基于风险决策分析的水闸除险加固施工技术

曹利平

(安徽省阜阳市黑茨河闸管理所,安徽 阜阳 236000)

0 引 言

水闸是水利工程系统的重要组成部分,其稳定性对于防洪、供水以及航运等多个领域至关重要。一旦水闸出现问题,不仅会影响整个工程系统的正常运行,还可能对周边地区的稳定和生态环境造成严重的影响。由于自然环境的变化以及材料的老化等因素,水闸可能会出现各种安全问题。因此,对于水闸的维护和管理尤为重要,需要采取有效措施,及时进行检修和维护,确保水闸的正常运行和安全[1-2]。

为此,将风险决策分析理论与方法应用于水闸除险加固施工技术中,通过科学的风险评估和决策分析,保障施工安全有效。在该过程中,引入概率论、统计学等工具,对风险因素进行量化分析,形成切实可行的施工技术[3-4]。研究的创新性在于将风险决策分析理论融入水闸除险加固施工技术,既能提升施工效率,又能增强施工安全性。同时,风险因素的量化分析可为水闸运行管理维护提供科学依据。研究结果可为水利工程领域的风险决策分析开拓新的应用实例,推进理论和实践的发展。

1 基于风险决策分析的水闸施工技术研究

1.1 研究区域概况

黑茨河,颍河支流,流经河南太康、淮阳、鹿邑、郸城、界首、太和及颍泉,全长185 km,流域面积2 994km2,分布在河南和安徽两省。其中,河南境内100km,流域面积1 738km2;安徽境内85km,流域面积1 256km2[5-6]。流域地处豫皖平原,地势自西北向东南倾斜,河源至省界地面坡降由1:5 000降为1:9 000,省界至茨河铺由1:9 000降为1:18 000。阜阳市黑茨河水系连通工程位置图见图1。

图1 阜阳市黑茨河水系连通工程位置图

由图1可知,黑茨河历史上频繁遭受洪涝灾害,开挖茨淮新河降低了灾害频次,但灾害并未消除。特别是原墙闸以下的545km2区域,受回水影响严重。茨淮新河作为主要饮用水源地,供应稳定性不足,干旱期尤为明显。2015年,黑茨河上游污水污染了茨淮新河水源地,导致阜阳城区用水紧张。为了改善该状况,决定实施黑茨河活水工程,包括疏浚杨沟、许沟,新建杨沟站涵、许沟涵,以及新建黑茨河口节制闸。工程旨在实现黑茨河与沙颍河的连通,保障饮用水源,增强防洪能力,改善农业灌溉和水生态环境。工程还将设置污染应对措施,以确保茨淮新河饮用水源的安全。

黑茨河流域位于我国南北气候过渡地带,属于暖温带半湿润大陆性季风气候区。降水量年内分布不均,6-9月份降水量约占全年的60%,多年平均降水量为934.1mm,最大年降水量为最小值的4倍。多年平均蒸发量约1 614mm。多年平均气温15.3℃,日极端最高气温41.4℃,日极端最低气温-20.4℃。全年无霜期平均216天,冻土发生在11月份至次年3月份,全年冻土日天数约30～40天,最大冻土深度13cm。全年无明显主风向,平均风速为3.0m/s[7-8]。

1.2 基于风险分析的水闸除险工程模型构建

考虑到研究区域内水闸的重要性和复杂性,建立基于风险分析的水闸除险工程模型尤为必要。该模型以水闸的结构稳定性、运行可靠性和环境影响为评价指标,通过对水闸的破坏机理、风险评估和风险管理进行深入研究,以期找出最优的除险方案。模型的构建主要包括风险识别、风险评估和风险决策3个步骤。风险识别是寻找可能导致水闸失效的因素;风险评估是对这些因素的影响进行定量或定性分析;风险决策是在评估结果的基础上,制定出最合适的风险控制措施。

故障树定性分析的目的是找出故障发生规律和特点,以便找出可行对策。其主要任务是计算故障树的最小割集或最小径集,最小割集定义为触发顶层事件所需的基础事件的最小集合。故障树的定量分析旨在依据最小割集来推断顶层事件的出现概率,同时也要解析其内在的不确定性。此外,它还涉及底层事件或割集的重要性计算。该过程将揭示故障树分析的核心,找出哪些基础事件或割集的改变,能对顶层事件的发生概率造成最大影响。为了实现这一目标,需要对故障树和其最小割集进行深度的定量分析,评估各个基础事件和割集对顶层事件的贡献度,以便为系统改进提供准确的定向指示。

底事件失效概率计算中,针对实测的一级中间层失效概率,公式如下:

(1)

式中:p(i,j,k)为底层事件所对应的第二次中层事件和相应的一次中间事件的失败概率;(RI)为事件的失效值;αi为底事件的相对重要性系数;n为中间事件所对应的底事件个数[9-10]。

顶事件失效概率计算中,当有n个相容事件时,积的概率计算公式如下:

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,则相容事件近似独立事件;f1<0.01,i=1,2,…,n,则相容事件近似相似事件。

基于风险分析的水闸除险工程模型未来预估情景系列生成过程见图2。

图2 基于风险分析的水闸除险工程模型未来预估情景系列生成过程

由图2可知,通过实地测量水闸运行数据,分析风险变化趋势,鉴别并替换不合适风险数据,生成最终风险情境系列。其过程包括风险识别、评估、决策及故障树分析,有助于预测和管理水闸风险,提出最优除险方案。结构变形采用闸室地基处理和裂缝处理,前者通过取出部分软土、减轻局部应力、增加基坑地基沉降纠偏;后者根据裂缝性质,灌浆或碳纤维布补强。地基渗漏处理主要通过减小水流渗流梯度,改善地基抗渗坡降,将消力池后护底长8m、护坡10m砂石反滤层拆除翻修,翻修方案可采用水平反滤层,也可采用垂直反滤井。消能防冲设施破坏采用重新设计设施,软土地基则采用灌注桩加固。通过采取上述措施,防范事故发生,确保安全生产。

1.3 基于风险决策分析的水闸除险加固施工技术研究

在构建基于风险分析的水闸除险工程模型后,关注点转向基于决策分析的水闸除险加固施工技术研究。这项研究基于风险分析,目标是优化风险管理决策。通过对现有施工技术进行研究和新技术探索,结合风险评估结果,为水闸除险加固方案的选择提供科学依据和决策支持。

基于风险评估,有针对性地采用先进的施工材料,如土工合成材料。这种材料优于传统人造纤维,优势明显,且在防水性、加固和保护等方面表现出色。通过判断工程风险,可以选择在特定区域应用土工膜,提高防水效果,同时优化施工流程,降低人力物力投入,实现加固效果的最大化。这种以风险决策分析为基础的施工技术,提高了水闸除险加固工程的经济效益和安全性。

风险决策是从微观角度对风险进行宏观分析的过程,识别、估算和评价各种风险处理方案可能带来的风险结果,并根据评价结果提出可行处理方案。根据规定要求,水闸工程的年度运行成本主要包含管理人员的工资和福利支出、水源成本、材料成本、燃料和动力成本、工程维护成本和管理费等。此外,运营管理维护也是重要的一环。对于已经完成的水闸除险加固工程,需要对其进行持续有效的运营管理和维护,以确保其安全、稳定、经济和持久的运行。未来预估情景系列生成过程,应充分考虑运营管理维护的因素,如施工环境、设备运输条件、工期、加固方案费用等,这些因素都是实现水闸除险加固工程长期稳定运行,提高工程效益的重要保障。水闸维修加固状态评估指标体系见图3。

图3 水闸维修加固状态评估指标体系

由图3可知,通过构建基于风险分析的水闸除险工程模型预估情景系列,将定性指标分为5个等级,设定对应评价指标标准范围。某些不恰当的载荷还可能导致水闸混凝土产生裂纹,如在混凝土结构强度还未达到设计标准时,在拆除模具之前就进行加载,此时对混凝土结构非常不利,任何外力都可能导致混凝土产生裂纹。不规范的施工方法也是导致混凝土开裂的一个重要因素。

针对可能发生的渗流破坏型式,通过研究现有施工技术,并探索新的技术方法,如加强防渗处理、优化闸基设计等,以降低可能的风险。对于已经完成的水闸除险加固工程,提出持续有效的运营管理和维护方案,包括定期对水闸进行风险评估和检修,以保证其稳定运行。考虑到施工环境、设备运输条件、工期、加固方案费用等因素,为水闸除险加固方案的选择提供科学依据。在决策过程中,以决策者的目标为依据,根据不同自然状态下不同方案的损益值,选择最佳的项目管理方案。这些施工技术和管理措施都为实现水闸除险加固工程的长期稳定运行,提高工程效益提供了重要保障。在不确定条件下,决策分析的目标是作出最佳决策,体现了决策思维的基本特征,即分解、判断、综合,易于掌握,也易于应用。

2 基于风险决策分析的水闸除险加固施工技术实际效果分析

黑茨河流域作为本次研究的对象,对基于风险决策分析的水闸除险加固施工技术实际效果进行深入剖析。首先,通过直接查用淮北地区计算办法成果,得到淮北地区三天设计暴雨成果。结合淮北地区最大三天点暴雨均值,以及《安徽省长短历时年最大暴雨统计参数等值线图》的成果,进行暴雨成果对比分析。黑茨河流域最大一日面雨量频率曲线图,见图4。

图4 黑茨河流域最大一日面雨量频率曲线图

由图4可知,黑茨河流域最大一日面雨量频率曲线揭示了降水量的下降趋势。当频率从0增至99.3%,降雨量从最高的650mm逐步降至130mm,表明大雨事件在该流域发生的频率较低,小雨事件的频率较高。降水量在频率的中部下降趋势平缓,表明中等雨量事件的频率较稳定。但在频率两极,降水量下降趋势较明显,特别是在高频率区,小雨事件的发生概率更大。

通过对新建中闸进行风险分析,并结合检修、加固工程,对闸门维护、加固后的失效概率进行计算,见图5。

图5 闸门维护和加固后的事故发生概率分析

由图5可知,在水闸维修加固方案的选择上,需要综合考虑多个因素,包括安全性、适用性、耐久性以及施工的可行性、技术复杂性和环境等。分析结果表明,各因素的失效概率在0～0.16之间,表明这些因素对水闸维修加固后效果的影响。

鉴于此,研究提出几种方案以降低风险。其中,方案三修复水闸结构的安全问题,同时拆除并重建交通桥,提升了整体质量。尽管拆除重建的初期成本可能较高,但比起后期养护费用和运行时长,该方案更为经济高效。因此,研究建议参照方案三进行水闸维修加固,以增强水闸的运行安全性和稳定性。由于沙颍河10年一遇水位无法直接查得,因此利用阜阳闸下实测水位及流量数据进行分析,阜阳闸下实测水位及流量数据见表1。

表1 阜阳闸下实测水位及流量数据

表1为黑茨河口闸1985-2014年的水位和流量数据。其中,最高水位出现在2007和2010年,分别为31.43和31.47m;最大流量出现在2000和2003年,分别为2 690和2 480m3/s,数据揭示了水位和流量的年度差异,特别是在雨季期间,可能达到较高水平。此外,为了保障通航,闸口设计的最低通航水位为26.40m。研究结果对于运行管理维护工作至关重要,有助于预测和应对可能的水位和流量变化,确保闸口的安全和有效运行。

针对水闸除险加固施工技术在不同风险情况下的效果进行分析,结果见图6。

图6 不同风险情况下的水闸加固效果

图6(a)、图6(b)、图6(c)分别表示在高、中、低风险情况下的水闸除险加固效果。在较高风险等级下,需采取更严格的加固措施以获得显著效果,而较低风险等级下的加固效果相对较弱。研究结果验证了风险决策分析在水闸加固施工中的有效性,通过选择与风险等级相符的加固方案,可以提升水闸的安全性和稳定性。

3 结 论

水闸除险加固是保障水利设施安全的重要任务。为了提高水闸稳定性,本文运用基于风险决策分析的加固施工技术,考虑了诸多因素,通过对黑茨河口闸1985-2015年水位和流量数据进行研究,揭示了水位和流量年度差异,尤其是雨季可能达到较高水平。结果显示,最大流量出现在2000和2003年,分别为2 690和2 480m3/s。高风险等级下,加固措施更严格,加固效果更显著,可为实际工程提供重要指导。