明渠工程病险分级修复必要性评价方法

饶锡保，丁金华，杨旭辉

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.南水北调中线干线建设管理局，北京 100038)

1 研究背景

中国是一个水工程建设与维护加固并举、但在投资上以建设为重点的世界水工程大国。根据2019年全国水利发展统计公报[1]，全国已建成各类水库98 112座，流量5 m3/s及以上的水闸103 575座，装机流量1 m3/s或装机功率50 kW及以上的泵站96 830座，设计灌溉面积>2 000亩(1亩≈666.67 m2)及以上的灌区22 844处、总灌溉面积37 663千公顷(1公顷=104m2)，5级以上江河湖堤32.0万多km。

我国水工程的显著特点表现为，以各类大、中、型水库(电站)闸坝为主，水库大坝中90%以上都是土石坝，且多数始建于20世纪60—70年代，“三边”工程多，特别是小型水库“四不清”(来水量、流域面积、库容、坝基地质情况不清)现象尤为普遍。这种特点导致这些工程在建造和使用运行的全过程中受地质、结构、时效等各种因素的影响，出现多种病害或险情。水工程发生病害问题不仅无法满足预定的运行标准，降低工程的工作效率，影响其效益的发挥，且随着时间的发展，病害逐渐加重甚至导致失稳溃决，又将引发重大事故或影响生态环境和社会环境安全[2-3]。

近年来国家持续加大水工程建设的投入，但受资金不足、隐患探测技术和修复技术等条件的制约，仍有许多工程病害尚未得到及时修补或加固等处理。以堤防为例，至2019年底，5级以上堤防累计达标率71.0%，长度22.7万km，其中1级、2级达标堤防3.5万km，达标率81.7%[1]。根据水利部督查结果[4]，截至2020年9月底，当年内检查的小型水库6 107座共发现问题15 025 个，其中严重问题3 318个，175座水库安全鉴定为三类坝未实施除险加固，存在重大安全隐患的有294座。按照我国水电开发的规划和进度，目前我国已逐渐进入病害水工程维护与管理的时代。

2020年11月30日，国务院新闻办公室举行病险水库除险加固国务院政策例行吹风会上明确指出“十四五”期间病险水库除险加固和运行管护的总体要求，其中包括“合理妥善实施水库降等报废，完善退出机制”[5]。可见，当下加强对病害水工程进行除险加固和分类分级修复，可以最大程度地消除安全隐患，避免更大的损失，使其重新发挥工程的作用和效益，不仅符合节约型社会的宗旨，更是环境友好的最佳选择，具有十分显著的社会效益和经济效益。

2 病害水工程分级修复理念

20世纪50年代初期我国即开展了水工程安全管理工作，“基本形成了一套相对可行的安全管理模式和评价模式，实行中央、省、市、县分级分区管理”[6]。在工程维护方面，受到经费投入的制约和“重建轻管”等思想的影响，往往在工程出现险情后才集中投入人力、物力、资金等进行抢险修复。日常工程维护管理主要局限在水工程本身的安全性维修保护、日常检查、定期观测和特殊情况应急处理等方面。

水利部和财政部颁布的《水利工程维修养护定额标准(试点)》[7]主要针对水利工程年度日常维修养护制定的定额标准提出了不同类型水利工程的维修养护等级划分标准和具体维护项目，但该标准明确表示不适用于超常洪水和重大险情造成的工程修复及工程抢险、水利工程更新改造等[8]。可见，在这样的运作管理模式下，水工程维护要求低、管理粗放、效果不明显，达不到病害水工程除险的最终目的——水资源保护和利用的最大化。

从系统论的角度出发，病害水工程的维护管理应是一个伴随工程规划、设计、实施到运行全生命周期的系统工程。“健康维护”理念在现代企业设备管理模式中应用已很普遍，近年来也开始进入工程管理领域并被逐渐接受。该理念倡导按照工程建筑物性质、运行方式、重要性程度等综合因素，将传统的计划维护方式、状态监测技术、预知维护技术以及日常点检制度有机结合，确定合理的维护周期和维护项目，有针对性地采取不同维护措施，并通过数据的信息化管理，最终实现管理科学化和现代化。依据水工程在生命周期的所处阶段，健康维护一般可以考虑采取三级进行[9]。

(1)一级：预防水工程病害或病险的发生，包括基础固结灌浆、帷幕灌浆的检查增补，混凝土结构的防碳化涂刷保护，坝体排水设施的检查维护，水库水位升降调节以使水工程荷载处于运行正常水准等。

(2)二级：水工程在病害未出现明显症状时便加以治理，以预防进一步恶化，包括基础不均匀沉降观测及处理、坝体裂缝观测及修补、动水压力观测与控制调节、闸坝堤塘等渗透压力观测与处理、水流冲刷控制等。

(3)三级：预防已造成水工程本身缺陷的病害进一步恶化与失稳溃决。包括滑坡、脱坡、崩岸、基础渗透破坏等险情的及时处治，混凝土结构的及时加固，地震台网监测与预报，非工程措施(洪水调度和蓄滞洪区预案)等。

健康维护的三级体现了“预防为主，防患于未然”的病害水工程维护指导原则，同样也与当下“生态维护、绿色管理”的理念相契合。刘宁[6]指出：“预防是最好的治理，水工程的设计施工和使用均必须重视病害老化的预防。如果当年设计施工和运行人员对老化病害采用了有效的预防措施，则某些事故原本是可以避免或延缓的”。可见，对于病害水工程是否应进行修复、何时进行修复等问题，应结合工程规模、病害状态、发生时期等多方面因素，进行综合评价确定。健康维护的重点在于针对不同程度、不同级别的病害分级制定处理措施，分级修复的核心在于综合考虑工程维护等级、病害对工程安全运行的危害性等影响因素，从修复必要性、修复技术的可行性、修复后工程功能恢复性等多个方面，建立病害水工程分级修复评估框架，解决“修不修”“何时修”“怎么修”等问题。

最新实施的《渠道防渗衬砌工程技术标准GB/T 50600—2020》[10]已初步体现了分类分级修复的原则和思路。该标准专门对“工程维修养护”进行了规范，指出“维修养护应按工程性质、技术复杂程度和规模大小，分为养护、小修工程、中修工程和大修工程四类”，对渠道、渠顶及沿线设施、绿化等不同工程项目分别提出了四类维护工程的不同要求。但是还尚未做到分级修复标准的量化判断。

本文以输水明渠工程为例，阐述其病害分级修复必要性和修复标准。引入病害水工程修复必要性指数(Reparation Necessity Index，RNI)，以工程维护等级、病害对工程安全及功能损失的危害程度、修复技术可行性、修复成本、病害发生时间5个维度为评价指标，采用专家判断和多指标综合评价中的序关系分析法确定各因素相应的权重系数，结合各影响因素的等级划分，得出修复必要性指数，据此判断分级修复等级。

3 明渠工程的分级修复必要性分析

3.1 分级修复的影响因素

多指标评价中首先需要确定问题所涉及的影响因素，即评价指标集。对于工程病害修复问题，影响因素涉及工程等级、病害类型、严重程度，修复技术可行性、经济性等各个环节，各因素的不确定性也很突出。本文采用专家判断法，设计了专门的专家意见调查表，就分级修复必要性、分级修复影响因素、险情危害性、及修复标准等问题分别咨询了水工程管理、设计、科研等相关专家。

绝大部分反馈意见均认可有必要实施“分级修复”，同时对影响分级修复的因素提出了相应意见，综合整理后归纳为以下几点：病害危害性、修复技术可行性、工程维护等级、修复成本、修复效益、生命周期。

考虑到“修复效益”不仅涉及经济性，同时还包括社会效益，其复杂性和不确定性更为突出，难以量化。因此本文暂不考虑，将分级修复评价的影响因素简化为5方面，即病害危害性、修复技术可行性、工程维护等级、修复成本和病害发生时间。

3.1.1 病害危害性

常见的渠道病险包括，渠道沉陷、裂缝、渗透破坏、渠堤滑坡、防渗体系破坏、衬砌质量缺陷或破损等，不同病害对渠道正常运行和输水功能发挥的影响程度不同。相应的养护维修重点在于确保渠道工程完整的前提下，克服渠道运行中的重点病害，以及特殊工况下的漫溢、溃决等严重事故，保障渠道可持续正常输水。修复的必要性，即“修不修”，需要建立在准确评估病害或险情对水工程正常运行危害性的基础上。

根据渠道病害类型和对渠坡稳定性、渠道输水功能、衬砌防渗体系完整性等的影响程度，将病害危害性划分为Ⅰ—Ⅳ级(从重到轻)，见表1。

表1 明渠工程病害危害性等级划分Table 1 Rating standard of hazard level of open channel

3.1.2 工程维护等级

《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2017)[11]将灌溉工程中的渠道和渠系永久性水工建筑物级别根据设计灌溉流量划分为5个等级，见表2。《水利工程维修养护定额标准(试点)》[7]中将灌区工程的维修养护等级按照设计过水流量分为八级，见表3。

表2 灌溉工程永久性水工建筑物级别[11]Table 2 Rating standard of permanent hydraulicstructures of irrigation project[11]

表3 灌区工程维修养护等级划分[7]Table 3 Classification of maintenance of irrigationproject[7]

国内灌溉渠道相对集中在大型灌区内，据统计[12]，全国456个大型灌区共有灌溉渠道38.38万条，渠道长度51.95万km，占全国的45.2%，衬砌长度14.72万km，占全国的44.6%；设计流量为1 m3/s及以上的灌溉渠道共计2.37万条，长度14.77万km，衬砌长度6.09万km，分别占大型灌区的6.2%、28.4%和41.3%，渠道长度仅约占全国的13.1%。

综合考虑表2和表3的分级级别和分级数，将表3中8个养护等级适当进行精简归并，建议明渠工程的维修养护等级可划分为Ⅰ—Ⅳ级(从高到低)，见表4。

表4 明渠工程维修养护等级划分Table 4 Rating standard of maintenance of open channel

3.1.3 修复技术可行性

将修复技术按技术成熟度和实施难易度划分为4级，见表5。

表5 修复技术等级划分Table 5 Rating standard of reparation technology

3.1.4 修复成本

以目前水利工程维修养护的定额管理模式为基础，同时考虑修复技术的分级依据，初步将修复成本划分为4级，见表6。

表6 修复成本等级划分Table 6 Rating standard of reparation costs

3.1.5 病害发生时间

工程建设完成后，从运行管理角度出发，将水工程生命周期划分为试运行期、运行前期(<合理使用年限50%)、运行后期(>合理使用年限50%)、超役期(超过合理使用年限)4个阶段，每个阶段工程维护管理的侧重点并不完全相同。

3.2 修复必要性分析

3.2.1 序关系分析原理和步骤[13]

定义1：若评价指标xi相对于某评价准则的重要性程度大于xj，记为xi>xj，则称xi和xj之间建立序关系“”。

分析步骤如下：

(1)

(2)

rk的具体赋值可通过专家理性判断来确定，按照不同的重要性分别取>1的系数。

rk-1>1/rk,k=3,…,n。

(3)

当满足上式时，可以得到

(4)

(5)利用式(4)求得序关系指标集各指标的权重系数，然后再根据对应关系得到评价指标集各指标的权重。

3.2.2 影响因素权重分析

定义明渠病害修复的5个影响因素(病害危害性x1、工程维护等级x2、修复技术可行性x3、修复成本x4、病害发生时间x5)按重要性排序为：病害危害性x1>修复技术可行性x2>工程维护等级x3>修复成本x4>病害发生时间x5，即序关系为

x1≻x2≻x3≻x4≻x5⟹

相邻指标之间重要性程度定义为：病害危害性x1极端重要于修复技术可行性x2，修复技术可行性x2同样重要于工程维护等级x3，工程维护等级x3明显重要于修复成本x4，修复成本x4稍微重要于病害发生时间x5。重要性程度的赋值可参见表7[14]。

表7 rk赋值表[14]Table 7 Values of rk[14]

根据式(2)—式(4)，联立求解方程组可得

(5)

即：病害危害性的权重系数为0.352，修复技术可行性和工程维护等级的权重系数均为0.196，修复成本的权重系数为0.140，病害发生时间的权重系数为0.116。

3.2.3 影响因素的等级量化

各影响因素按照其程度或重要性等又分为若干等级，采用等级数量化方法，将各因素的等级转变为数值量，以便得出综合评价分数。

将5个影响要素均划分为4个等级，分别赋予等级量化分值为4，3，2，1。其中工程维护等级、病害危害性、病害发生时间3个影响要素相互独立，可按程度高低赋分值，最严重或程度最高等级其分值为4，依次降低，程度最低等级其分值为1。在工程维护的管理决策中，大多数情况下，修复技术可行性和修复成本与维修决策呈反向关系，同时，技术可行性与成本之间并非相互独立，而具互相关性。因此，这2个因素的等级划分由程度的低级向高级排列，即技术可行性最小或成本最高的其量化分值最低。具体赋值见表8。

表8 各影响因素的权重系数及等级量化分值Table 8 Values of weight coefficient and grade scoreof influencing factors

3.2.4 修复必要性指数

定义病害水工程修复必要性指数为

(6)

式中：i为评估指标个数，本例中i=1,2,…,5；Qi为第i个评估指标的权重；j为各评估指标划分的等级个数，本例中j=1,2,3,4；Gj为对应第j个等级的量化分值。RNI越大，表示修复必要性越高。

4 明渠工程分级修复标准

初步建议可根据RNI的大小将修复必要性划分为四个等级，以星级表示，见表9。

表9 病害水工程修复必要性判断标准Table 9 Criteria of the necessity of graded maintenancefor sick and hazardous water works

对表9补充说明如下：

(1)RNI>3.3时，为三星级★★★，表示必须修复。

(2)RNI介于2.8～3.3之间时，表示修复必要性比较显著，且当前修复技术已基本达到可直接应用于工程实践或通过适当的生产性试验验证即可应用的程度，为二星级★★，建议修复。

(3)RNI介于2.0～2.8之间时，表示修复必要性不显著，或限于目前的技术可行性难以实施修复，为一星级★，可根据具体情况考虑不修复或暂缓修复，待技术成熟后再行评估。

(4)RNI<2.0时，表示水工程或已达到其生命周期，或病害危害性很小，修复已失去工程意义，不修复。

根据RNI所得到的各类明渠工程在不同运行阶段发生病害后的修复必要性评估结果，可以发现对于等级较高的明渠，如在试运行期间发现有病害，即便危害性评级为IV级，也建议及时修复，以达到健康维护中“预防”的目的。但对于某些规模小，维护等级比较低的明渠，如只发生衬砌表面局部破损等病害，不危及渠道安全、不影响输水功能时，可考虑暂不进行修复，以减小过度维护而带来的管理压力。同时，对于一些已超期服役，且维护等级较低的水工程，修复必要性仅为一星级★，意味着对于这类水工程，如发生病险，可考虑降低其修复必要性或不修复，以实现其逐步退役。这与水利部最新制定的“十四五”病险水库除险加固总体要求中“合理妥善实施水库降等报废，完善退出机制”[5]的精神是一致的。

5 结论与建议

对病害水工程实施分级评估、分级维护，符合健康维护、绿色管理的可持续发展理念，有助于提高工程运维管理水平，同时也符合水利“十四五”发展规划纲要要求。

本文针对明渠渠道工程，从病害危害性、工程维护等级、修复技术可行性、修复成本、病害发生时间5个维度，采用专家判断和序关系分析法进行了影响因素的权重分析，并对各影响因素进行了等级划分，得出病害分级修复必要性指数，可以据此对不同等级、不同病害条件下的明渠工程进行分级修复评估。

需要注意的是，本文在修复必要性分析中只考虑了工程建设方面的因素，未引入修复效益等经济社会因素，这些因素更加复杂，其量化分析是下一步研究的重点问题。