本文是工程专业硕士毕业论文，主要研究物元可拓模型下的水闸工程安全问题。

1 绪论

1.1 水闸安全性评价研究的背景

水是人类生产和生活必不可少的宝贵资源。水能载舟，也能覆舟，因此，加强对水的控制能力，可以从根本上保障水资源兴利作用的充分发挥。建国后，为兴利除害，我国进行了大批的水利工程建设，这些水利工程在控制水流、防止洪涝灾害、进行水资源的合理调节与分配等方面发挥着中作用。水闸是水利工程中的重要基础设施之一，作为防洪工程体系中的重要支撑元素，它们在抵抗自然灾害、保障人民的生命财产安全以及促进经济的可持续发展方面担当着先锋者的重要角色。

1.1.1 我国水闸工程的现状

水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头建筑物，我国修建了大量水闸工程，特别是在国家重点控制流域中，水闸分布十分广泛。根据《全国水利发展统计公报》[1]，到 2011 年底，我国大小各类水闸总量为 44306 座，包括大型水闸 599 座。在全部已建水闸工程中，分洪闸2878 座，排涝闸 14937 座，挡潮闸 4751 座，引水闸 8427 座，节制闸 13313 座。水闸对社会生活中的许多方面都有影响，与工农业生产的安全进行和人民群众的生命财产安全息息相关，是水利事业国家公共安全的重要组成部分。然而，水闸在运行中，由于受到各种人为因素和自然因素的长期作用，如污染、负荷、水流、渗透、生物破坏、气候、泥沙淤积、洪水和地震等的影响，水闸的各个构件都渐渐老化或出现局部破损等状况，这对水闸的安全性能产生很大的危害。水闸工程的使用功能也受到一定影响，严重时甚至会无法安全运行。我国水闸大都建于 20 世纪 80 年代以前，这些水闸由于受到当时条件的限制，建成后就存在不少问题，再加上多年运行的消耗和管理维护工作不到位，工程的老化病害现象非常严重。大量病险水闸已不能安全运行，更无法发挥其正常的使用功能，甚至成为防洪的心腹之患，严重威胁着人民的生命财产安全以及国民经济的可持续发展[2]。

1.1.2 病险水闸隐患问题的危害

水闸是国家防洪体系中的重要组成部分，但由于水闸设计防洪标准低等各种问题的存在，导致水闸无法正常工作，汛期不能正常发挥其拦蓄或排泄功能，其防洪效益的充分发挥受到了严重制约。这些病险水闸安全隐患问题严重，很容易突发险情出现安全事故，严重威胁着防洪体系的安全和社会的稳定。还有一些位于重要堤防上的水闸，发生病险就成为整个堤防体系的最薄弱环节，在汛期威胁着人民群众的生命财产安全和正常生活秩序。水闸工程的功能涉及到生活中的方方面面，但由于水闸的病险问题，会导致水闸许多的除害兴利效益不能正常发挥，甚至发生险情，威胁人民的生命财产安全。因此，水闸工程的病险问题亟需解决，不容忽视[3]。

1.1.3 除险加固工作的必要性

在这些病险水闸的各类安全隐患中，水闸的结构失稳或渗流破坏占 32%左右，过水能力不足占 37%左右，钢筋混凝土严重破坏占 76%左右，闸下游消能防冲设施严重损坏占 42%左右，闸门、启闭机和机电设备损坏老化失修占 75%左右，其他如防渗铺盖、闸位布置不合理、翼墙、堤岸护坡损坏，管理房屋失修，防汛道路损坏，缺少备用电源、通信设施和交通车辆等，占 50%左右[2]。如此可知我国水闸工程病险情况已经相当严重，因此，针对全国病险水闸开展除险加固工作势在必行[4]。国家一直对水闸工程的病险状况高度重视，在《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》、《水闸安全鉴定规定》[5]、《水闸工程技术管理规程》和《水闸安全鉴定管理办法》这些法律、规范中都对病险水闸的除险加固工作作出了明确的指导和规范。根据《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》和《安全生产“十一五”规划》等文件精神的指导，响应社会和经济的可持续发展的要求，坚持“以人为本”，确保水利工程的安全生产。在 2009年召开的全国水利工作会议上，陈雷部长提出“今后两到三年，要突出抓好“十大水利工程建设”，重中之重即为病险水库除险加固工程，其中包括启动大中型病险水闸除险加固工程。之后，为贯彻落实会议精神，推进除险加固工作的进展，水利部办公厅印发了《关于开展全国大中型病险水闸除险加固专项规划编制工作的通知》（办规计[2009]85 号），其中对除险加固工作作出了具体工作部署：提出“以保障防洪安全、供水安全、粮食安全和生态安全为目标，在水闸注册登记和安全鉴定的基础上，综合考虑大中型病险水闸的特点、险情、功能和效益，因地制宜、统筹兼顾、注重实效，合理制定除险加固方案，用三到五年时间完成全国大中型病险水闸的除险加固任务，充分发挥水闸的防洪排涝与供水作用，提高区域防洪保障能力和粮食生产能力，促进经济社会又好又快发展”。因此，大中型病险水闸的除险加固工作将是水利行业今后一段时间内的又一项重点工作[4]。制定除险加固方案的前提，需要水闸工程运行管理部门准确的掌握水闸工程的工程安全现状并对其进行评价分级。然而，准确地对工程安全状态进行评价分级，要求相关人员具有一定的技术和知识水平，并且需要消耗大量的人力、物力还有财力，这是一项艰难而且复杂的工作。因此，在对水闸工程现状资料综合分析的基础上，结合适当理论和其他行业的先进技术，建立起针对水闸工程的安全评价系统，是非常值得深入研究并且具有很高的实用前景的。

2 水闸工程安全评价程序及评价标准

水闸安全鉴定是水闸运行管理工作的主要依据，也是提出除险加固方案的重要基础。完善安全鉴定的工作制度，可以促进水闸工程管理工作的规范化、制度化；提高安全鉴定工作的质量，对保障水闸工程的安全运行，促进水闸除害兴利工作的进展，具有重要意义。根据SL214-98《水闸安全鉴定规定》，水闸的安全鉴定周期为：一般以 15-20 年作为一个安全鉴定周期，单项工程达到折旧年限应适时进行安全鉴定，而对于出现病险状况的单项工程必须及时进行安全鉴定。基于我国水闸工程的基本情况，安全鉴定[35]工作亟需全面展开。依据《水闸安全鉴定规定》，水闸安全鉴定工作包括工程现状的调查分析、工程现场安全检测、工程复核计算、水闸安全评估以及安全鉴定工作总结。其中，前三项工作的具体内容规范中都做了明确规定，而对于安全鉴定工作中的核心内容，即安全评价，则需要凭借专家的经验判断得到，带有一定的主观性。安全评价工作的好坏直接影响到水闸安全鉴定工作的结果，因此，研究出一套系统实用的、并能综合考虑到主观因素的水闸安全综合评价体系是相当有意义的。

3 水闸安全评价指标体系的研究....12

3.1 指标体系建立的原则.........12

3.2 指标体系的建立 ....12

3.3 各基础指标评估分析.........13

4 水闸安全综合评价理论的研究....19

4.1 水闸安全评价指标权重的确定.....19

4.1.1 赋权方法的研究......19

4.1.2 赋权方法的选择......19

4.2 水闸工程安全评价模型的建立.....24

4.2.1 物元可拓理论概述........24

4.2.2 物元可拓模型评价过程......25

5 水闸工程安全评价实例研究........28

5.1 黑龙江省宝石河渠首拦河闸现状.........28

5.2 水闸安全评价指标体系权重的确定.........31

5.3 水闸工程安全综合评价.....39

结论

水闸是除害兴利的国家重要水利工程，其安全状况与国民经济的发展和社会的长治久安息息相关。但由于我国水闸大多因为年久失修而出现老化病险现象，安全运行已受到影响，根本无法正常发挥其兴利除害的根本作用。对现有水闸进行安全综合评价，目的在于为水闸管理部门进行安全鉴定工作以及制定除险加固方案提供依据。因此，本文基于黑龙江省水闸实例，就水闸安全综合评价的理论和方法进行了深入、系统、全面的研究，研究的主要结论如下：

（1）构建了以水闸建筑物的可靠性为基本内容的安全评价指标体系。影响水闸安全的因素众多，本研究综合考虑各种因素，参照多种规范、标准和前人的研究成果，对水闸可靠性的要求分为安全性、适用性和耐久性三个方面进行分析研究，建立了水闸安全综合评价的多层次指标体系，能够较为全面反映影响水闸安全状况的各指标因素。

（2）采用层次熵赋权法对水闸安全评价指标进行赋权。这是一种主客观相结合的综合赋权方法，根据本文所设计的水闸工程安全评价指标体系先用 AHP 法初步计算各层次各指标的权重，再以主观权重作为属性矩阵建立熵模型，对层次分析法确定的权重结果进行修正，最终得到的综合权重即为各指标的最终权重。这种确定权重的方法综合了主观赋权法和客观赋权法的优点，使二者取长补短，能够更为精确的确定指标权重。

（3）采用基于物元可拓模型的综合评判法对水闸工程实例进行安全评价。首先根据待评水闸工程评价指标特征及其评价标准构建经典域、节域和待评物元矩阵，在此基础上，计算各指标相对于不同评价等级的关联系数，再结合层次熵赋权法所确定的权重，计算最终得出相应的综合关联度，以此来评价待评价水闸所属等级。本文以工程实例黑龙江省宝清县幸福灌区宝石河渠首拦河闸为研究对象，采用本文研究的主要方法对其进行综合评价，得到待评价水闸关于各个等级的综合关联度分别为-0.0623（非常差）、0.0032（差）、-0.1080（一般）、-0.1189（良好），其中，评价等级“差”所对应的数值最大而且为正值，因此，待评价水闸的最终评价结果为三类闸，与技术部门得出的鉴定结论一致，因此，验证了基于物元可拓模型的安全评价方法在水闸工程安全评价方面是具有可行性的。

参考文献

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[3]富宏军，郭长江，苗春雨．重视做好水闸的安全管理工作[J]．黑龙江水利科技，2010，38（6）：227-228．

[4]水利部水利建设与管理总站，黄河水利科学研究院，河南黄河勘测设计研究院．病险水闸除险加固技术指南[M]．郑州：黄河水利出版社，2009：6-7．

[5]SLZ14-98，水闸安全鉴定规定[S]．

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