水电站工程实体质量验证性抽查结果的分析评价

常昊天，杨 虎，刘伟宝

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120;2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

中国经济已进入新的发展时期，大力发展水电事业对于优化能源结构、改善生态环境、促进区域经济的协调和可持续发展，具有重要的意义。对水电工程实施全过程监督管理是保障实体质量的重要途径，主要包括施工单位自检、监理单位检查、设计单位质量巡查、建设单位质量监督检查、第三方检测单位质量检测、质监机构实体质量验证性抽查等全过程、多维度的质量监督模式。

实体质量验证性抽查检测工作中，质监机构受能源主管部门委托，秉持独立、客观、公正的原则，以相关法律法规、工程建设有关规章制度和规范性文件、国家及行业有关标准规范为依据，针对涉及工程主体结构安全和主要使用功能的建设实体、工程所需原材料、机电设备等要素进行抽查验证，对重点抽查项目和关键部位(环节)、重要隐蔽工程、质量问题突出或者可能存在质量缺陷的部位，开展实体质量抽查检测，基于获得的抽查验证或抽查检测结果，与相关标准和现场验评资料的分析评价，提出评价意见。

获得水电站实体质量验证性抽查结果后，现阶段的通常做法是仅将其与设计要求进行对比，进而评判抽查结果是否满足设计要求，所得结论虽然简洁，但缺少对抽查结果分布规律的深入解读，更无法对既有验评资料的规律性甚至真实性做进一步的分析评判。为了对工程质量管理、工程实体质量等方面提出更加完善的质量监督意见和建议，本文结合大渡河某水电站工程实体质量验证性抽查检测工作，对现阶段通常做法进行补充和改进，将验证性抽查结果同时与设计要求和现场验评资料进行对比分析，并以箱型图的方式直观展示3者之间的关联性，提出分析评价意见。与使用单一的合格率指标相比，这种方法包含了更加丰富的信息，能够更好地为工程质量监督工作提供技术支持。

1 检测和分析方法

1.1 检测方法和技术要求

大渡河某水电站枢纽工程由砾石土心墙堆石坝、泄洪建筑物、地下引水发电系统等建筑物组成，实体质量验证性抽查现场检测工作包括混凝土试块抗压强度检测、锚杆无损检测、钢筋混凝土结构检测等几部分主要内容，获得混凝土试块抗压强度、锚杆饱满度、保护层厚度、钢筋间距等指标的检测结果，每项抽查检测内容均依照现行相关规范规程开展。

1.2 分析评价方法

箱形图是由美国的统计学家约翰·图基(John Tukey)发明的，它由5个重要的特征值组成：最小值(min)，下四分位数(Q1)，中位数(median)，上四分位数(Q3)，最大值(max)。也可以往箱形图里面加入平均值(mean)。下四分位数、中位数、上四分位数组成一个“带有隔间的箱子”。上四分位数到最大值之间建立一条延伸线，这个延伸线成为“胡须(whisker)”。箱型图的典型特征值释义如图1所示。

图1 箱型图的典型特征值释义

由于现实数据中总是存在各式各样的“离群点”，也称为“异常值”，于是为了不因这些少数的离群数据导致整体特征的偏移，将这些离群点单独绘出，将箱形图中胡须的两级修改成最小观测值与最大观测值。经验表明，最大(最小)观测值设置为与四分位数值间距离为1.5个IQR(中间四分位数极差)，即IQR=Q3-Q1，也就是上四分位数与下四分位数之间的差，图中直观地表现为箱子的长度。

最小观测值为min=Q1-1.5×IQR，如果存在离群点小于最小观测值，则胡须下限为最小观测值，离群点单独绘出。如果没有比最小观测值小的数，则胡须下限为最小值。

最大观测值为max=Q3+1.5×IQR，如果存在离群点大于最大观测值，则胡须上限为最大观测值，离群点单独绘出。如果没有比最大观测值大的数，则胡须上限为最大值。

在分析数据的时候，箱形图能够有效地帮助我们识别数据的特征：首先，同一坐标轴上，几批数据的箱形图并行排列，它们的中位数、尾长、异常值、分布区间等形状信息一目了然；其次，在一批数据中，哪几个数据点出类拔萃，哪些数据点表现不及一般，这些数据点放在同类其它群体中处于什么位置，可以通过比较各箱形图的异常值得出；第三，各批数据的四分位距大小，正常值的分布是集中还是分散，观察各方盒和线段的长短便可明了；最后，每批数据分布的偏态如何，分析中位线和异常值的位置也可估计出来。

2 结果与讨论

2.1 混凝土试块抗压强度抽查

随机抽取进水口及进厂交通洞2个部位各1组混凝土立方体试块，开展抗压强度试验，抽查结果见表1。

由表1可知，抽查结果全部满足设计要求。

表1 某水电站混凝土抗压强度抽查结果

借助箱型图，将进水口与进厂交通洞2个部位的抽查结果与已有统计资料进行对比分析，分别如图2—3所示。由于每个部位抽查数据量少，故抽查结果以散点形式绘出。

图2 进水口混凝土强度抽查结果与统计资料的对比分析

由图2可以得到如下结论：统计资料全部满足设计要求；抽查结果全部满足设计要求。值得注意的是，图2中的箱子之上出现了游离于箱体之外的短横线，这个值被称为为“异常值”。一批数据中的异常值需要引起关注，忽视异常值或者不加剔除地把异常值包进数据的分析过程，会对结果带来不良影响；重视异常值的出现，分析其产生的原因，常常成为发现问题进而改进决策的契机。

如前文所述，箱形图定义异常值的标准为小于最小观测值(Q1-1.5IQR)或大于最大观测值(Q3+1.5IQR)的值。也就是说，进厂交通洞这个部位混凝土抗压强度的统计资料中存在与整体分布偏离较大的值。由此可见，箱形图在识别异常值方面有一定的优越性。

因此，从图2还可进一步地得到：抽查结果落在统计资料最大值和最小值的范围之内；抽查结果未落在统计资料最大观测值与最小观测值之间，这意味着其与统计资料整体分布偏离较大。综上可知，进水口混凝土试块抗压强度抽查结果与统计资料的符合性一般。

同样地，从图3可以得到，进厂交通洞混凝土抗压强度的统计资料全部满足设计要求；抽查结果全部满足设计要求；抽查结果落在统计资料最大值与最小值的范围之内，抽查结果落在统计资料上四分位数与下四分位数之间。综上可知，进厂交通洞混凝土试块抗压强度抽查结果与统计资料的符合性较好。

图3 进厂交通洞混凝土强度抽查结果与统计资料的对比分析

2.2 锚杆无损抽查

采用弹性波反射原理及弹性波在复杂边界的传播、散射、反射和衰减的特性，对坝肩、主厂房、主变室、尾调室、洞式溢洪道、放空洞、深孔泄洪洞和竖井泄洪洞锚杆的质量进行抽查，共抽查46根。限于篇幅，此处仅以主厂房和尾调室锚杆的抽查结果为例，见表2。

由表2可知，主厂房共抽查5根锚杆，其中1根锚杆的注浆饱满度小于设计值，4根锚杆的注浆饱满度满足设计要求；尾调室共抽查6根锚杆，其中1根锚杆的注浆饱满度小于设计值，5根锚杆的注浆饱满度满足设计要求。此外，很难再从表2中直观地得出抽查结果的分布规律。

表2 某水电站注浆饱满度抽查结果

借助箱型图，将主厂房和尾调室这两个部位饱满度的抽查结果与验评资料进行对比分析，分别如图4—5所示。

由图4可以得到：验评资料与设计要求相比，合格率较高；抽查结果与设计要求相比，合格率较高，为80%；抽查结果5个测点全部落在验评资料最大值和最小值范围之内，也全部落在最大观测值和最小观测值之间，这说明抽查数据中没有出现像图2所示的与验评资料整体分布偏离较大的异常值；抽查结果3/5落在验评资料上、下四分位范围之间。综上可知，主厂房锚杆注浆饱满度的抽查结果与该部位验评资料的符合性较好。

图4 主厂房锚杆饱满度抽查结果与验评资料的对比分析

同样地，由图5可以得到：验评资料与设计要求相比，合格率为100%；抽查结果与设计要求相比，合格率较高为83%；抽查结果6个测点中，有5/6落在验评资料最大值和最小值范围之内，仅有1/6落在验评资料最大观测值和最小观测值范围之内，这说明抽查数据有5/6与验评资料整体分布偏离较大；抽查结果未落在验评资料上、下四分位范围之间。综上可知，尾调室锚杆注浆饱满度的抽查结果与该部位验评资料的符合性一般。

图5 尾调室锚杆饱满度抽查结果与验评资料的对比分析

2.3 钢筋混凝土结构抽查

采用电磁感应法和雷达法对进水口栅墩、进水口闸墩、交通洞等3个部位的钢筋混凝土结构进行抽查，获得保护层厚度和钢筋间距检测结果。根据DL/T 5169—2013《水工混凝土钢筋施工规范》钢筋保护层厚度允许偏差为±1/4设计值，钢筋间距允许偏差为±0.1设计值。

限于篇幅，此处仅将进水口闸墩的3个测区共计30个测点的抽查结果分别列于表3—4。

由表3可知，5#尾水洞钢筋保护层厚度共检测100点，合格91点，合格率91%。由表4知，5#尾水洞钢筋间距共检测100点，合格80点，合格率80%。

表3 某水电站进水口闸墩钢筋保护层厚度抽查结果

表4 某水电站进水口闸墩钢筋间距检测结果

同样地借助箱型图，将抽查结果与验评资料进行对比分析，如图6—7所示。由于每个部位抽查数据量较多，已有验评资料和抽查结果均以箱型图的形式展示于图中。需要指出的是，本次抽查是混凝土浇筑后实体检测钢筋保护层厚度与钢筋间距，验评资料为混凝土浇筑前钢筋间距以及钢筋与模板间的保护层厚度。

由图6可以得到：验评资料与设计要求相比，全部合格，总体合格率为100%；抽查结果与设计要求相比，总体合格率为67%，且箱体未出现偏离较大的异常值，整体分布较为集中；2-2号闸墩的抽查结果全部合格，抽查结果四分位箱体基本落在验评资料四分位箱体的范围之内，表明抽查结果与已有验评资料的符合性较好；1-2号闸墩的抽查结果全部合格，抽查结果的四分位箱体与验评资料四分位箱体存在交叉区域，但整体位于验评资料四分位箱体以下，表明抽查结果与已有验评资料的符合性一般；3-1号闸墩的抽查结果全部不合格，抽查结果的四分位箱体整体高于验评资料四分位箱体，且两者之间偏离较大，表明抽查结果与已有验评资料的符合性较弱。

图6 某水电站进水口闸墩保护层厚度抽查结果与验评资料的对比分析

同样地，由图7可以得到：验评资料与设计要求相比，总体合格率较高；抽查结果与设计要求相比，总体合格率较高，且箱体未出现偏离较大的异常值，整体分布较为集中；1-2号闸墩、2-2号闸墩、3-1号闸墩的抽查结果的四分位箱体与各自对应部位的验评资料四分位箱体存在交叉区域，但整体位于验评资料四分位箱体以下，表明这些部位的抽查结果与已有验评资料的符合性一般。

图7 某水电站进水口闸墩钢筋间距抽查结果与验评资料的对比分析

3 结语

在开展水电工程实体质量验证性抽查结果的分析评价工作时，使用基于箱型图的统计分析工具能够更加有效地帮助我们识别数据的特征，判断数据集的数据离散程度和偏向，直观地展示抽查结果与验评资料各自的分布规律以及两者之间的相关性，因此与使用单一的合格率指标相比，包含了更加丰富的信息，从而使政府监管部门能依靠有限的抽检组次获得工程质量行为和质量记录的更全面把握。如果能够建立反映实测数据与验评资料数据离散和偏向的数学表达，将会更加有利于指导工程建设质量的监督工作。