混凝土堤防工程健康診斷探討

　　編者按：1998年洪水后，堤防安全問題日益引起社會(huì)各界的關(guān)注。2007年1月，水利部專門成立了堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心。該研究中心在借鑒其他工程領(lǐng)域健康診斷研究的基礎(chǔ)上，提出了堤防工程健康診斷思想，并積極開展了堤防工程健康診斷理論和方法研究。本文針對(duì)堤防工程健康診斷思想進(jìn)行一些探討，希望能起到拋磚引玉的效果，引起國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的共同關(guān)注。

　　堤防工程健康診斷是利用原型診斷、實(shí)體模型和數(shù)值模型診斷來(lái)獲取堤防或單位堤段的基礎(chǔ)診斷資料，通過(guò)對(duì)各種定性或定量基礎(chǔ)診斷資料的分析處理，研究建立健康診斷多層次指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，以此來(lái)綜合診斷單位堤段中已有的或潛在的危險(xiǎn)及其嚴(yán)重程度，并以既定指數(shù)、等級(jí)或概率值等來(lái)定量和定性描述堤防工程的健康狀況，為堤防工程管理和防汛搶險(xiǎn)動(dòng)態(tài)決策提供科學(xué)依據(jù)，其內(nèi)容主要包括堤防工程健康專項(xiàng)診斷技術(shù)、堤防病害分析診斷和堤防健康綜合診斷理論與方法三大方面。

堤防工程健康專項(xiàng)診斷技術(shù)

　　1．原型診斷

　　目前，堤防工程健康專項(xiàng)診斷技術(shù)多以堤防安全監(jiān)測(cè)、堤防隱患探測(cè)及堤防安全檢測(cè)等技術(shù)手段為主，另外還包括人工巡視檢查法等。

　　有關(guān)堤防監(jiān)測(cè)、探測(cè)和檢測(cè)方面的技術(shù)和方法研究現(xiàn)在國(guó)內(nèi)開展得比較多。在堤防監(jiān)測(cè)方面，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括地下水位監(jiān)測(cè)、堤基滲透壓力和滲漏量監(jiān)測(cè)、堤身浸潤(rùn)線和沉降監(jiān)測(cè)、穿堤建筑物與基礎(chǔ)及堤身接觸面的滲漏滲壓監(jiān)測(cè)、建筑物與堤身結(jié)合部位的不均勻沉降監(jiān)測(cè)、建筑物變形監(jiān)測(cè)等；在堤防隱患探測(cè)方面，許多比較先進(jìn)的隱患探測(cè)新技術(shù)被應(yīng)用到工程實(shí)踐中，包括ZDT－I型智能堤壩隱患探測(cè)儀、SD－1瞬變電磁儀、MIR－IC直流數(shù)字電測(cè)儀、分布式高密度電阻率探測(cè)系統(tǒng)、分布式光纖傳感技術(shù)、聚束直流電阻率法以及地質(zhì)雷達(dá)等；而堤防安全檢測(cè)主要是通過(guò)檢測(cè)堤防工程在特殊氣候、異常水情或運(yùn)行狀況嚴(yán)重異常時(shí)可能存在的缺陷、隱患和險(xiǎn)情，來(lái)判斷堤防工程的短期健康狀況，為堤防維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。堤防安全檢測(cè)主要是采用探地雷達(dá)、電阻率成像儀、電磁剖面儀、多波束聲納以及水下鉆孔電視攝像系統(tǒng)等儀器設(shè)備來(lái)進(jìn)行滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及位移場(chǎng)的安全檢測(cè)。

　　2．實(shí)體模型診斷

　　在堤防工程施工、正常運(yùn)行以及防汛等時(shí)期，原型診斷技術(shù)在提防工程健康診斷中積累的大量資料是對(duì)堤防工程健康狀況的真實(shí)反映。但實(shí)際上，目前積累的大量健康診斷圖譜資料因受科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的限制以及測(cè)點(diǎn)數(shù)量及空間分布的制約，只能反映一定條件下堤防健康狀況的變化，缺乏診斷圖譜資料與堤防實(shí)際狀況的對(duì)比研究，因此，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，降低了圖譜資料的可信度和實(shí)用性。實(shí)體模型正好彌補(bǔ)了原型診斷的不足，通過(guò)對(duì)堤防原型的模擬試驗(yàn)，可以為堤防健康診斷提供大量詳細(xì)的模擬觀測(cè)資料和對(duì)比資料。

　　3．?dāng)?shù)值模型診斷

　　通過(guò)實(shí)體模型獲取的堤防觀測(cè)資料雖然在一定程度上彌補(bǔ)了原型診斷的不足，但由于受模型試驗(yàn)手段、比尺關(guān)系、復(fù)雜地質(zhì)條件模擬以及試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等方面的制約，實(shí)體模型僅能為一些典型堤防段提供重要診斷依據(jù)。因此，開展堤防數(shù)值模型分析十分必要。數(shù)值模型分析是堤防健康診斷的前提，其模型的正確性和準(zhǔn)確性直接影響著健康診斷結(jié)果。

堤防病害分析診斷

　　堤防病害是堤防工程本身存在的隱患和汛期堤防發(fā)生險(xiǎn)情的統(tǒng)稱。其中隱患病害主要指埋藏于堤身及堤基內(nèi)的動(dòng)物洞穴、腐朽樹洞、決口的老口門以及堤身裂縫等；險(xiǎn)情病害主要指堤防遭遇洪水期間出現(xiàn)的滲水、管涌、漏洞、崩岸、漫溢等。

　　堤防病害診斷是研究堤身、堤基、穿堤建筑物、水閘工程及護(hù)岸工程病害的發(fā)生及發(fā)展變化規(guī)律的一門技術(shù)。其主要任務(wù)是運(yùn)用專項(xiàng)診斷技術(shù)研究堤防病害的成因、機(jī)理及形態(tài)、特征和動(dòng)態(tài)變化，并研究各種病害的鑒別方法，從而為從根本上防治堤防病害、保障堤防運(yùn)行和管理安全提供理論基礎(chǔ)。

堤防工程健康綜合診斷理論和方法

　　堤防工程健康綜合診斷系統(tǒng)是一個(gè)多項(xiàng)目、多層次的遞階分析系統(tǒng)，其內(nèi)容包括綜合診斷結(jié)構(gòu)體系、健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、診斷指標(biāo)度量方法和綜合診斷方法四個(gè)方面。

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　　1．健康綜合診斷結(jié)構(gòu)體系

　　堤防工程健康綜合診斷結(jié)構(gòu)體系，其診斷指標(biāo)包括底層診斷指標(biāo)和多層中間診斷指標(biāo)。堤防工程的整體健康狀況由堤身、堤基、穿堤建筑物、水閘工程及護(hù)岸工程的健康狀況來(lái)綜合反映，而各部分的健康狀況又可利用健康專項(xiàng)診斷技術(shù)中的幾種或全部進(jìn)行診斷，因此診斷指標(biāo)的擬定主要是從堤防病害分析診斷以及堤防安全監(jiān)測(cè)、檢測(cè)和探測(cè)項(xiàng)目的擬定角度來(lái)綜合考慮的。可設(shè)置堤防健康綜合診斷結(jié)構(gòu)層次如下圖所示。

　　2．健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

　　診斷指標(biāo)是堤防工程健康綜合診斷遞階分析系統(tǒng)的基石，要對(duì)堤防工程的健康狀況進(jìn)行診斷，還必須對(duì)所擬定的診斷指標(biāo)特性的優(yōu)劣狀況做出適當(dāng)評(píng)價(jià)。亦即將堤防工程健康狀況劃分為若干個(gè)可度量的健康等級(jí)，并確定各健康等級(jí)的含義。目前，許多研究學(xué)者傾向于將各層診斷項(xiàng)目的健康狀況劃分為四個(gè)等級(jí)，即健康、亞健康、病變、危情四級(jí)。健康指堤防工程的實(shí)際工況和各種功能達(dá)到了現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)的要求，只需正常的維修養(yǎng)護(hù)即可保證其安全運(yùn)行；亞健康指各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律處于正常狀態(tài)，在設(shè)計(jì)洪水位下，按照常規(guī)的運(yùn)行方式和維護(hù)條件可以保證堤防工程安全；病變指堤防工程的功能和實(shí)際工況不能完全滿足現(xiàn)行的規(guī)程、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)的要求，可能影響堤防工程的正常使用，在汛期險(xiǎn)情數(shù)量較多，需要進(jìn)行安全巡查，確定對(duì)策；危情則指按現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，堤防工程存在危及安全的嚴(yán)重缺陷，汛期運(yùn)行中出現(xiàn)重大險(xiǎn)情的數(shù)量多。

　　對(duì)堤防健康進(jìn)行綜合診斷，其相應(yīng)等級(jí)的健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)除了定性描述外，還需進(jìn)行定量描述，研究擬利用某些相關(guān)集合理論和函數(shù)，給出堤防健康狀況的級(jí)別和各指標(biāo)對(duì)健康狀況影響程度的量化描述，即建立定性和定量指標(biāo)相結(jié)合的健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

　　3．健康綜合診斷指標(biāo)度量方法

　　指標(biāo)的度量方法和賦權(quán)方法有很多，比較常用的度量方法包括數(shù)值計(jì)算、模糊統(tǒng)計(jì)法、專家調(diào)查法和區(qū)間平均法等，賦權(quán)方法則包括層次分析法、主成分分析法、乘積標(biāo)度法等。吳中如院士在混凝土壩健康綜合診斷結(jié)構(gòu)體系指標(biāo)的度量方法研究方面開展了大量的科研工作，值得借鑒。

　　4．健康綜合診斷方法

　　堤防工程健康綜合診斷的難點(diǎn)在于如何運(yùn)用遞歸運(yùn)算方法將多個(gè)診斷指標(biāo)的健康值綜合為能反映研究對(duì)象的健康狀況的健康值。在混凝土壩的健康綜合診斷方法研究中，吳中如院士主要利用物元變換和可拓集合理論，進(jìn)行逐層量化遞歸運(yùn)算，給出混凝土壩整體健康的類別歸屬和性能值，從而對(duì)大壩健康進(jìn)行分析診斷。但對(duì)堤防的健康綜合診斷方法研究還有待進(jìn)一步探討。

　　堤防工程健康診斷涉及的因素眾多，問題復(fù)雜，目前還處于初級(jí)探索階段，有許多研究開發(fā)工作要做。今后，堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心將持續(xù)深入地開展相關(guān)方面的研究和探討，為中國(guó)堤防事業(yè)的健康發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。