引水工程安全保障體系研究

沈若寰

（甘肅省水務投資集團有限公司，蘭州 730050）

1 引言

引水工程是線狀構造物，長度可達數十千米，會穿越河流、公路、鐵路等構筑物。同時，引水工程的各建筑物之間不完全獨立，也不完全相關。單個建筑物的失效對整個引水工程系統的影響并不完全相同；單個建筑物安全性高，整個引水工程系統的安全性不一定高。如何實時監控引水工程的工作狀態，并做出正確評價，是保障引水工程安全供水的關鍵工作[1]。因此，進一步研究引水工程的安全保障體系具有重要的工程意義。

2 引水工程的特點及安全評價流程

2.1 引水工程安全評價特點

大量工程實踐表明，引水工程安全評價一般以其監測數據為基礎（滲壓、滲流量、變形、裂縫、應力、內外水壓力等），整合運行管理因素（輸水建筑物與輸水設施的日常巡查、維護管理等）、環境因素（水文、水質等）等構建一個多層次綜合評價體系，既有很強的水利行業特征，又融入了先進的工程管理理念[2]。

2.1.1 評價內容豐富

引水工程由河道、隧洞、管道、倒虹吸管、水閘、泵等建筑物串聯而成，每個建筑物又可劃分為若干個分部分項工程，評價內容較多。為了準確評價引水工程的安全性，需要對每個建筑物建立相應的評價指標，由不同層次的評價指標構成綜合評價體系。

2.1.2 定量指標較難量化

引水工程安全評價體系是一個定量和定性相結合的復雜系統，產生安全隱患可能是因為建筑物正常損耗、外力損壞或人為操作失誤。在評價期間，大多數指標難以定量計算，比如，缺油量多少會影響閘門鋼絲繩的安全性，不能簡單地以數據公式定量計算。此外，同一個建筑物的評價因素較多，如何選擇一個綜合性定量指標來評價其安全性也是技術人員需解決的重要問題。

2.1.3 數據共享性強

引水工程安全評價體系的研究對象并不是只針對某個建筑物，而是涉及水文、水質、災情、險情、輸水調度等各類數據，這些數據之間存在直接或間接的聯系。根據相關研究成果，在建立引水工程安全評價體系時要統一數據類型或存儲格式，建立數據中心，以便于不同專業技術人員之間的溝通交流。

2.2 引水工程安全評價流程

引水工程安全評價過程中首先要遵循國家、地方和部門的有關政策及法規，并堅持“以人為本、實事求是”的基本原則。引水工程的安全評價流程如下：引水工程系統分析→單個建筑物安全評價→輸水安全總體評價。

3 引水工程安全評價指標體系構建

3.1 評價指標選擇原則

為了科學建立引水工程安全評價體系，本文提出以下原則[3]。

1）代表性。引水建筑物安全性影響因素較多，不可能對每一個影響因素都進行評價。選擇評價指標時，要“抓住主要矛盾、忽略次要矛盾”，盡量選擇代表性強的評價指標。對于非關鍵因素，可不選擇，以簡化引水工程的安全性評價過程。

2）相關性。引水工程的安全性評價指標之間要有一定的聯系，以確保評價體系能形成一個有機整體。

3）層次性。引水工程安全評價體系涵蓋內容廣，選擇評價指標時，要將整體分解為若干個層次，由表及里、由粗到細地全面評價引水建筑物安全性。同時，也便于發現問題、解決問題。

3.2 評價指標確定方法

引水工程安全性評價指標確定常用專家咨詢法。本文基于“李克特五級量表”制作了引水工程安全性評價指標調查問卷，向引水工程的設計單位、施工單位、監理單位、業主單位、高等院校等專家發放200 份調查問卷，以獲取引水工程安全性評價指標[4]。

3.3 安全監測指標及巡查內容

3.3.1 水庫大壩

水庫是引水工程中的重要設施，且修建的水庫水壩大部分是土石壩。水庫蓄水后，水流會沿著土石壩的壩身、壩基等位置的孔隙向下滲流。土石壩在動水壓力作用下，容易出現滲漏、裂縫、滑坡等病害。為了保證水庫大壩的安全，建議以變形、壩基揚壓力、滲流量、應力等參數作為監測指標，其中，變形量能綜合反映水庫大壩的整體穩定性，是壩體最重要的監測量；壩基揚壓力與壩體失穩、帷幕衰減密切相關，既是施加于壩基的荷載，又可以反映壩基滲透性能；滲流量會影響水庫大壩的穩定、耐久性，應力會影響水庫大壩的強度、穩定性。

水庫大壩的同一監測量要布置多個監測點，在選擇測點時可參考以下方法：（1）在不同類型的壩段分別取代表性的測點；（2）同一類型壩段中宜選高度大、地質條件復雜的測點；（3）宜選測值變化大的測點作為代表性測點。

3.3.2 水閘

水閘是引水工程中的流量調節設施，主要用于控制上、下游水位，排除泥沙或漂浮物等。對于重要性高的水閘，通常要設置自動監測系統，監測項目有閘室水平位移、閘室豎向位移、底板揚壓力、繞閘滲流等。同時，要結合水閘設計及管理方面的規范和標準，加強水閘的日常巡查，具體巡查內容見表1[5]。

3.3.3 泵站

泵站在引水工程中主要發揮提水、供水、防洪、排澇等功能，由水工建筑物和機電設備兩部分組成，其中水工建筑物包括取水口、引水渠、進水池、泵房等；機電設備包括水力或動力機械設備、一次設備、二次設備、直流設備等。

大量工程實踐表明，泵站病害現象復雜，安全影響因素多，越來越多的項目開始應用計算機自動監控系統來監測泵站的安全性，常用的監測指標有泵站建筑物變形監測、滲流監測、機組結構應力應變和振動監測等。

3.3.4 河道

引水工程中的河道較長，一般不安裝監測儀器，而是通過巡視檢查來保證其安全性，主要巡查內容見表2[6]。

表2 河道安全巡查內容

在開展安全性評價時，要將河道劃分為若干個評價單元，并按順序編號。結合相關研究成果，本文建議將河道斷面特征相同的堤段作為一個評價單元。

4 引水工程安全評價指標權重和評價等級

4.1 評價指標權重計算

本文利用層次分析法（AHP）來確定引水工程各個安全性評價指標的權重，其基本步驟如下：（1）建立層次結構。將引水工程安全性的影響因素劃分成目標層、準則層、指標層和方案層。某一層次的元素會對下一層次的元素起到控制作用，但也受到上一層次元素的約束。（2）構建同層指標的判斷矩陣。構建判斷哪矩陣的目標是確定兩個評價指標的相對重要性，常用1～9 標度法，標度1、標度3、標度5、標度7、標度9 分別表示兩個指標同等重要、前者比后者稍微重要、前者比后者明顯重要、前者比后者強烈重要、前者比后者極端重要。（3）判斷矩陣的一致性檢驗。判斷矩陣構建結束后，要計算其特征向量和最大特征值，開展一致性檢驗。一致性指標CI 值越小，判斷矩陣的一致性越好，計算見式（1）：

式中，λmax為最大特征值；n 為矩陣階數。

4.2 引水工程安全性等級

確定引水工程各層次評價指標的權重后，可采用綜合評分法對引水工程的總體安全性進行評價。引水工程的評分值P 可按式（2）計算：

式中，Pi為第i 個評價指標評分；wi為第i 個評價指標權重。

評價分數越高，表明引水工程的安全性越高。根據評分結果，建議將引水工程安全性劃分為Ⅰ（正常）、Ⅱ（病變）、Ⅲ（險情）3 個等級，對應的評分區間分別為80≤P＜100、60≤P＜80、P＜60。其中，正常狀態是指引水工程各項功能滿足設計要求，無明顯缺陷；病變狀態是指引水工程的某項功能不滿足設計要求或主要監測參數異常，影響工程正常使用；險情狀態是指引水工程存在較大的安全隱患，如不及時采取措施，可能產生嚴重的安全事故。

4.3 實例分析

研究對象為某長距離引水工程，其輸水方式：河水經隧洞、河道到水庫，經暗渠到泵站，開啟自流道輸水。按上文方法對該引水工程中的水庫大壩、水閘、泵站、河道等建筑物進行評價，其權重和評分結果如圖1 所示。

圖1 某引水工程安全評價結果

由圖1 可知，不同建筑物的權重大小關系為：河道＞水庫大壩＞水閘＞泵站。將權重和評分數值代入式（2）可得該引水工程的綜合評分P=90×0.3+85×0.2+80×0.15+75×0.35=82.25 分，屬于正常狀態。

5 結語

本文研究了引水工程的安全評價特點、評價流程及安全評價體系，主要得到了以下幾個結論：

1）引水工程安全評價是基于監測數據，并整合了運行管理因素和環境因素，具有評價內容豐富、定量指標較難量化、數據共享性強等特點；

2）引水工程安全評價指標選擇要基于代表性、相關性、層次性原則，重點關注水庫大壩、水閘、泵站、河道等建筑物；

3）引水工程安全評價指標權重確定可采用層次分析法，同時可將其安全性劃分為Ⅰ（正常）、Ⅱ（病變）、Ⅲ（險情）3 個等級。