0 引言
近年来，水利部门根据已有的《水库大坝安全评价导则》等对国内现有水库基本完成了安全鉴定及维修加固工作。为了高效发挥现有灌区的工程效用，渡槽作为灌区主要水工结构，其安全鉴定及加固工作则成为下一步工作的重点。在役渡槽由于环境因素和长时间的荷载作用，其混凝土强度和结构刚度会随着时间而降低，也会因为碳化的加剧而引起内部钢筋锈蚀膨胀，从而导致混凝土结构开裂，这些病害如果得不到及时处理，可能会进一步加剧渡槽耐久性劣化甚至危及结构安全。因此，及时分析和掌握渡槽的健康情况，并对其进行综合评价显得尤为重要。
对渡槽健康状态进行客观合理评价是一项技术性强且十分复杂的工作，国内一些学者对此进行了研究。夏富洲等[1]率先对渡槽结构安全性评价指标体系展开研究，提出了从承载能力、表观缺损、结构耐久性损伤3个方面构建的梁式渡槽结构安全评价体系，之后夏富洲等[2]又采用不确定层次分析法对渡槽结构进行状态评估。王梦雅等[3]则提出另外一种基于物元模型和关联函数的渡槽结构老化可拓评价方法，完成了对渡槽老化程度的定性与定量描述；顾靖超等[4]通过层次分析法确定各指标权重，根据底层指标所属类别赋予相应分值，最后根据安全评价判定参数确定渡槽安全类别。目前对渡槽结构状态评价的研究虽然取得了一些成果，但还存在过于依赖专家经验，与工程实测资料结合不紧密等问题，并且由于我国对渡槽结构状态评价的研究开始比较晚，与桥梁和水闸这方面的研究相比仍处于探索阶段。为此，拟用层次分析法确定各指标权重，根据所划分的判别标准用实测资料确定各底层指标的隶属度，权重向量和模糊评判矩阵经模糊变换后根据最大隶属度原则确定渡槽健康状态等级。
1 渡槽健康状态评价指标体系
按照功能性角度评价渡槽健康状态的指标较多且较复杂，由于其间具有层次性，首先建立他们之间的层次结构模型。以渡槽健康状态为总目标，确定评价体系的目标层；再以安全性、适用性、耐久性为子目标，确定评价体系的准则层，相对于总目标的权重向量用W表示；最后确定渡槽安全性、适用性、耐久性各自的影响因素，作为指标层，相对于各自子目标的权重向量用W1、W2、W3表示。其中安全性的子目标为结构静力稳定性、结构承载力和抗震安全，因为要保证建筑物的安全性，首先要保证其不因承载力不足而破坏和稳定性不足而倾覆；其次随着我国建筑安全标准的提高，建筑物的抗震性能也越来越受到重视。适用性子目标的设立主要是为了保证渡槽能达到设计过流能力。碳化、裂缝、钢筋锈蚀等是研究钢筋混凝土结构耐久性的主要方面，在参考《水工混凝土建筑物缺陷检测和评估》（DL/T5251—2010）后将其设为评价渡槽耐久性的子目标。最终确定的渡槽健康状态评价体系，如图1所示。
图1 渡槽健康状态评价体系
2 权重的确定
层次分析法可以将人的定性判断定量化，把决策的思维过程数学化[5]。兹采用该方法确定渡槽健康状态评价指标的权重。
1）构造判断矩阵。按1～9标度方法将两两因素进行比较，构造判断矩阵，A=aij其中aij表示第i个因素相对于第j个因素的重要程度。
2）求权重向量。构造好判断矩阵后，求元素权重的过程就变成了求判断矩阵最大特征值λmax对应的特征向量的过程，兹用MATLAB软件求λmax及其对应的特征向量。
3）一致性检验。对于多因素评价问题有时因为因素较多以及人为判断的片面性，在构造判断矩阵时会出现评价比较标准不一致的情况，这会导致权重计算的错误，因此最后需要进行一致性检验，若不满足一致性要求，则需重新构造判断矩阵。
3 模糊综合评价模型
由于渡槽健康状态的评价具有模糊性，因此先根据所划分的评价等级确定其底层指标隶属度的模糊集合，后利用模糊变换原理对其进行综合评价，最后根据模糊数学中的最大隶属度原则确定渡槽健康状态所属类别。
3.1 评价等级的确定
参照《水闸安全评价导则》（SL214—2015）[6]，将渡槽的健康状态分为A、B、C、D共4个等级，见表1。
表1 渡槽健康状态分级
参考《水工混凝土建筑物缺陷检测和评估》（DL/T5251-2010）[7]和有关文献[8-9]，将渡槽健康状态评估的底层指标进行等级划分，见表2。
表2 底层指标等级划分
注K1为计算槽身稳定安全系数；ft为设计抗拉强度；f1为静荷载下实际抗拉强度；f2为地震作用下实际抗拉强度；y为实测挠度；y允为允许挠度；Q实为实测过流量；Q设为设计过流量；K实为实测抗压强度；K设为设计抗压强度；P实为实测钢筋保护层厚度；P设为设计钢筋保护层厚度。
3.2 构造评判矩阵
先确定uj对评价等级的隶属度rij，用m个底层指标因素的评价集构造判断矩阵R，确定评价对象与评价等级间的模糊关系。
3.3 综合评价
将之前由层次分析法确定的底层指标权重与所对应的模糊评判矩阵R进行模糊变换，从而得到上一层指标对评价等级的隶属度，计算式为：
式中：m为子目标下的底层指标个数；“∘”表示模糊算子，4种常用的模糊合成算子[10]有主因素决定型M(∧,∨) 、主因素突出型M(·,∨) 、不均衡平均型M(∧,⊕)、加权平均型M(·,⊕) ，兹选用加权平均型算子M(·,⊕) 。
进而确定总目标对评价等级的隶属度为：
由得到的关于总目标的隶属度矩阵，根据最大隶属度原则，最终确定渡槽健康状态所属类别。
3.4 一票否决制
若渡槽主要构件的某项主要性能存在严重缺陷时，会对整个渡槽健康状态的评价产生严重影响，这时按之前层次分析法确定的权重很可能与实际情况不符。为避免出现上述错误，同时也为在特定情况下简化评价过程，在渡槽健康状态评定中引入“一票否决制”[11]。结合构建的评价体系，当抗震安全、结构承载力和结构稳定性任一项被判定隶属于D类时，就判定渡槽整体健康状态为D类，即渡槽存在严重安全问题，需报废重建或降低标准使用。
4 工程实例
4.1 工程概况及病害情况
陕西省内某渡槽全长1 275.2 m，设计流量40 m3/s，设计比降1/1 000。该渡槽于1995年建成，运行多年后，出现了诸多病害。经对该渡槽进行工程质量检测，发现混凝土结构病害严重，局部蜂窝麻面和露筋点较多、沿线钢筋混凝土碳化胀裂较严重、槽箱局部渗水、箱壁与拉梁结合处漏水严重；槽箱顶拉梁钢筋锈蚀、混凝土胀裂剥落严重；整个钢筋混凝土结构表面均存在不同程度的碳化，引起钢筋锈蚀、混凝土胀裂现象；混凝土栏杆露筋点多、钢筋锈蚀和混凝土胀裂剥落严重。
4.2 确定各指标权重
按之前建立的渡槽健康状态评价体系，用层次分析法将各因素两两比较后确定其相对重要性，由专家评定小组给出渡槽各指标相对重要程度的判断值，并据此构造判断矩阵，求矩阵的最大特征值及其对应的特征向量，并经过一致性检验，满足一致性要求后，所得各评价指标的权重见表3—表6。
表3 渡槽安全性指标判断矩阵
表4 渡槽适用性指标判断矩阵
表5 渡槽耐久性指标判断矩阵
表6 渡槽健康状态指标判断矩阵
表7 渡槽混凝土裂缝统计判定结果
4.3 确定底层指标隶属度
底层评价指标划分等级时既有定性化的评价标准，又有定量化的评价标准。对有定量化评价标准的评价指标，依据各自的评价标准对工程实测资料统计整理，结果见表7—表10。
表8 渡槽碳化深度统计判定结果
由工程实测资料按底层指标的定量化评价标准划分评价等级后，统计其占不同评价等级的比例作为其对不同评价等级的隶属度。由表7可知，隶属于A、B、C、D等级的裂缝条数分别占总数的1%、6%、18%和75%，则其隶属度为[ ]0.01 0.06 0.18 0.75，其他量化的底层指标以此方法确定各自的隶属度。
表9 渡槽钢筋锈蚀统计判定结果
表10 渡槽混凝土抗压强度统计判定结果
渡槽在实际运行中通过10 m3/s左右流量的水时槽内水位就达到了下游拉梁底部位置，而渡槽的设计流量为40 m3/s，所以相对过流能力Q实/Q设=0.25，即判定渡槽的相对过流能力为D类，其隶属度为[0 0 0 1。]已知渡槽的钢筋保护层厚度设计值为30 mm，由表8可以看出，渡槽各部位构件钢筋保护层厚度均满足设计要求，P实/P设＞1，即该项所属判定等级为A类，其隶属度为[1 0 0 0。]
渡槽的静力稳定性用槽身受水平向风力的稳定安全系数K1校核(K1=fbN1/P1,式中：fb为支座的横向摩擦系数，N1为槽身的竖向荷载，P1为槽身所受的水平风向压力），槽身设计稳定安全系数[ K 1]=1.05，经计算得K1/[K1]=2.7，即渡槽静力稳定性为A类。按最大拉应力准则校核渡槽的承载力和抗震安全，渡槽的设计抗拉强度ft为1.1 MPa，用ADINA软件基于整体建模方法对渡槽结构承载力进行分析，用荷载测试测得的挠度值得渡槽各部位的最大拉应力为0.96 MPa，即ft/f1=1.14,该项判定等级为B类；抗震安全采用反应谱法进行验算，用ADINA软件模拟纵向地震作用、横向地震作用和静力荷载叠加后的作用效果，所得最大拉应力为1.1 MPa，即f1/f2=1，抗震安全的判定等级为B类。由荷载试验确定渡槽的挠度，渡槽的最大挠度值y为9 mm，规范允许的挠度值y允=L0/500=30 mm,即y/y允=0.3，结构变形的判定等级为B类。最终确定的各底层指标的隶属度，见表11。
表11 评价指标权重及隶属度汇总
根据表11和建立的评价体系可得安全性、适用性、耐久性3个子目标下的底层指标所构成的隶属度矩
4.4 综合评价
由式（1）确定安全性、适用性、耐久性3个子目标的隶属度矩阵，即：
由式（2）确定总目标的隶属度，即：
可见，渡槽健康状态隶属于A类、B类、C类、D类4个等级的可能性占比分别为35.23%、45.98%、2.16%、16.63%，其中隶属于B类的可能性占比最高，为45.98%。根据最大隶属度原则，该渡槽的健康状态应为B类，即工程存在一定损坏，需大修后才能实现正常运行，这与工程实际情况基本相符。
5 讨论
渡槽结构健康状态评价是目前渠系建筑物除险加固工作的重要技术前提。通过建立模糊综合评价模型对某在役渡槽进行了综合评价，取得了比较好的工程效果。从评价结果来看，渡槽安全性、适用性、耐久性3个子目标中，安全性和适用性都能满足要求，耐久性按最大隶属度来看为A类，但其属于D类的可能性高达39.79%，这是因为底层指标中钢筋锈蚀和混凝土开裂都比较严重，这些病害如果得不到及时处理，会进一步威胁到渡槽的安全性。可见在渡槽的日常运行中要特别注意其耐久性问题，发现病害情况要及时进行维修养护，以保证渡槽能安全运行。
在隶属度确定上渡槽有其特殊性，例如在水质评价[12-13]中可以通过设置监测点来采集数据确定各指标隶属度，但渡槽各部位因为施工因素和环境因素影响而在质量上可能存在较大差异，不能以某一处强度或钢筋锈蚀情况等指标来反映渡槽的整体情况，因此对渡槽进行全面检测，将属于不同评价等级的个数所占总抽样数的比例作为底层定量化指标的隶属度才更加科学合理。
渡槽健康状态综合评价结果会受到其结构型式、材料类型、施工方式以及设置权重的主观性等因素影响，其影响因素是复杂的。建立的模糊综合评价模型在应用时还存在一定局限性：
1）由于是对单个渡槽进行评价，有的底层指标可能没有考虑到，所建立的评价体系还不够完善。
2）仅针对陕西省某混凝土梁式渡槽进行了研究，对于其他地区和其他结构型式的渡槽还需对评价指标及评价标准进行相应修改。
3）后续应针对不同地区，不同类型渡槽进行研究，建立该地区和该类型渡槽的统一评价体系；如何客观合理的确定各评价指标权重也需要进一步研究。
6 结论
初步建立了渡槽健康状态评价体系，确定了底层指标的定量与定性的评价标准，对定量化的底层评价指标，依据工程实测资料用统计学方法确定了其隶属度，还引入了“一票否决制”这一带有变权思想的方法，从而构建了一个较为完善的渡槽健康状态评价模型。利用建立的评价体系及模型对陕西省某渡槽健康状态进行综合评价，得到的评价结果与渡槽实际情况基本一致，证明了该方法的可行性。这种方法可以为以后渡槽健康状态评价工作提供一定的参考依据。
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