基于生命周期成本的某水閘維修加固方案優化

李俊逸

(新疆塔里木河流域干流管理局新其滿管理站，新疆 阿克蘇 842200)

建國以來，為了應對水患和充分發揮有限水資源的價值和作用，各級政府投入大量的人力物力興建水利工程設施，對農業和社會經濟的發展起到了十分重要的作用。時至今日，許多建成于20世紀70年代的許多水利工程，特別是水閘仍發揮著巨大作用。但是，這些水閘在設計建設時受到當時經濟技術等因素的制約，大多存在設計不合理、施工技術水平落后以及后期維護不當等問題，因此存在不同程度的病險問題[1]。由于水閘等大型水利工程一旦失事，將會造成十分嚴重的后果，因此有必要對這些病險水閘進行維修和加固，保證其長期安全性和穩定性[2]。

從生命周期的視角來看，組成水閘工程的各個構建均有自己的生命周期，且一般小于整體水閘的工程周期。因此，對組成水閘的構件進行必要的健康診斷，對有問題的部分進行加固乃至更換，可以有效提升水閘的整體性能，有效延長水閘的壽命和服役年限[3]。由于我國的大多數水閘已經運行了五六十年，基本步入其生命周期的“中老年”，因此健康狀態呈現出不斷惡化的態勢不僅有較多的地方需要維修加固，且加固的次數也愈加頻繁，導致工程的運行管理成本不斷攀升。對于水閘工程的維修加固而言，全方位、更好的維修加固措施往往意味著更多的資金投入，水閘的整體安全水平提升效果也更顯著[4]。但是，節能高效的現代經濟社會對威脅計劃的成本投入提出了新的、更高的要求。因此，如何保證水閘結構在全生命周期內的安全性要求，同時又體現經濟層面的合理性，就成為當前水閘維修結構工程設計中亟待解決的問題?；诖?，此次研究以某水閘為例，探討基于生命周期成本的維修加固方案優化方法，以便為相關類似研究提供理論和實踐方面的借鑒。

1 研究過程與方法

1.1 工程背景

此次研究以某水閘為例展開，其基本概況如下：該水閘是一座干流控制性水利工程，其閘底高程為7.5m，閘頂高程為19.5m，共有16孔，單孔凈寬為4.20m，閘室的總寬度為81.24m，水閘工程的全長為173.06m，閘孔凈高為4.00m，設計流量為823m3/s。閘室的底板為寬頂堰結構設計，采用消力池進行消能，其池底的高程為5.00m，水閘的閘門為平面鋼閘門設計，啟閉機為QP2×125kN卷揚式啟閉機，備有4套浮箱式檢修閘門，閘墩和胸墻為鋼筋混凝土結構，混凝土標號為C30，水閘交通橋橋面高程為19.5m，凈寬8.00m，為雙向單車道設計。該水閘建成于20世紀70年代初，于1973年正式投入使用，截止2022年已經服役49年。該水閘由于設計建設標準相對較低，加上長期運行和維護不善，一直受到病險問題的困擾，截止2016年，已經進行了5次出現加固，基本解決了關鍵性的病險問題，目前處于基本安全狀態。

1.2 優化方法與過程

1.2.1 維修計劃優化內容

基于全生命周期的水閘維修方案優化，其內容包含維修方法優化和維修時間優化兩大基本維度。

首先，水閘的維修計劃優化的本質就是有效平衡維修的成本和效果[5]。顯然，不同的水閘維修方法需要的成本存在一定的差異，同時在維修效果方面也有所不同。一般來說，所謂好的維修計劃就是通過加倍的維修成本投入達到盡可能好的維修效果。因此，在水閘維修方案優化過程中，維修方法的選擇和優化極為必要。

其次，水閘的維修時間間隔是全生命周期內維修次數的主要影響因素，而維修次數會直接影響維修的成本。顯然，較短的維修時間間隔會導致維修成本的抬升，但能夠使水閘性能維持在一個相對較高的水平；反之，維修時間間隔的增加有助于降低維修成本投入，但必然會降低水閘的結構性能[6]。因此，全生命周期視角下水閘維修方案優化需要協調好維修成本和維修效果，確定最佳的維修時間。從時間序列來看，水閘維修可以分為定期維修和必要性維修兩種基本方式。顯然，上述兩種基本的維修方式均有自身的優勢和不足?；诖?，此次研究在全生命周期的視角小下，探求最佳的維修時間間隔，最大限度發揮資金的作用和價值。

1.2.2 維修方案優化模型

假設背景工程由n個需要考慮的構建組成，以上述優化內容為基礎，確定維修加固方案優化模型。其中，模型的決策變量表達式為：

(1)

目標函數的表達式為：

(2)

模型的約束條件為：

Sn≥[S]

(3)

式中，X—模型的維修策略變量；tmn—水閘構件n進行第m次維修的時間間隔，a；kmn—水閘的構建n進行第m次維修時所采用的維修方法；Ct—水閘結構的整體維修奮勇，元；CRi—水閘的各個構建的具體維修費用，元；Sn—水閘的結構性能；[S]—水閘結構性能的最低允許值。

1.2.3 計算方法

遺傳算法是一種以生物進化規律為思路借鑒的隨機優化搜索方法，比較適合此次研究的需要，因此研究中利用該方法進行模型的求解計算[7]。一般來說理想的理論往往相對比較復雜，在實際操作中存在較多的困難和不確定性，因此在此次研究中一般的計算方式進行適當簡化，提出如下比較可行的實施步驟：

首先，由水閘的管理部門和相關專家對水閘的現狀和維修需求進行綜合評估，確定出一個恰當、可行的水閘建筑物維修次數范圍。這里需要說明的是資金和人員工作對維修次數的影響最為顯著[8]。一般來說，如果水閘的管理單位有充足的資金支持更多次數的維修，且維修工作不會對水閘維護人員的相關工作開展產生顯著負面影響，可以考慮適當增加維修次數。當然，如果資金比較缺乏，則可以考慮適當減少維修次數。對于背景工程，目前已經使用了49年，預計其生命周期還有50年，結合實際情況認為在剩余的生命周期內準備大修5～8次。

然后，將上一步確定的維修次數范圍納入模型計算的限制條件，并在其范圍內考慮維修方法和成本的平衡，并利用模型計算獲取不同維修次數下的具體費用。計算過程中利用MATLAB進行遺傳優化算法的計算，設置種群規模為800，染色體長度為16，交叉概率為0.7，變異概率為0.3，進化次數為500。

最后，根據計算結果，對比確定成本最低的維修方案，即為最終的優化方案。

1.3 計算方案

對于水閘維修加固而言，具體的維修方法和加固措施的具體費用和可以達到的加固效果的相關研究不多，因此較難獲得具體的量化值，因此在此次研究中僅能予以簡單的定性處理。同時，關于水閘結構的多種維修措施的疊加效果研究也比較復雜，尚無可以借鑒的成果，因此研究中假定每次維修中各個結構也僅采用一種固定的維修措施?；诖?，研究中針對背景工程的實際情況，確定5種不同的維修加固方式，其對應的加固效果和投資水平見表1。

表1 維修加固方式設計表

2 計算結果與分析

利用上節構建的模型以及提出的計算思路與方法，針對背景工程生命周期內的大修方案進行模擬計算。根據計算結果，獲得大修次數分別為5、6、7、8次的最佳維修計劃，結果分別見表2—5。從計算結果可以看出，不同大修次數下的最佳維修計劃方案均可以滿足使用年限的要求，但是各方案的全生命周期維修加固費用存在較大的差異，在修次數分別為5、6、7、8次的情況下，全生命周期的維修總費用分別為794.3萬、633.0萬、505.3萬、517.5萬元。由此可見，較少的大修次數并不能實現維修總費用的降低，反而會導致全生命周期維修費用的大幅升高。例如，大修次數為5次時，最佳維修計劃的總費用為794.3萬元，與維修次數為7次時的費用相比，增加約57.19%。當然，大修次數過多時全生命周期的維修費用也會升高?？傮w來看，對背景工程而言，當大修次數為7次時的全生命周期費用最低，其對應的維修方案為最佳維修方案。

表2 大修次數5次最佳維修計劃

表3 大修次數6次最佳維修計劃

表4 大修次數7次最佳維修計劃

表5 大修次數8次最佳維修計劃

研究中對最佳方案條件下的水閘的結構可靠度進行模擬計算。根據計算結果，繪制出結構可靠度隨時間變化曲線，結果如圖1所示。由計算結果可以看出，隨著年限的增加，結構可靠度呈現出不斷下降的變化特點，當年限為52年時的結構可靠度為0.59，已經低于0.6。由此可見，在本文提出的最佳方案條件下，可以保證水閘再安全服役52年，由于水閘本身已經服役49年，加上后續安全服役年限53年，可以完全保證該水閘最低服役100年的基本要求。

圖1 最優方案結構可靠度變化曲線

3 結語

水閘的維修加固對提升其安全水平，保證其功能發揮具有重要意義和作用。在服役期限內，采用最小的維修成本獲得最佳的維護效果一直是學界和工程界所關注的重點。此次研究以具體工程為背景，探討全生命周期水閘維修加固方案的優化計算方法，并獲得背景工程的最佳維修加固方案，具有重要的理論意義和應用價值。當然，維修方法的效果和成本都是最優方案的影響因素，但是目前可以用于量化研究的相關資料較少，因此研究中僅針對固定維修措施展開。在今后的研究中，需要針對不同維修方式的組合進行進一步的深入研究，以便獲得更為全面的研究成果，為工程應用提供更有利的支持。