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。本文針對堤防工程健康診斷思想進行一些探討，希望能起到拋磚引玉的效果，引起國內(nèi)外研究學者的共同關(guān)注。

　　堤防工程健康診斷是利用原型診斷、實體模型和數(shù)值模型診斷來獲取堤防或單位堤段的基礎(chǔ)診斷資料，通過對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評價體系，以此來綜合診斷單位堤段中已有的或潛在的危險及其嚴重程度，并以既定指數(shù)、等級或概率值等來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動態(tài)決策提供科學依據(jù)，其內(nèi)容主要包括堤防工程健康專項診斷技術(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。

堤防工程健康專項診斷技術(shù)

　　1．原型診斷

　　目前，堤防工程健康專項診斷技術(shù)多以堤防安全監(jiān)測、堤防隱患探測及堤防安全檢測等技術(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、探測和檢測方面的技術(shù)和方法研究現(xiàn)在國內(nèi)開展得比較多。在堤防監(jiān)測方面，重點監(jiān)測項目主要包括地下水位監(jiān)測、堤基滲透壓力和滲漏量監(jiān)測、堤身浸潤線和沉降監(jiān)測、穿堤建筑物與基礎(chǔ)及堤身接觸面的滲漏滲壓監(jiān)測、建筑物與堤身結(jié)合部位的不均勻沉降監(jiān)測、建筑物變形監(jiān)測等；在堤防隱患探測方面，許多比較先進的隱患探測新技術(shù)被應(yīng)用到工程實踐中，包括ZDT－I型智能堤壩隱患探測儀、SD－1瞬變電磁儀、MIR－IC直流數(shù)字電測儀、分布式高密度電阻率探測系統(tǒng)、分布式光纖傳感技術(shù)、聚束直流電阻率法以及地質(zhì)雷達等；而堤防安全檢測主要是通過檢測堤防工程在特殊氣候、異常水情或運行狀況嚴重異常時可能存在的缺陷、隱患和險情，來判斷堤防工程的短期健康狀況，為堤防維護、維修與管理決策提供依據(jù)和指導。堤防安全檢測主要是采用探地雷達、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)備來進行滲流場、溫度場以及位移場的安全檢測。

　　2．實體模型診斷

　　在堤防工程施工、正常運行以及防汛等時期，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堤防工程健康狀況的真實反映。但實際上，目前積累的大量健康診斷圖譜資料因受科學技術(shù)發(fā)展水平的限制以及測點數(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際狀況的對比研究，因此，在實際運用過程中，降低了圖譜資料的可信度和實用性。實體模型正好彌補了原型診斷的不足，通過對堤防原型的模擬試驗，可以為堤防健康診斷提供大量詳細的模擬觀測資料和對比資料。

　　3．數(shù)值模型診斷

　　通過實體模型獲取的堤防觀測資料雖然在一定程度上彌補了原型診斷的不足，但由于受模型試驗手段、比尺關(guān)系、復雜地質(zhì)條件模擬以及試驗經(jīng)費等方面的制約，實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)的動物洞穴、腐朽樹洞、決口的老口門以及堤身裂縫等；險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)是運用專項診斷技術(shù)研究堤防病害的成因、機理及形態(tài)、特征和動態(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)是一個多項目、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、健康評價標準設(shè)計、診斷指標度量方法和綜合診斷方法四個方面。

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

　　2．健康評價標準

　　診斷指標是堤防工程健康綜合診斷遞階分析系統(tǒng)的基石，要對堤防工程的健康狀況進行診斷，還必須對所擬定的診斷指標特性的優(yōu)劣狀況做出適當評價。亦即將堤防工程健康狀況劃分為若干個可度量的健康等級，并確定各健康等級的含義。目前，許多研究學者傾向于將各層診斷項目的健康狀況劃分為四個等級，即健康、亞健康、病變、危情四級。健康指堤防工程的實際工況和各種功能達到了現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范、標準和設(shè)計的要求，只需正常的維修養(yǎng)護即可保證其安全運行；亞健康指各項監(jiān)測數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律處于正常狀態(tài)，在設(shè)計洪水位下，按照常規(guī)的運行方式和維護條件可以保證堤防工程安全；病變指堤防工程的功能和實際工況不能完全滿足現(xiàn)行的規(guī)程、規(guī)范、標準和設(shè)計的要求，可能影響堤防工程的正常使用，在汛期險情數(shù)量較多，需要進行安全巡查，確定對策；危情則指按現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范、標準和設(shè)計要求，堤防工程存在危及安全的嚴重缺陷，汛期運行中出現(xiàn)重大險情的數(shù)量多。

　　對堤防健康進行綜合診斷，其相應(yīng)等級的健康評價標準除了定性描述外，還需進行定量描述，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別和各指標對健康狀況影響程度的量化描述，即建立定性和定量指標相結(jié)合的健康評價標準。

　　3．健康綜合診斷指標度量方法

　　指標的度量方法和賦權(quán)方法有很多，比較常用的度量方法包括數(shù)值計算、模糊統(tǒng)計法、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在于如何運用遞歸運算方法將多個診斷指標的健康值綜合為能反映研究對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，進行逐層量化遞歸運算，給出混凝土壩整體健康的類別歸屬和性能值，從而對大壩健康進行分析診斷。但對堤防的健康綜合診斷方法研究還有待進一步探討。

　　堤防工程健康診斷涉及的因素眾多，問題復雜，目前還處于初級探索階段，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，為中國堤防事業(yè)的健康發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻。