引大入秦工程隧洞安全評價(jià)研究

靳春玲

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭 州 7 30070）

引大入秦工程隧洞安全評價(jià)研究

靳春玲

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭 州 7 30070）

采用PSR模型，結(jié)合項(xiàng)目調(diào)研成果選取了31個(gè)影響隧洞安全的PSR指標(biāo)，并采用AHP法確定各PSR指標(biāo)的權(quán)重，將引水隧洞的安全狀態(tài)劃分為五個(gè)等級，綜合評價(jià)引水隧洞所處的安全狀態(tài)。最終根據(jù)PSR指標(biāo)相關(guān)分析的結(jié)果，確定影響引水隧洞安全運(yùn)營的五項(xiàng)主要因素。

引大入秦；引水隧洞；PSR模型；AHP；安全評價(jià)

0 引 言

引水工程是世界各國用于解決水資源在時(shí)間上、空間上分布不均的主要措施和手段，缺水問題嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的改善。引水工程是為了滿足生產(chǎn)、生活以及生態(tài)環(huán)境等方面的水需求而興建的。我國在西部干寒少雨地區(qū)投資建設(shè)了大量的引水工程，引大入秦工程就是其中之一，由于地形條件限制，這些地區(qū)的引水工程全線設(shè)計(jì)了許多隧洞，隨著工程的建設(shè)和投入使用，引水隧洞的安全問題也隨之暴露出來[1]。

1 引水隧洞安全評價(jià)理論

1.1 引水隧洞安全評價(jià)的定義

為滿足水電工程各項(xiàng)任務(wù)而在山體中或地下開鑿的過水隧洞統(tǒng)稱水工隧洞，可用于泄洪、灌溉、引水發(fā)電、供水、尾水、放空、排沙、輸水、施工導(dǎo)流和通航等。水流在洞內(nèi)具有自由水面的，稱為無壓隧洞；充滿整個(gè)斷面，使洞壁承受一定水壓力的，稱為有壓隧洞。一般引水發(fā)電型的隧洞是有壓的，灌溉渠道上的隧洞一般是無壓的，跨流域引調(diào)水工程一般都采用無壓隧洞的型式，適用于水面變幅較小、水面全程與空氣保持貫通的區(qū)域。本文的研究對象是針對西部干寒地區(qū)的無壓引水隧洞——引大入秦工程，綜合考慮在其運(yùn)營期間所處的壓力、狀態(tài)、響應(yīng)等方面的指標(biāo)，對引水隧洞的安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評價(jià)[2]。

1.2 引水隧洞安全評價(jià)研究進(jìn)展

目前針對跨流域引水工程安全研究不少，例如司春棣博士提出了引水工程安全保障體系的概念，從安全評價(jià)系統(tǒng)和應(yīng)急系統(tǒng)兩個(gè)層次進(jìn)行研究，并采用模糊多維標(biāo)度法研究定性評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化的問題[3]。胡連興博士研究了長距離引水隧洞群施工仿真問題[4]。夏富洲等對渡槽的安全運(yùn)行進(jìn)行了研究[5]。唐純喜針對長距離輸水工程的可靠度進(jìn)行了研究，在計(jì)算精度和效率方面取得了進(jìn)展[6]。王克忠等應(yīng)用三維物理模型滲透試驗(yàn)對深埋隧洞的滲透機(jī)理進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)制作了高滲透壓下深埋引水隧洞的模型進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M研究[7]。

2 引水隧洞安全評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

2.1 PSR模型的引入

應(yīng)用PSR模型對城市水安全的評價(jià)研究方面取得了一定進(jìn)展，本文通過PSR模型創(chuàng)建指標(biāo)體系對引水隧洞進(jìn)行安全評價(jià)。P（pressure）——壓力,指人類活動(dòng)引起的引水隧洞安全問題的壓力因素，例如供水量不均、季節(jié)性供水、隧洞病害、干旱或洪澇威脅等；S（state）——狀態(tài)，指與引水隧洞安全相關(guān)的環(huán)境等要素當(dāng)前所處的狀態(tài)或表征指標(biāo)，如環(huán)境狀態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)、資源狀態(tài)等；R（response）——響應(yīng)，指人類在社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和政策方面對引水隧洞安全問題的能動(dòng)反映，如政策導(dǎo)向、管理和維修資金的投入與使用等[8]。

2.2 基于PSR的引水隧洞安全評價(jià)指標(biāo)選擇

根據(jù)引大入秦工程隧洞維修施工現(xiàn)場及引大入秦管理局的調(diào)研結(jié)果，結(jié)合多名專家意見，從眾多影響引水隧洞安全運(yùn)行的指標(biāo)當(dāng)中進(jìn)行排序篩選，最終研究確定了PSR指標(biāo)，共選取了10個(gè)要素31個(gè)指標(biāo)，具體要素層和指標(biāo)層的構(gòu)建見表1。

表1 基于PSR模型的引水隧洞安全評價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重

2.3 基于AHP的指標(biāo)權(quán)重確定

采用層次分析法（AHP）確定引水隧洞安全綜合評價(jià)指標(biāo)的權(quán)值。AHP法是指標(biāo)權(quán)重確定的較有效方法，將相互關(guān)聯(lián)的要素按隸屬關(guān)系分層，建立起層次清晰的指標(biāo)結(jié)構(gòu)體系，利用專家調(diào)查訪問所得的意見，給出各層次要素的權(quán)重值。根據(jù)17位專家的問卷調(diào)查結(jié)果，建立準(zhǔn)則層–要素層、要素層–指標(biāo)層判斷矩陣，將數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，最后得出引水隧洞安全評價(jià)指標(biāo)權(quán)重（見表1中的計(jì)算結(jié)果），31個(gè)指標(biāo)權(quán)重值滿分為100分。

3 建立綜合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

將引水隧洞各項(xiàng)安全評價(jià)指標(biāo)量化分級，參考國內(nèi)外近期研究成果，結(jié)合目前引水工程建設(shè)現(xiàn)狀和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，評價(jià)體系選取了31個(gè)指標(biāo)來評判引水隧洞安全狀態(tài)，將引水隧洞安全狀態(tài)劃分為5個(gè)等級。

（1）非常安全。引水隧洞供水均衡、穩(wěn)定，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，隧洞病害發(fā)育遲緩，對供水效率沒有直接影響。

（2）安全。引水隧洞供水比較均衡，能夠滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，隧洞病害有所發(fā)育，但是經(jīng)過必要的維護(hù)保養(yǎng)對供水效率不構(gòu)成嚴(yán)重影響。

（3）基本安全。引水隧洞供水受季節(jié)性需求影響較大，基本滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，隧洞病害發(fā)育明顯，需要斷水進(jìn)行維修和改造方能滿足供水需要。

（4）不安全。引水隧洞供水受各方壓力較大，受結(jié)冰期長等季節(jié)性影響嚴(yán)重，需要嚴(yán)密調(diào)度管理才能基本滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，隧洞病害發(fā)育快速，跑冒滴漏現(xiàn)象較嚴(yán)重，需要斷水進(jìn)行大面積維修和改造方能繼續(xù)投入使用。

（5）極不安全。引水隧洞供水受各方壓力影響非常大，受結(jié)冰期長等季節(jié)性影響極為嚴(yán)重，已經(jīng)不能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，隧洞病害發(fā)育惡化，跑冒滴漏現(xiàn)象非常嚴(yán)重，需要長時(shí)間斷水進(jìn)行大面積維修和改造方能繼續(xù)投入使用。

引水隧洞安全評價(jià)綜合指數(shù)由各個(gè)子指標(biāo)加權(quán)求和獲得，即

式中：xi表示各指標(biāo)的權(quán)重值；yi表示具體項(xiàng)目指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值；i表示選取的31個(gè)指標(biāo)。

將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化出來后S≥85時(shí)引水隧洞安全級別為“非常安全”；75≤S＜85時(shí)引水隧洞安全級別為“安全”；65≤S＜75時(shí)引水隧洞安全級別為“基本安全”；55≤S＜65時(shí)引水隧洞安全級別為“不安全”；S＜55時(shí)引水隧洞安全級別為“極不安全”。

4 應(yīng)用PSR指標(biāo)對引大入秦工程引水隧洞進(jìn)行安全評價(jià)

4.1工程概況

引大入秦工程是我國20世紀(jì)規(guī)模最大的自流引水灌溉工程，被稱為“中國的地下運(yùn)河”。工程于1976年開工建設(shè)，1981年停工至1987年復(fù)工，主體工程于2001年底全面建成并試水運(yùn)行，工程供水能力達(dá)到4.43億m3/a。為了滿足蘭州新區(qū)供水的需求，引大入秦工程于2013年11月中旬全面停水進(jìn)行加固改造，以提升供水能力。

表2 引大入秦工程引水隧洞安全評價(jià)指標(biāo)yi及各指標(biāo)權(quán)重xi值

4.2 引大入秦工程引水隧洞安全綜合評價(jià)

目前，引大入秦工持續(xù)程供水近25 a，考慮引水隧洞的P-S-R各方面指標(biāo)，選擇引大入秦工程管理局的總工、維修設(shè)計(jì)及施工管理人員、在職研究生等7人進(jìn)行項(xiàng)目打分。針對專家的職稱和工作經(jīng)驗(yàn)取權(quán)重，高級職稱取0.6，中級職稱0.2，初級職稱取0.1，在職研究生取0.1。將7位專家打分結(jié)果進(jìn)行綜合后得出引大入秦工程引水隧洞安全評價(jià)指標(biāo)（見表2）。

將評價(jià)指標(biāo)代入公式，計(jì)算得出引大入秦工程引水隧洞安全評價(jià)綜合指數(shù)S。

由于75≤S＜85，說明引大入秦工程引水隧洞的狀態(tài)為“安全”，引水隧洞供水能夠滿足為蘭州新區(qū)供水的需求。隧洞病害雖有所發(fā)育，但是經(jīng)過必要的維護(hù)保養(yǎng)，對供水效率不構(gòu)成嚴(yán)重影響。

5 結(jié) 論

引水工程建設(shè)是我國西部地區(qū)用以緩和或解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要措施，引水隧洞是西部地區(qū)引水工程的一個(gè)典型建筑物類型，針對引水隧洞安全問題的研究具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

（1）基于P-S-R概念的評價(jià)理論廣泛應(yīng)用在環(huán)境、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域，提出將其應(yīng)用到引水隧洞安全評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建上，為建立普遍適用的引水工程安全評價(jià)方法提供了新的思路。

（2）根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，可以得出P-S-R各指標(biāo)之間的關(guān)系。隧洞底板裂縫、水蝕蜂窩麻面是影響引水隧洞安全運(yùn)營的主要因素；人均水資源占有量是保證供水效率前提條件；維修資金的投入與使用是保障系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要措施；側(cè)壁裂縫、滲漏、混凝土剝落是造成隧洞滲漏等安全隱患的關(guān)鍵因素；地質(zhì)條件差，風(fēng)化、滑坡、地表濕陷等是影響引水隧洞正常運(yùn)行的重要不良要素。在對引水隧洞安全維護(hù)工作中可以對這些關(guān)鍵因素重點(diǎn)監(jiān)控，提前采用應(yīng)對措施。如可以通過在隧洞供水期的變形監(jiān)測工作，獲得隧洞底板、側(cè)壁及頂拱支護(hù)系統(tǒng)的變形測量、監(jiān)測支護(hù)位移、涌水量等方面的數(shù)據(jù)，為選擇停水維修時(shí)機(jī)提供最直接的參考，同時(shí)為今后類似氣候環(huán)境區(qū)域規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工引水隧洞提供有效的借鑒。

[1]靳春玲，貢力.基于PSR模型的西部干寒地區(qū)引水明渠安全評價(jià)研究[J].城市道橋與防洪，2015（10）:168-170

[2]靳春玲，貢力.引洮工程中隧洞常見病害分析 [J].人民黃河，2012，34（10）：108-110.

[3]司春棣.引水工程安全保障體系研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[4]胡連興.復(fù)雜長距離引水隧洞群施工全過程仿真優(yōu)化與進(jìn)度控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[5]夏富洲,錢麗云,張軍.大型渡槽結(jié)構(gòu)安全性及評價(jià)指標(biāo)體系的研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2011(8):121-123.

[6]唐純喜.長距離輸水工程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體系可靠度研究 [D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[7]王克忠,李仲奎.深埋長大引水隧洞三維物理模型滲透性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(4):725-731.

[8]靳春玲，貢力.基于PSR模型的城市水安全評價(jià)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，9（5）:104-108.

TV672+.1

A

1009-7716（2017）01-0152-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.044

2016-09-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51541902,51669010）；甘肅省自然基金（1506RJZA082）

靳春玲（1976-），女，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，主要從事水利工程項(xiàng)目管理及水安全研究工作。