靳春玲，貢 力

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

引水工程在我國的建設(shè)和發(fā)展速度較快，由于水資源在時(shí)間上、空間上分布的不均衡性，缺水問題嚴(yán)重制約著缺水地區(qū)經(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工業(yè)生產(chǎn)、人民生活以及生態(tài)環(huán)境等日益增長的水需求而興建的。為了改善西部地區(qū)嚴(yán)重缺水的現(xiàn)狀，我國在西部地區(qū)投資建設(shè)了大批的引調(diào)水工程，明渠作為引水系統(tǒng)中的重要建筑物，對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)和病害規(guī)律的研究具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益[1]。

1 干寒地區(qū)引水明渠病害基本情況

綜合考察甘肅、寧夏、青海等西部省份的引水明渠，其主要特點(diǎn)是地層巖性較復(fù)雜，渠基大部分以第四系各類堆（沉）積物為主，地基的巖土主要有：含漂石砂卵礫石、崩坡積塊石碎石土、坡洪積塊石碎石土、坡積碎石土、洪積粉質(zhì)壤土、洪積砂礫碎石土、風(fēng)積馬蘭黃土、洪積沖洪積離石黃土、沖洪積砂卵礫石、粉質(zhì)壤土、砂碎石、砂礫卵石、黃土狀土、粉質(zhì)壤土等。其中細(xì)粒土渠段易發(fā)生渠道凍脹問題，第四系全新統(tǒng)洪積黃土狀土、粉質(zhì)壤土、馬蘭黃土、洪積粉質(zhì)壤土等具有濕陷性，導(dǎo)致明渠的病害也存在多種形式，例如：梯形明渠段漿砌石勾縫沖刷脫落，渠道凍脹開裂；底板和兩側(cè)渠坡多發(fā)育裂縫、破損；渠段滲漏，部分渠基座于第四系全新統(tǒng)洪積黃土狀土（粉質(zhì)壤土）濕陷性黃土上存在基礎(chǔ)沉陷，原伸縮縫結(jié)構(gòu)破壞；渠道在渠底低洼處、轉(zhuǎn)彎處、流水回旋處有淤積；渠坡鼓脹現(xiàn)象明顯，渠坡塌陷、砌石間勾縫混凝土及渠坡與底板結(jié)合部位松動(dòng)、脫落；混凝土預(yù)制塊破壞，渠道穿越村莊時(shí)存在垃圾入渠問題，渠坡兩側(cè)產(chǎn)生不均勻沉陷，底部混凝土預(yù)制板凍損開裂、沖刷，剝蝕，砂漿勾縫脫落等。

2 引水明渠安全評(píng)價(jià)理論

2.1 引水明渠的定義

引水明渠是按設(shè)計(jì)線路施工的，為農(nóng)田灌溉、工業(yè)及生活輸水用的且具有自由水面的人工水道。明渠按其用途可分為：灌溉渠道、供水渠道、動(dòng)力渠道、通航渠道和排水渠道等，本文以研究供水渠道為主。一個(gè)灌區(qū)內(nèi)的引水明渠，一般分為總干渠、干渠和支渠三級(jí)，用于農(nóng)業(yè)灌溉的渠道又分為干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠四級(jí)，構(gòu)成渠道系統(tǒng)，簡稱渠系。

2.2 引水工程安全評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

目前關(guān)于跨流域引調(diào)水工程安全方面的研究已有不少論述,司春棣博士提出了較為完整的引水工程安全保障體系的概念，從引水工程的安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)和應(yīng)急系統(tǒng)兩個(gè)層次進(jìn)行引水工程安全評(píng)價(jià)的研究，并采用模糊多維標(biāo)度法來研究定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化問題，使該領(lǐng)域的研究向前邁了一大步[2]。顧靖超等進(jìn)行了寧夏灌區(qū)襯砌渠道安全評(píng)價(jià)方面的研究，針對(duì)灌區(qū)渠道水力條件、斷面狀況、襯砌結(jié)構(gòu)和運(yùn)行年限等條件進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算評(píng)價(jià)渠道的安全狀態(tài)[3]。夏富洲等利用層次分析法（AHP）對(duì)渡槽的安全運(yùn)行進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究[4]。唐純喜針對(duì)長距離輸水工程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體系可靠度進(jìn)行了研究，利用支持向量機(jī)(SVM)重構(gòu)結(jié)構(gòu)響應(yīng)面方程，在計(jì)算精度和計(jì)算效率方面取得了一定進(jìn)展[5]。王克忠等應(yīng)用三維物理模型滲透試驗(yàn)對(duì)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，為引水隧洞的防滲設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供了比較可靠的理論依據(jù)[6]。

3 引水明渠安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

3.1 PSR模型的引入

應(yīng)用PSR模型對(duì)城市水安全進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究取得了一定成果，該文通過PSR模型創(chuàng)建指標(biāo)體系進(jìn)行引水明渠安全評(píng)價(jià)，在國內(nèi)外尚屬首創(chuàng)。

P（pressure）為壓力，指由于“條件限制”引起的引水工程病害問題或人類活動(dòng)引起的引水明渠安全問題的壓力因素。如明渠設(shè)計(jì)缺陷、施工質(zhì)量缺陷、季節(jié)性供水、干旱或洪澇威脅、水資源量有限而人均需水量增加（水資源供需比降低）可能導(dǎo)致明渠的超負(fù)荷運(yùn)行等。

S（state）為狀態(tài)，指與引水明渠病害相關(guān)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等要素當(dāng)前所處的狀態(tài)或表征指標(biāo)，描述明渠的使用過程和環(huán)境因素的指標(biāo)因素。如地質(zhì)地形條件、材料本身狀態(tài)或環(huán)境氣候引起材料劣化狀態(tài)、自然災(zāi)害等。

R（response）為響應(yīng)，指人類在社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和政策實(shí)施中對(duì)引水明渠病害問題的能動(dòng)反映，屬于明渠病因中的管理因素。如對(duì)工程薄弱建筑物的修復(fù)、加固或是對(duì)病害的及時(shí)維修，節(jié)水政策，冬季供水等[7]。

3.2 基于PSR的引水明渠安全評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

根據(jù)引大入秦工程明渠維修施工現(xiàn)場(chǎng)及引大入秦管理局的調(diào)研結(jié)果，結(jié)合多名專家意見，從眾多影響引水明渠安全運(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29個(gè)指標(biāo)，具體要素層和指標(biāo)層的構(gòu)建見表1。

3.3 基于AHP的指標(biāo)權(quán)重確定

采用層次分析法（AHP）確定引水明渠安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值。AHP法是安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定的有效方法，它可以將相互關(guān)聯(lián)的要素按隸屬關(guān)系分為若干層次，建立層次清晰的指標(biāo)結(jié)構(gòu)體系，利用數(shù)學(xué)分析方法結(jié)合專家調(diào)查訪問所得的意見，給出各層次要素的相對(duì)重要性權(quán)重值。根據(jù)13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)導(dǎo)入DPS數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行層次單排序計(jì)算，經(jīng)計(jì)算判斷矩陣的隨機(jī)一致性符合要求，最后得出引水明渠安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重見表1中的計(jì)算結(jié)果，29個(gè)指標(biāo)權(quán)重值滿分為100分。

表1 基于PSR模型的引水明渠安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重

4 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

將引水明渠各項(xiàng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)量化分級(jí)，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(píng)價(jià)體系選取了29個(gè)指標(biāo)來評(píng)判引水明渠的安全狀態(tài)，劃分為如下5個(gè)等級(jí)。

（1）非常安全。引水明渠供水均衡、穩(wěn)定，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，明渠病害發(fā)育遲緩，對(duì)供水效率沒有直接影響。

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

（3）基本安全。引水明渠供水受季節(jié)性需求影響較大，基本滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，明渠病害發(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。引水明渠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，明渠病害發(fā)育快速，跑冒滴漏現(xiàn)象較嚴(yán)重，需要斷水進(jìn)行大面積的維修和改造方能繼續(xù)投入使用。

（5）極不安全。引水明渠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，明渠病害發(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)行大面積的維修和改造方能繼續(xù)投入使用。

引水明渠安全評(píng)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29個(gè)指標(biāo)。將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化出來后S≥85時(shí)引水明渠安全級(jí)別為“非常安全”，75≤S﹤85時(shí)引水明渠安全級(jí)別為“安全”，65≤S﹤75時(shí)引水明渠安全級(jí)別為“基本安全”，55≤S﹤65時(shí)引水明渠安全級(jí)別為“不安全”，S﹤55時(shí)引水明渠安全級(jí)別為“極不安全”。

5 應(yīng)用PSR指標(biāo)對(duì)引大入秦工程引水明渠進(jìn)行安全評(píng)價(jià)

5.1 工程概況

引大入秦工程是我國二十世紀(jì)規(guī)模最大的跨雙流域調(diào)水自流灌溉工程，被稱為“中國的地下運(yùn)河”。工程于1976年開始開工建設(shè)，1981年停緩建，直至1987年復(fù)工，主體工程于2001年底全面建成并通水運(yùn)行，工程引水能力達(dá)到設(shè)計(jì)年引水量4.43億m3。隨著蘭州新區(qū)的發(fā)展建設(shè)被正式提上日程，引大入秦工程被賦予了新的使命——為蘭州新區(qū)供水。2013年11月中旬，引大入秦工程全面停水進(jìn)行加固改造，以滿足提升供水能力的要求。課題組以此次停水為契機(jī)，下到引水明渠實(shí)地考察病害情況，主要存在的問題包括渠道干裂滲漏、基礎(chǔ)不均勻沉陷、凍融破壞、襯砌脫落滑塌、水流沖蝕磨損等。該工程近二十年的實(shí)踐證明，工程的建設(shè)和運(yùn)行取得了顯著成效，歷史性的改變了灌區(qū)農(nóng)民的生產(chǎn)條件，改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，提高了灌區(qū)農(nóng)民的生活水平，水資源供給有了基本保障，為秦王川地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

5.2 引大入秦工程引水明渠安全綜合評(píng)價(jià)

針對(duì)引大入秦工程運(yùn)營20年的實(shí)際情況，考慮引水明渠的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5名進(jìn)行項(xiàng)目打分，針對(duì)專家的職稱和工作經(jīng)驗(yàn)取權(quán)重，高級(jí)職稱取0.5，中級(jí)職稱取0.3，初級(jí)職稱取0.2，將5位專家打分結(jié)果進(jìn)行綜合后得出引大入秦工程引水明渠安全評(píng)價(jià)指標(biāo)見表2。

將打分結(jié)果代入公式，計(jì)算得出引大入秦工程引水明渠安全評(píng)價(jià)綜合指數(shù)S，由于yi中的每一項(xiàng)都是以100分為滿分進(jìn)行打分，所以最終S值應(yīng)除以100。

由于75≤S﹤85，說明引大入秦工程引水明渠的狀態(tài)為“基本安全”，引水明渠供水受季節(jié)性需求影響較大，基本滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，明渠病害發(fā)育明顯，尤其是增加了為蘭州新區(qū)供水的需求之后，加大了明渠的供水壓力，需要斷水進(jìn)行維修和改造方能滿足供水需要。

6 結(jié)語

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，引水明渠是西部地區(qū)引水工程的一個(gè)典型建筑物類型，針對(duì)引水明渠安全問題的研究具有很高的應(yīng)用價(jià)值。本文首次應(yīng)用PSR模型對(duì)引水明渠的安全運(yùn)營情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)研究，將引水明渠的安全狀態(tài)劃分為五個(gè)等級(jí)，得出了影響明渠安全運(yùn)營的關(guān)鍵因素，在對(duì)引水明渠安全維護(hù)工作中可以對(duì)這些關(guān)鍵因素重點(diǎn)監(jiān)控，提前采用應(yīng)對(duì)措施。例如加強(qiáng)冬期供水管理，在結(jié)冰期前采取措施錯(cuò)峰供水直至停水維修，將明渠側(cè)壁裂縫、混凝土剝落、滑坡、塌陷等部位進(jìn)行集中修復(fù)，提高供水效率，同時(shí)也為今后類似氣候環(huán)境區(qū)域規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工引水明渠提供有效的借鑒。

表2 引大入秦工程引水明渠安全評(píng)價(jià)指標(biāo)專家打分結(jié)果yi及各指標(biāo)權(quán)重xi值

[1]靳春玲，貢力.引洮工程中明渠常見病害分析[J].人民黃河，2012，34（10）：108-110.

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[3]顧靖超，陸立國，孫淑華.寧夏灌區(qū)襯砌渠道安全評(píng)價(jià)研究[J].水利水電技術(shù)，2013，44（1）：117-120.

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

[5]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.

[6]王克忠,李仲奎.深埋長大引水明渠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.

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