相关联的施工质量风险指标分析见表1。

表1 拱坝失稳溃坝的施工质量风险指标Table 1 Construction quality risk indexes in arch dam failures

2 基于超量开裂的施工质量风险指标识别

拱坝超量开裂除预留的施工横缝、纵缝不当外，混凝土温控、养护措施不到位也是重要原因。陈胜宏等[4]在开裂单元中引入不连续形函数，建立了一种三维裂缝扩展的不变网格有限元分析方法，运用该方法对二滩拱坝和小湾拱坝在相同工况下进行了对比计算。卢向丽[5]对某拱坝结构进行了静、动力的耦合分析，对大坝的开裂进行了静、动力的线性和非线性分析。田斌等[6]综述了国内外有关拱坝坝踵开裂机理的研究成果，分析了坝踵开裂机理，并探讨了从中应吸取的经验教训。综上，拱坝超量开裂的主要风险有纵横缝设置不当、温度裂缝、周边缝等，与之相关的施工质量风险指标见表2。

表2 拱坝超量开裂的施工质量风险指标分析Table 2 Construction quality risk indexes in arch dam cracking

3 基于剪滑垮坝的施工质量风险指标识别

拱坝剪滑破坏也是拱坝垮坝事故比较常见的情形。陈在铁[7]在分析洪水、地震和材料老化等造成拱坝失效原因的基础上，研究了拱坝单个失效模式与系统失效概率的计算方法，计算了拱坝剪滑失效模式的失效概率。任青文等[8]以计算拱坝剪滑垮坝发生概率为例，研究各失效模式的相关程度及失效概率。综上分析，拱坝出现剪滑垮坝主要为拱坝边坡或坝基滑坡等，与之相关的施工质量风险指标包括：（1）上游面防渗体设置不合理；（2）周围的山体防滑加固处理不合理；（3）库区边坡加固处理措施不到位；（4）坝址基坑处理不当导致滑坡；（5）施工过程中对降雨量、雨量监测不够。

4 施工质量风险评价指标体系构建

4.1 专家甄别

根据上述混凝土拱坝施工质量风险指标识别结果，对前述可能造成拱坝失稳溃坝、超量开裂和剪滑垮坝的施工质量风险指标设计调查问卷，评价指标体系的问卷调查分为两步。第一轮为预调研，目的是保证施工质量风险指标的完备性。为保证问卷的全面性，首轮工程涉及浙江、江苏、贵州、广西等省区的12 个混凝土拱坝，调研对象包括水利工程建设管理部门、建设工程质量监督、项目法人、设计、监理、施工等单位的技术管理人员。第一轮问卷调查结束后，根据现场专业技术人员意见，调整了部分风险指标，删除了“边缝、地缝设置不合理”等设计指标，形成新问卷并进行第二轮问卷调查。第二轮问卷调查采用德尔菲法，邀请了17位从事混凝土坝设计、施工、监理和质量监督方面的专家，采用三轮次匿名打分的方式，逐步形成共识性意见。

根据第二轮问卷调查反馈的专家意见，使用离散系数法进行指标筛选，离散系数计算公式为：

变异系数越大，表明专家对于该指标的分歧越大。为达成专家共识意见，在得到专家打分结果后，课题组通过计算变异系数的方法判断专家打分结果的一致性。课题组对第一次打分结果变异系数大于0.5 的指标向各位专家进行详细的解释，对第二次调查结果变异系数大于0.3的指标进行了解释，最终，三次打分后，结果中所有指标得分变异系数均小于0.3，符合权重确定要求。根据17 位专家的反馈意见，删除了初始指标中“混凝土密实度不够”、“施工过程中的低温荷载导致上游面产生竖向裂缝”和“拱端向岸壁嵌进深度不够导致拱座稳定性不强”等指标。

4.2 基于信息集结算子的AHP权重设计

根据专家问卷调查反馈的结果分析，专家对某些指标的评价差异较大，评分分布较分散，第二轮德尔菲问卷的三次打分后仍无法达成一致。为此，借鉴大规模群体决策的研究方式，构建了基于信息集结算子的AHP 权重计算方法。该方法包括以下四个步骤。

（1）采用标准化方法剔除专家的个人偏好。假设标准化的目标区间为[L，R]，通常为[0，1]区间，原有指标的取值范围为[l，r]，则根据变量物理意义取值，此处为风险指标的评分值，为[0,9]区间。根据等比例映射原理，一个专家对某项指标的评分x映射到标准化区间的值v的计算方法如下：

式中：x为待标准化的评分值；l、r分别为原评分制上下限；R、L为标准化上下限。

（2）采用信息集结算子剔除极端评分并加权计算风险指标的评分。信息集结算子是有效剔除极端意见的工具，常用的算子包括有序加权平均算子（OWA），有序几何平均算子（OWG）等。这类算子的基本步骤是首先对评分按照大小顺序进行有序排列，然后根据专家人数、希望考虑的专家数量等因素，生成一组专家权重序列，然后进行评分的加权计算。计算公式为[9-10]：

式中：α、β分别代表极端偏低和极端偏高评分的控制，低于α排名的评分值权重为零，高于β排名的权重也为零。式中，α,β∈[0,1]，在“多数”、“至一半”、“尽可能多”和“全部平均”原则下，模糊量化算子Q(r)对应的参数(α,β)分别为（0.2，0.8）、（0，0.5）、（0.5，1）、（0，1）。

以8位专家对某项指标的评分为例，专家评分依次为（5，7，4，7，1，7，5，4），按顺序排列后为（7，7，7，5，5，4，4，1）。在考虑“多数”专家意见情况下，分别为（0.2，0.8），根据公式（1），首先计算对应r排序的Q（r）值，其中，r为专家按评分排序的位序，然后求出不同专家的权重。具体计算过程见表3所示。

表3 权重计算过程Table 3 Calculation process of weights

该权重类似于跳水比赛中“去掉一个最高分和一个最低分”的打分方式。加权分值为5.2。由于剔除了极端意见，因此采用算子集结后的分值高于简单平均值4。

（3）建立指标体系评分与问卷题项标准分的映射关系。根据初始风险清单筛选结果，结合问卷题项的标准分值和专家评分，计算最终确定的风险指标分值及平均值。

（4）根据指标体系的标准分数，采用AHP 进行权重计算。

4.3 风险评价指标体系分析

根据中小型混凝土拱坝事故案例分析，事故类型和导致事故的因素往往是复杂的，可能是多种风险因素共同作用的结果。但究其原因，主要有材料质量风险、混凝土施工风险、地基处理风险、结合处处理风险、温度控制风险和其他部位施工风险等五方面。根据上述五方面风险，对第二轮问卷调查反馈意见筛选后的指标进行故障树分析，并按目标层、准则层和指标层建立施工质量风险评价指标体系，如表4所示。

表4 中小型混凝土拱坝施工质量风险评价指标体系Table 4 System of construction quality risk evaluation indexes for small and medium-sized concrete arch dams

4.4 风险评价指标检验分析

根据构建的中小型混凝土拱坝施工质量风险评价指标体系，采用群体层次分析法对某在建小型拱坝工程施工初期风险指标体系进行分析。由于该工程处于基础处理阶段，提取风险指标体系中的材料风险U1、基础处理风险U3、温控风险U5及所包含的风险指标构成评价体系，并根据第二轮德尔菲法的各专家最后评分，重新进行评价指标权重计算分析。

以U1材料风险的计算为例，转化目标区间为[0,1]，17位专家给出的最终重要度得分如图1所示。

图1 材料风险的专家评分结果Fig.1 Experts scores on material risks

对图1所示的专家评分进行降序排序，并根据公式（1）生成专家权重系数，如图2所示。

图2 专家权重Fig.2 Experts weights

根据专家权重加权获得U1的风险得分为4.763，采用相同步骤获得其U3、U5的风险得分，归一化得到U1、U3、U5的权重集A=（0.3332，0.3607，0.3061）。采用相同步骤得到指标Uij的权重集Ai为：A1=（0.28，0.39，0.33），A3=（0.32，0.33，0.35），A5=（0.28，0.41，0.31），均满足一致性检验。

5 结语

中小型混凝土拱坝施工质量风险因素多，类型复杂，既有地质条件、坝型结构等客观因素，也有建筑材料、施工技术、施工方法、施工条件、施工管理等现实情况，难以有效识别和控制。通过文献计量、专家咨询、专家甄别及相关性分析研究，构建中小型拱坝施工质量风险评价指标体系，能够有效识别中小型混凝土拱坝施工质量风险及其存在的问题，该套质量风险识别指标体系已集成至浙江省水利工程建设质量风险管理原型系统中，在平阳顺溪水利枢纽等10多个工程项目上进行了测试和初步应用，指标体系的适用性较高，为施工质量差别化监管提供了指导与帮助。