灌区水闸工程建设期危险源识别及风险评价研究

2022-11-28杨子照张继勋

人民黄河 2022年11期

马强，张辉，杨子照，张继勋

（1.河南省赵口引黄灌区二期工程建设管理局，河南开封 475000；2.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098）

随着粮食需求的日益增长，许多老旧的灌溉设施已经无法满足新的灌溉需求，急需进行升级改造。灌区改扩建工程完成之后对于提升区域内水资源配置的能力、促进区域经济的协调发展、保障农业高质量发展具有重要意义。

大型灌区改扩建工程涉及的建筑物种类较多。作为灌溉体系当中的骨干建筑物之一，水闸具有建设规模大、施工复杂、受地形地质条件影响大等特点，其在建设期的危险源不容忽视。目前，国内外对于工程领域中危险源及施工风险的研究已经取得了非常多的成果。潘俊锋等［1］提出了冲击地压危险源层次化识别理论并建立了应用模型；王胜楠［2］采用工作分解结构和模糊层次综合法等对地铁盾构施工风险进行识别和评估；Pan等［3］研究了地铁盾构施工中的风险耦合作用，对分析和控制主要风险因素、降低事故发生概率具有很好的指导意义；贾培［4］采用案例推理理论和RBF神经网络，对水闸工程施工过程进行安全分析并建立了危险预警体系；吴丽燕［5］采用项目风险管理理论与层次分析法相融合的方法，研究施工过程中众多风险因素对项目质量、进度、成本、安全的影响，并建立了风险评价模型。然而，现今对于水闸、渠道、倒虹吸、渡槽等灌区常见建筑物建设期的危险源识别和风险评价的研究依旧非常少。在这些研究中，大多数是对施工中某一项具体的危险源进行的或从项目管理的角度入手，且主要关注的是施工作业人员安全、施工进度和项目资金安全等。

本文针对赵口引黄灌区二期工程水闸建设期自身的质量安全问题，基于工作分解结构法进行危险源识别、采用专家打分进行风险量化、运用层次分析法构建风险评价模型，提出“综合安全评分”来体现风险的大小，根据分析计算结果给出有针对性的风险防控措施。

1 工程概况

赵口引黄灌区二期工程位于原赵口引黄灌区东部，是赵口引黄灌区的重要组成部分。工程区属黄河冲积平原，大地形平坦，受河流切割影响，微地形起伏较大，具有明显的岗、坡、平、洼相间地貌。局部地区分布有风成沙丘，这些地区是黄河历次决口泛滥的主流地带，沉积了颗粒细微又无黏结力的中细砂、粉细砂，后经风力分选搬运堆积形成大小不等的片状或带状沙丘沙垄，相对高差5～8 m，少数达10 m，经植树造林大部分沙丘处于固定或半固定状态。地势西北高、东南低，西北地面平均高程约80.0 m、东南地面平均高程约40.0 m，地面坡降为1／8 000～1／3 000。灌区设计灌溉面积1 470.8 km2、总土地面积2 174.0 km2，涉及郑州、开封、周口和商丘4个地市，属于大型灌区。工程区地层由第四系全新统粉质壤土和粉细砂组成，地质结构属黏砂双层结构或黏砂多层结构，结构松散—稍密，主要存在砂土地震液化、软弱地基、施工降排水、冲刷和边坡稳定等问题。

2 基于工作分解结构的危险源识别

2.1 危险源识别

查阅水利水电工程、农田水利工程建设期危险源识别和评价、水闸施工相关的文献，参考水利水电工程施工期危险源识别及评价的相关导则，将其中涉及的施工风险进行归纳总结。采用预先危险性分析法［6］对施工现场可能存在的危险源类型、出现条件、事故后果等进行预先分析，采用工作分解结构法将施工过程进行分解，并对分解结果逐条分析，找出可能存在的危险源并与预先分析结果融合，得到通用的风险清单。

工作分解结构（Work Breakdown Structure，WBS）法广泛应用在工程项目管理上，帮助管理人员从不同层次明确项目的最终成果，为项目进度控制、费用管理等提供依据。WBS法是一个由粗到细，由项目到工作包、再到具体工作的过程［7］。即在工程施工期的危险源识别工作中运用时，以项目进度为线索、根据不同阶段的作业类型进行模块划分，再将每个模块中的关键节点进行分类整理。这样将一个复杂项目分解成若干子系统，然后从最小的分项工程中逐步排查分析出危险源。WBS法降低了主观识别风险的笼统性、模糊性，具有系统性、清晰性的特点。本研究从材料准备、放样及基坑开挖、模板工程、钢筋混凝土工程、闸门及启闭系统安装、配套房屋工程6个方面，按施工流程对水闸工程施工工作进行结构分解（见图1）。

图1 水闸工程施工工作分解结构

2.2 建立风险清单

风险清单即为施工过程中众多可能导致事故发生或影响工程质量和工程进度的危险源。从风险清单中应能清晰地看到具体危险源及类别属性、相互间层次关系，同时风险清单本身具有较强的普遍适用性。水闸工程施工期风险清单见表1。

表1 水闸工程施工期风险清单

3 风险评价

3.1 风险评价指标体系构建

风险评价指标体系是综合分析的基础，没有科学合理的指标体系，就无法对识别出来的危险源的风险大小进行确定衡量。指标体系构建时应遵循系统性、科学性、简洁可操作性、相对独立性、动态性原则。

基于以上原则，同时考虑危险源与评价指标的一致性，灌区水闸工程施工的危险源风险评价指标体系依据风险清单进行构建。整个体系划分为如下4个等级。

一级指标：总目标层，即水闸工程施工质量安全（A）。

二级指标：与表1要素层对应，包括施工作业类（B1）、作业环境类（B2）、机械设备类（B3）、人员及管理风险（B4）、建筑材料类（B5）。

三级指标：与表1危险源属性层对应，包括明挖工程（C1）、灌浆工程（C2）……建筑材料风险（C14）。

四级指标：与表1指标层对应，包括边坡坡度（D1）、挖方直壁不加支撑的最大深度（D2）……混凝土配合比试验（D29）。

3.2 风险指标量化

风险评价指标体系中的指标既有定性的也有定量的，定量指标因有不同的量纲，导致不同指标间没有可比性，不利于各级指标风险大小的衡量，故需通过一定方法将指标的刻画方式进行统一。

在此，充分利用专家的经验和知识及专家打分法易操作、适用性强的特点，邀请专家对4级指标进行打分，并采用模糊数学理论将打分规则设置成：在本工程施工中，施工条件、施工方案等实际条件对于所评价危险源分为“极差”“差”“较差”“较好”“很好”5个等级，分值分别对应区间为［0，0.2］、（0.2，0.4］、（0.4，0.6］、（0.6，0.8］、（0.8，1.0］。“极差”对整个工程建设可能造成毁灭性灾害，需要立即停止作业；“差”对工程建设产生重大影响并导致重大经济损失，需要立即整改；“较差”对工程建设产生较大影响并影响工程进度，需要整改；“较好”对工程建设影响一般，需要引起注意；“很好”对工程局部产生轻微影响，可以接受。这样将所有指标转化为无量纲，运用公式求解出各级各项指标安全评分，量化至区间［0，1］进行比较。因此，评分值越大，指标的安全状况越好，风险越小。

3.3 风险评价模型

3.3.1 层次分析法计算指标权重

由于影响建筑物施工安全的众多因素的性质、重要性等不同，因此对于同一子系统里同级别的指标，需要引入权重来反映其对目标安全性的影响程度。在此使用层次分析法（AHP）［8］，采用AHP模型对施工期危险源风险评价指标的权重进行计算。层次分析法需要依据一定原则建立若干有序的目标层：最上层为要求得的总目标，总目标的下层是影响总目标的二级因素，依此向下形成一个多层次影响总目标全部因素的逻辑结构；再结合专家打分结果和专家对同级因子相对重要性两两间的比较结果，即可确定各个指标的权重。具体实现过程如下。

（1）判断矩阵构造。对于n项评价指标，利用相对重要性准则对指标Xi、Xj两两比较，得到相对重要度eij，构成n阶判断矩阵：

其中，相对重要性准则根据表2的比例标度进行两两比较。

表2 元素相对重要性的比例标度

（2）计算判断矩阵的特征向量和最大特征值。

①每一列规范化：

②规范列平均化：

式中：i＝1，2，…，n。

式中：W为特征向量。

③计算最大特征值：

式中：λmax为特征向量W对应的最大特征值；（EW）i为向量EW的第i个元素。

（3）一致性检验。采用如下指标对判断矩阵进行一致性检验：

式中：CI为建立的一致性指标。

于是，一致性比率CR：

式中：RI为平均随机一致性指标值，其与判断矩阵的阶数n相关，1～10阶矩阵的RI见表3。

表3 RI取值对照

CR越小，则判断矩阵的一致性越好，通常认为当CR≤0.1时，判断矩阵的一致性满足使用要求；否则需要重新对指标进行两两比较，构造新的判断矩阵。

（4）为减少工作量、提高效率，采用MATLAB软件进行AHP模型的计算。

3.3.2 专家权威性权重计算

由于每位专家的学历背景及研究方向等不同，对同一指标不同专家所给出的评价也不同，因此本研究从专家的从业时间、就职单位、学历情况、技术职称、对水闸工程施工的了解程度5个方面考虑，对每位专家给出的判断赋予一定的权重（见表4）。为便于数据整理，在此采用加权平均法计算每位专家的权重。首先，将某一专家的5项权重值相加记为Yi，这样所有专家5项权重值之和Yi构成的集合用Y表示；然后，对Y中所有元素归一化处理，可得到每位专家的权威性权重值Vi。Vi构成的集合用V表示：

表4 专家权重测算指标

3.3.3 各级指标综合安全评分计算

将收集整理得到的专家打分结果、指标权重、专家权重数据进行整合，需要一套针对评价指标体系的计算方法。为此，提出“综合安全评分”的概念：在对风险评价体系中的各项指标进行风险评价时，综合考虑同一子系统里同级指标的权重、测评人员测评水平、层级间相互影响等因素影响后，通过计算得到评分值，其区间为［0，1.0］，评分越高则风险越小。

计算时由指标层逐级向总目标层推进，指标层的综合安全评分用专家权重和专家打分数据计算。上层指标的综合安全评分依据该指标子系统里所包含的下层指标的权重和综合安全评分计算。

（1）四级指标综合安全评分计算。设有n位专家对风险项目进行打分，则

式中：R（Di）为第i项危险源四级子项目的综合安全评分；Vj为第j位专家的权威性权重；Nij为第j位专家对第i项危险源的评分。

（2）三级指标综合安全评分计算。设三级指标Ck子系统里共包含m个四级子项目，则

式中：R（Ck）为第k项危险源三级指标的综合安全评分；WDi为第i个四级子项目的权重。

（3）二级指标综合安全评分计算。设二级指标Bl子系统里共包含q个三级子项目，则

式中：R（Bl）为第l项危险源二级指标的综合安全评分；WCk为第k个三级子项目的权重。

（4）一级指标综合安全评分计算。设一级指标A共包含t个二级子项目，则

式中：R（A）为危险源一级指标的综合安全评分；WBl为第l个二级子项目的权重。

3.4 风险等级和危险源等级

对照风险指标量化分级方式，基于可靠度及风险概念，对危险源进行等级划分（见表5）。

表5 风险等级对应综合安全评分范围

极度危险源，对整个工程建设造成毁灭性灾害，不能继续作业；重度危险源，对工程建设产生重大影响并导致重大经济损失，必须立即整改；中度危险源，对工程建设产生较大影响并影响工程进度，需要整改；一般危险源，对工程建设产生一般影响，需要注意；轻度危险源，对工程局部产生轻微影响，可以接受。

3.5 计算结果

邀请来自科研、施工、设计、监理和业主单位的10位专家，对评价体系中同一子系统里的因子进行两两间重要性比较，再针对赵口引黄灌区二期工程对四级指标进行打分；同时，统计了各位专家的数据，包括2位教授、2位副教授、1位工程师、2位助理工程师和长期从事灌区工程施工的3位技术人员。计算得到10位专家权威性权重值见表6。

表6 10位专家权威性权重值

根据专家打分的结果，计算得到赵口引黄灌区二期工程水闸工程施工危险源风险评价指标体系中四级指标的综合安全评分见表7。

表7 水闸工程施工四级指标的综合安全评分

续表7

三级指标四级指标权重综合安全评分风险等级混凝土工程（C5）D1 0 0.38 0.84 5级D1 1 0.32 0.83 5级D1 2 0.15 0.89 5级D1 3 0.15 0.89 5级降排水（C6） D1 4 1.00 0.87 5级洪水（C7） D1 5 1.00 0.91 5级极端气候条件（C8） D1 6 0.25 0.89 5级D1 7 0.75 0.90 5级不良水文地质（C9） D18 0.80 0.59 3级D19 0.20 0.52 3级设备操作（C10） D2 0 1.00 0.81 5级设备性能（C11） D2 1 1.00 0.88 5级作业人员的不安全行为（C12）D2 2 0.45 0.85 5级D2 3 0.16 0.92 5级D2 4 0.28 0.89 5级D2 5 0.11 0.92 5级质量管理监督风险（C13） D2 6 1.00 0.83 5级建筑材料风险（C14）D2 7 0.49 0.91 5级D28 0.20 0.89 5级D29 0.31 0.88 5级

根据表7计算得到水闸工程施工三级指标的综合安全评分（见表8）。