饒錫保，丁金華，楊旭輝

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010；2.南水北調(diào)中線干線建設(shè)管理局，北京 100038)

1 研究背景

中國是一個水工程建設(shè)與維護加固并舉、但在投資上以建設(shè)為重點的世界水工程大國。根據(jù)2019年全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報[1]，全國已建成各類水庫98 112座，流量5 m3/s及以上的水閘103 575座，裝機流量1 m3/s或裝機功率50 kW及以上的泵站96 830座，設(shè)計灌溉面積>2 000畝(1畝≈666.67 m2)及以上的灌區(qū)22 844處、總灌溉面積37 663千公頃(1公頃=104m2)，5級以上江河湖堤32.0萬多km。

我國水工程的顯著特點表現(xiàn)為，以各類大、中、型水庫(電站)閘壩為主，水庫大壩中90%以上都是土石壩，且多數(shù)始建于20世紀(jì)60—70年代，“三邊”工程多，特別是小型水庫“四不清”(來水量、流域面積、庫容、壩基地質(zhì)情況不清)現(xiàn)象尤為普遍。這種特點導(dǎo)致這些工程在建造和使用運行的全過程中受地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、時效等各種因素的影響，出現(xiàn)多種病害或險情。水工程發(fā)生病害問題不僅無法滿足預(yù)定的運行標(biāo)準(zhǔn)，降低工程的工作效率，影響其效益的發(fā)揮，且隨著時間的發(fā)展，病害逐漸加重甚至導(dǎo)致失穩(wěn)潰決，又將引發(fā)重大事故或影響生態(tài)環(huán)境和社會環(huán)境安全[2-3]。

近年來國家持續(xù)加大水工程建設(shè)的投入，但受資金不足、隱患探測技術(shù)和修復(fù)技術(shù)等條件的制約，仍有許多工程病害尚未得到及時修補或加固等處理。以堤防為例，至2019年底，5級以上堤防累計達(dá)標(biāo)率71.0%，長度22.7萬km，其中1級、2級達(dá)標(biāo)堤防3.5萬km，達(dá)標(biāo)率81.7%[1]。根據(jù)水利部督查結(jié)果[4]，截至2020年9月底，當(dāng)年內(nèi)檢查的小型水庫6 107座共發(fā)現(xiàn)問題15 025 個，其中嚴(yán)重問題3 318個，175座水庫安全鑒定為三類壩未實施除險加固，存在重大安全隱患的有294座。按照我國水電開發(fā)的規(guī)劃和進(jìn)度，目前我國已逐漸進(jìn)入病害水工程維護與管理的時代。

2020年11月30日，國務(wù)院新聞辦公室舉行病險水庫除險加固國務(wù)院政策例行吹風(fēng)會上明確指出“十四五”期間病險水庫除險加固和運行管護的總體要求，其中包括“合理妥善實施水庫降等報廢，完善退出機制”[5]?？梢?，當(dāng)下加強對病害水工程進(jìn)行除險加固和分類分級修復(fù)，可以最大程度地消除安全隱患，避免更大的損失，使其重新發(fā)揮工程的作用和效益，不僅符合節(jié)約型社會的宗旨，更是環(huán)境友好的最佳選擇，具有十分顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 病害水工程分級修復(fù)理念

20世紀(jì)50年代初期我國即開展了水工程安全管理工作，“基本形成了一套相對可行的安全管理模式和評價模式，實行中央、省、市、縣分級分區(qū)管理”[6]。在工程維護方面，受到經(jīng)費投入的制約和“重建輕管”等思想的影響，往往在工程出現(xiàn)險情后才集中投入人力、物力、資金等進(jìn)行搶險修復(fù)。日常工程維護管理主要局限在水工程本身的安全性維修保護、日常檢查、定期觀測和特殊情況應(yīng)急處理等方面。

水利部和財政部頒布的《水利工程維修養(yǎng)護定額標(biāo)準(zhǔn)(試點)》[7]主要針對水利工程年度日常維修養(yǎng)護制定的定額標(biāo)準(zhǔn)提出了不同類型水利工程的維修養(yǎng)護等級劃分標(biāo)準(zhǔn)和具體維護項目，但該標(biāo)準(zhǔn)明確表示不適用于超常洪水和重大險情造成的工程修復(fù)及工程搶險、水利工程更新改造等[8]?？梢?，在這樣的運作管理模式下，水工程維護要求低、管理粗放、效果不明顯，達(dá)不到病害水工程除險的最終目的——水資源保護和利用的最大化。

從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，病害水工程的維護管理應(yīng)是一個伴隨工程規(guī)劃、設(shè)計、實施到運行全生命周期的系統(tǒng)工程。“健康維護”理念在現(xiàn)代企業(yè)設(shè)備管理模式中應(yīng)用已很普遍，近年來也開始進(jìn)入工程管理領(lǐng)域并被逐漸接受。該理念倡導(dǎo)按照工程建筑物性質(zhì)、運行方式、重要性程度等綜合因素，將傳統(tǒng)的計劃維護方式、狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)、預(yù)知維護技術(shù)以及日常點檢制度有機結(jié)合，確定合理的維護周期和維護項目，有針對性地采取不同維護措施，并通過數(shù)據(jù)的信息化管理，最終實現(xiàn)管理科學(xué)化和現(xiàn)代化。依據(jù)水工程在生命周期的所處階段，健康維護一般可以考慮采取三級進(jìn)行[9]。

(1)一級：預(yù)防水工程病害或病險的發(fā)生，包括基礎(chǔ)固結(jié)灌漿、帷幕灌漿的檢查增補，混凝土結(jié)構(gòu)的防碳化涂刷保護，壩體排水設(shè)施的檢查維護，水庫水位升降調(diào)節(jié)以使水工程荷載處于運行正常水準(zhǔn)等。

(2)二級：水工程在病害未出現(xiàn)明顯癥狀時便加以治理，以預(yù)防進(jìn)一步惡化，包括基礎(chǔ)不均勻沉降觀測及處理、壩體裂縫觀測及修補、動水壓力觀測與控制調(diào)節(jié)、閘壩堤塘等滲透壓力觀測與處理、水流沖刷控制等。

(3)三級：預(yù)防已造成水工程本身缺陷的病害進(jìn)一步惡化與失穩(wěn)潰決。包括滑坡、脫坡、崩岸、基礎(chǔ)滲透破壞等險情的及時處治，混凝土結(jié)構(gòu)的及時加固，地震臺網(wǎng)監(jiān)測與預(yù)報，非工程措施(洪水調(diào)度和蓄滯洪區(qū)預(yù)案)等。

健康維護的三級體現(xiàn)了“預(yù)防為主，防患于未然”的病害水工程維護指導(dǎo)原則，同樣也與當(dāng)下“生態(tài)維護、綠色管理”的理念相契合。劉寧[6]指出：“預(yù)防是最好的治理，水工程的設(shè)計施工和使用均必須重視病害老化的預(yù)防。如果當(dāng)年設(shè)計施工和運行人員對老化病害采用了有效的預(yù)防措施，則某些事故原本是可以避免或延緩的”。可見，對于病害水工程是否應(yīng)進(jìn)行修復(fù)、何時進(jìn)行修復(fù)等問題，應(yīng)結(jié)合工程規(guī)模、病害狀態(tài)、發(fā)生時期等多方面因素，進(jìn)行綜合評價確定。健康維護的重點在于針對不同程度、不同級別的病害分級制定處理措施，分級修復(fù)的核心在于綜合考慮工程維護等級、病害對工程安全運行的危害性等影響因素，從修復(fù)必要性、修復(fù)技術(shù)的可行性、修復(fù)后工程功能恢復(fù)性等多個方面，建立病害水工程分級修復(fù)評估框架，解決“修不修”“何時修”“怎么修”等問題。

最新實施的《渠道防滲襯砌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50600—2020》[10]已初步體現(xiàn)了分類分級修復(fù)的原則和思路。該標(biāo)準(zhǔn)專門對“工程維修養(yǎng)護”進(jìn)行了規(guī)范，指出“維修養(yǎng)護應(yīng)按工程性質(zhì)、技術(shù)復(fù)雜程度和規(guī)模大小，分為養(yǎng)護、小修工程、中修工程和大修工程四類”，對渠道、渠頂及沿線設(shè)施、綠化等不同工程項目分別提出了四類維護工程的不同要求。但是還尚未做到分級修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的量化判斷。

本文以輸水明渠工程為例，闡述其病害分級修復(fù)必要性和修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)。引入病害水工程修復(fù)必要性指數(shù)(Reparation Necessity Index，RNI)，以工程維護等級、病害對工程安全及功能損失的危害程度、修復(fù)技術(shù)可行性、修復(fù)成本、病害發(fā)生時間5個維度為評價指標(biāo)，采用專家判斷和多指標(biāo)綜合評價中的序關(guān)系分析法確定各因素相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，結(jié)合各影響因素的等級劃分，得出修復(fù)必要性指數(shù)，據(jù)此判斷分級修復(fù)等級。

3 明渠工程的分級修復(fù)必要性分析

3.1 分級修復(fù)的影響因素

多指標(biāo)評價中首先需要確定問題所涉及的影響因素，即評價指標(biāo)集。對于工程病害修復(fù)問題，影響因素涉及工程等級、病害類型、嚴(yán)重程度，修復(fù)技術(shù)可行性、經(jīng)濟性等各個環(huán)節(jié)，各因素的不確定性也很突出。本文采用專家判斷法，設(shè)計了專門的專家意見調(diào)查表，就分級修復(fù)必要性、分級修復(fù)影響因素、險情危害性、及修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)等問題分別咨詢了水工程管理、設(shè)計、科研等相關(guān)專家。

絕大部分反饋意見均認(rèn)可有必要實施“分級修復(fù)”，同時對影響分級修復(fù)的因素提出了相應(yīng)意見，綜合整理后歸納為以下幾點：病害危害性、修復(fù)技術(shù)可行性、工程維護等級、修復(fù)成本、修復(fù)效益、生命周期。

考慮到“修復(fù)效益”不僅涉及經(jīng)濟性，同時還包括社會效益，其復(fù)雜性和不確定性更為突出，難以量化。因此本文暫不考慮，將分級修復(fù)評價的影響因素簡化為5方面，即病害危害性、修復(fù)技術(shù)可行性、工程維護等級、修復(fù)成本和病害發(fā)生時間。

3.1.1 病害危害性

常見的渠道病險包括，渠道沉陷、裂縫、滲透破壞、渠堤滑坡、防滲體系破壞、襯砌質(zhì)量缺陷或破損等，不同病害對渠道正常運行和輸水功能發(fā)揮的影響程度不同。相應(yīng)的養(yǎng)護維修重點在于確保渠道工程完整的前提下，克服渠道運行中的重點病害，以及特殊工況下的漫溢、潰決等嚴(yán)重事故，保障渠道可持續(xù)正常輸水。修復(fù)的必要性，即“修不修”，需要建立在準(zhǔn)確評估病害或險情對水工程正常運行危害性的基礎(chǔ)上。

根據(jù)渠道病害類型和對渠坡穩(wěn)定性、渠道輸水功能、襯砌防滲體系完整性等的影響程度，將病害危害性劃分為Ⅰ—Ⅳ級(從重到輕)，見表1。

表1 明渠工程病害危害性等級劃分Table 1 Rating standard of hazard level of open channel

3.1.2 工程維護等級

《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)[11]將灌溉工程中的渠道和渠系永久性水工建筑物級別根據(jù)設(shè)計灌溉流量劃分為5個等級，見表2?！端こ叹S修養(yǎng)護定額標(biāo)準(zhǔn)(試點)》[7]中將灌區(qū)工程的維修養(yǎng)護等級按照設(shè)計過水流量分為八級，見表3。

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

表3 灌區(qū)工程維修養(yǎng)護等級劃分[7]Table 3 Classification of maintenance of irrigationproject[7]

國內(nèi)灌溉渠道相對集中在大型灌區(qū)內(nèi)，據(jù)統(tǒng)計[12]，全國456個大型灌區(qū)共有灌溉渠道38.38萬條，渠道長度51.95萬km，占全國的45.2%，襯砌長度14.72萬km，占全國的44.6%；設(shè)計流量為1 m3/s及以上的灌溉渠道共計2.37萬條，長度14.77萬km，襯砌長度6.09萬km，分別占大型灌區(qū)的6.2%、28.4%和41.3%，渠道長度僅約占全國的13.1%。

綜合考慮表2和表3的分級級別和分級數(shù)，將表3中8個養(yǎng)護等級適當(dāng)進(jìn)行精簡歸并，建議明渠工程的維修養(yǎng)護等級可劃分為Ⅰ—Ⅳ級(從高到低)，見表4。

表4 明渠工程維修養(yǎng)護等級劃分Table 4 Rating standard of maintenance of open channel

3.1.3 修復(fù)技術(shù)可行性

將修復(fù)技術(shù)按技術(shù)成熟度和實施難易度劃分為4級，見表5。

表5 修復(fù)技術(shù)等級劃分Table 5 Rating standard of reparation technology

3.1.4 修復(fù)成本

以目前水利工程維修養(yǎng)護的定額管理模式為基礎(chǔ)，同時考慮修復(fù)技術(shù)的分級依據(jù)，初步將修復(fù)成本劃分為4級，見表6。

表6 修復(fù)成本等級劃分Table 6 Rating standard of reparation costs

3.1.5 病害發(fā)生時間

工程建設(shè)完成后，從運行管理角度出發(fā)，將水工程生命周期劃分為試運行期、運行前期(<合理使用年限50%)、運行后期(>合理使用年限50%)、超役期(超過合理使用年限)4個階段，每個階段工程維護管理的側(cè)重點并不完全相同。

3.2 修復(fù)必要性分析

3.2.1 序關(guān)系分析原理和步驟[13]

定義1：若評價指標(biāo)xi相對于某評價準(zhǔn)則的重要性程度大于xj，記為xi>xj，則稱xi和xj之間建立序關(guān)系“”。

分析步驟如下：

(1)

(2)

rk的具體賦值可通過專家理性判斷來確定，按照不同的重要性分別取>1的系數(shù)。

rk-1>1/rk,k=3,…,n。

(3)

當(dāng)滿足上式時，可以得到

(4)

(5)利用式(4)求得序關(guān)系指標(biāo)集各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，然后再根據(jù)對應(yīng)關(guān)系得到評價指標(biāo)集各指標(biāo)的權(quán)重。

3.2.2 影響因素權(quán)重分析

定義明渠病害修復(fù)的5個影響因素(病害危害性x1、工程維護等級x2、修復(fù)技術(shù)可行性x3、修復(fù)成本x4、病害發(fā)生時間x5)按重要性排序為：病害危害性x1>修復(fù)技術(shù)可行性x2>工程維護等級x3>修復(fù)成本x4>病害發(fā)生時間x5，即序關(guān)系為

x1?x2?x3?x4?x5?

相鄰指標(biāo)之間重要性程度定義為：病害危害性x1極端重要于修復(fù)技術(shù)可行性x2，修復(fù)技術(shù)可行性x2同樣重要于工程維護等級x3，工程維護等級x3明顯重要于修復(fù)成本x4，修復(fù)成本x4稍微重要于病害發(fā)生時間x5。重要性程度的賦值可參見表7[14]。

表7 rk賦值表[14]Table 7 Values of rk[14]

根據(jù)式(2)—式(4)，聯(lián)立求解方程組可得

(5)

即：病害危害性的權(quán)重系數(shù)為0.352，修復(fù)技術(shù)可行性和工程維護等級的權(quán)重系數(shù)均為0.196，修復(fù)成本的權(quán)重系數(shù)為0.140，病害發(fā)生時間的權(quán)重系數(shù)為0.116。

3.2.3 影響因素的等級量化

各影響因素按照其程度或重要性等又分為若干等級，采用等級數(shù)量化方法，將各因素的等級轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值量，以便得出綜合評價分?jǐn)?shù)。

將5個影響要素均劃分為4個等級，分別賦予等級量化分值為4，3，2，1。其中工程維護等級、病害危害性、病害發(fā)生時間3個影響要素相互獨立，可按程度高低賦分值，最嚴(yán)重或程度最高等級其分值為4，依次降低，程度最低等級其分值為1。在工程維護的管理決策中，大多數(shù)情況下，修復(fù)技術(shù)可行性和修復(fù)成本與維修決策呈反向關(guān)系，同時，技術(shù)可行性與成本之間并非相互獨立，而具互相關(guān)性。因此，這2個因素的等級劃分由程度的低級向高級排列，即技術(shù)可行性最小或成本最高的其量化分值最低。具體賦值見表8。

表8 各影響因素的權(quán)重系數(shù)及等級量化分值Table 8 Values of weight coefficient and grade scoreof influencing factors

3.2.4 修復(fù)必要性指數(shù)

定義病害水工程修復(fù)必要性指數(shù)為

(6)

式中：i為評估指標(biāo)個數(shù)，本例中i=1,2,…,5；Qi為第i個評估指標(biāo)的權(quán)重；j為各評估指標(biāo)劃分的等級個數(shù)，本例中j=1,2,3,4；Gj為對應(yīng)第j個等級的量化分值。RNI越大，表示修復(fù)必要性越高。

4 明渠工程分級修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)

初步建議可根據(jù)RNI的大小將修復(fù)必要性劃分為四個等級，以星級表示，見表9。

表9 病害水工程修復(fù)必要性判斷標(biāo)準(zhǔn)Table 9 Criteria of the necessity of graded maintenancefor sick and hazardous water works

對表9補充說明如下：

(1)RNI>3.3時，為三星級★★★，表示必須修復(fù)。

(2)RNI介于2.8～3.3之間時，表示修復(fù)必要性比較顯著，且當(dāng)前修復(fù)技術(shù)已基本達(dá)到可直接應(yīng)用于工程實踐或通過適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)性試驗驗證即可應(yīng)用的程度，為二星級★★，建議修復(fù)。

(3)RNI介于2.0～2.8之間時，表示修復(fù)必要性不顯著，或限于目前的技術(shù)可行性難以實施修復(fù)，為一星級★，可根據(jù)具體情況考慮不修復(fù)或暫緩修復(fù)，待技術(shù)成熟后再行評估。

(4)RNI<2.0時，表示水工程或已達(dá)到其生命周期，或病害危害性很小，修復(fù)已失去工程意義，不修復(fù)。

根據(jù)RNI所得到的各類明渠工程在不同運行階段發(fā)生病害后的修復(fù)必要性評估結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)對于等級較高的明渠，如在試運行期間發(fā)現(xiàn)有病害，即便危害性評級為IV級，也建議及時修復(fù)，以達(dá)到健康維護中“預(yù)防”的目的。但對于某些規(guī)模小，維護等級比較低的明渠，如只發(fā)生襯砌表面局部破損等病害，不危及渠道安全、不影響輸水功能時，可考慮暫不進(jìn)行修復(fù)，以減小過度維護而帶來的管理壓力。同時，對于一些已超期服役，且維護等級較低的水工程，修復(fù)必要性僅為一星級★，意味著對于這類水工程，如發(fā)生病險，可考慮降低其修復(fù)必要性或不修復(fù)，以實現(xiàn)其逐步退役。這與水利部最新制定的“十四五”病險水庫除險加固總體要求中“合理妥善實施水庫降等報廢，完善退出機制”[5]的精神是一致的。

5 結(jié)論與建議

對病害水工程實施分級評估、分級維護，符合健康維護、綠色管理的可持續(xù)發(fā)展理念，有助于提高工程運維管理水平，同時也符合水利“十四五”發(fā)展規(guī)劃綱要要求。

本文針對明渠渠道工程，從病害危害性、工程維護等級、修復(fù)技術(shù)可行性、修復(fù)成本、病害發(fā)生時間5個維度，采用專家判斷和序關(guān)系分析法進(jìn)行了影響因素的權(quán)重分析，并對各影響因素進(jìn)行了等級劃分，得出病害分級修復(fù)必要性指數(shù)，可以據(jù)此對不同等級、不同病害條件下的明渠工程進(jìn)行分級修復(fù)評估。

需要注意的是，本文在修復(fù)必要性分析中只考慮了工程建設(shè)方面的因素，未引入修復(fù)效益等經(jīng)濟社會因素，這些因素更加復(fù)雜，其量化分析是下一步研究的重點問題。