水閘安全評(píng)價(jià)體系與模型構(gòu)建

樓力律 王 瑜 朱 晗

(1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022;2.云南經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院工程學(xué)院，云南昆明 650106;3.昆明三維建設(shè)工程有限公司，云南昆明 650224)

0 引言

到目前為止我國(guó)擁有水庫(kù)大壩8.7萬(wàn)余座，是世界上水庫(kù)大壩最多的國(guó)家之一[1]。這些工程大多數(shù)修建于二十世紀(jì)六七十年代，由于工程的自然老化及運(yùn)行管理不當(dāng)，水庫(kù)險(xiǎn)情不斷涌現(xiàn)。在水庫(kù)的安全鑒定工作中，閘門及啟閉機(jī)的安全作為金屬結(jié)構(gòu)安全鑒定的一項(xiàng)主要組成部分，是水庫(kù)安全鑒定中的重要環(huán)節(jié)。然而目前就水閘及啟閉機(jī)的鑒定方法仍以現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)及專家評(píng)判為主，尚未形成一套較為全面的評(píng)價(jià)體系及評(píng)判模型，不能就水閘及啟閉機(jī)的實(shí)際安全狀態(tài)做出合理的安全評(píng)價(jià)。通過(guò)篩選與水閘安全關(guān)系緊密多項(xiàng)指標(biāo)，采用定量與定性方法為各指標(biāo)評(píng)分，并結(jié)合G1法進(jìn)行賦權(quán)，最終建立了水閘安全性態(tài)評(píng)價(jià)模型，對(duì)水閘的安全性態(tài)作出了較為合理評(píng)價(jià)。

1 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

閘門與啟閉機(jī)系統(tǒng)比較復(fù)雜，危及其安全質(zhì)量的因素眾多，內(nèi)外因交錯(cuò)。針對(duì)閘門與啟閉機(jī)系統(tǒng)的破壞機(jī)理，在分析眾多實(shí)際工程項(xiàng)目影響因素及參考部分文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，深入分析各主要因素指標(biāo)對(duì)閘門與啟閉機(jī)安全的影響，初步建立了一套評(píng)價(jià)較為全面且可操作性較強(qiáng)的體系[3]，見圖1。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)定量化

從相應(yīng)的規(guī)范、人的心理活動(dòng)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，將評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)確定為五級(jí):

V={V1，V2，V3，V4，V5}={正常，基本正常，輕度異常，重度異常，惡性失常}。

對(duì)應(yīng)五級(jí)指標(biāo)采取[0，1]區(qū)間量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以采用系統(tǒng)工程中的等區(qū)間劃分法來(lái)劃分等級(jí):

V={V1，V2，V3，V4，V5}={[0.8，1.0]，[0.6，0.8)，[0.4，0.6)，[0.2，0.4)，[0，0.2)}，量化評(píng)價(jià)指標(biāo)值最大取 1。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系圖

1.2.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定指標(biāo)量化評(píng)價(jià)

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定指標(biāo)包括:防洪能力標(biāo)準(zhǔn)C11、消能防沖能力(過(guò)流能力)C12、閘基滲流穩(wěn)定性評(píng)價(jià)C13、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的穩(wěn)定評(píng)價(jià)C14和結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力評(píng)價(jià)C15。各指標(biāo)的計(jì)算和參數(shù)的含義見表1。

表1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定指標(biāo)公式及參數(shù)含義

1.2.2 運(yùn)轉(zhuǎn)狀況指標(biāo)量化評(píng)價(jià)

閘門與啟閉機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況指標(biāo)包括閘門過(guò)水能力C21、閘門的擋水能力C22、閘門及啟閉機(jī)的控制能力C23和管理養(yǎng)護(hù)水平C24。

指標(biāo)C21和C22的計(jì)算和參數(shù)的含義見表2。

表2 運(yùn)轉(zhuǎn)狀況指標(biāo)公式及參數(shù)含義

閘門及啟閉機(jī)的控制能力指標(biāo)C23在評(píng)定時(shí)應(yīng)綜合檢測(cè)閘門及啟閉裝置銹蝕深度、門槽側(cè)軌磨損度、啟閉力增大程度等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行考量。而管理養(yǎng)護(hù)水平C24應(yīng)綜合考慮水閘定期維護(hù)及保養(yǎng)，管理規(guī)章制度編制是否全面合理，人員培訓(xùn)及管理水平能否滿足要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2.3 耐久性指標(biāo)量化評(píng)價(jià)

耐久性指標(biāo)包括混凝土強(qiáng)度指標(biāo)C31、混凝土老化病害指標(biāo)C32、設(shè)計(jì)、制造、安裝缺陷度指標(biāo)C33和壽命指標(biāo)C34。其中指標(biāo)C31可取現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)混凝土實(shí)際強(qiáng)度和原混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比值。指標(biāo)C32在評(píng)價(jià)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際工程老化病害的主要因素，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫、碳化深度、鋼筋銹蝕程度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè);對(duì)水下結(jié)構(gòu)的氣蝕、侵蝕與剝蝕程度進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。指標(biāo)C33的評(píng)價(jià)要檢查閘門和啟閉機(jī)在設(shè)計(jì)、制造與安裝過(guò)程中是否存在缺陷，要對(duì)缺陷的嚴(yán)重程度進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。指標(biāo)C34取實(shí)際能夠運(yùn)行的年限和設(shè)計(jì)年限的比值。

1.2.4 水利因素指標(biāo)量化評(píng)價(jià)

水利因素指標(biāo)包括效益指標(biāo)C41和設(shè)備的有效利用率指標(biāo)C42。其中指標(biāo)C41取目前已經(jīng)獲得的效益和原設(shè)計(jì)預(yù)期效益的比值。指標(biāo)C42的評(píng)價(jià)要考慮各個(gè)設(shè)備是否已經(jīng)得到充分利用，并根據(jù)利用程度進(jìn)行評(píng)分。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配

對(duì)指標(biāo)權(quán)重采用G1法賦值:指標(biāo)集中選出m個(gè)指標(biāo)中最重要的一個(gè)指標(biāo)，記為X*1;余下的m－1個(gè)指標(biāo)中選出最重要的一個(gè)指標(biāo)，記為X*2;依次類推，經(jīng)過(guò)m－1次挑選剩下的評(píng)價(jià)指標(biāo)記為Xk。專家對(duì)相鄰指標(biāo)Xk－1與Xk之間的重要程度之比用rk=Wk－1/Wk來(lái)表示，其中，Wk為第k個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，k=m，m－1，…，3，2。rk首先由各個(gè)專家獨(dú)自判定，然后取其平均值。當(dāng)指標(biāo)數(shù)量m較大時(shí)，可以取最次要指標(biāo)rm=1[4]。

此外，易知:

rk的賦值可以參考表3。

顯然有:

1.4 最終綜合評(píng)分值

通過(guò)G1法賦值，可求得各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。將二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分值通過(guò)加權(quán)求和，可以計(jì)算出一級(jí)指標(biāo)的各項(xiàng)評(píng)分值A(chǔ)。用一級(jí)指標(biāo)中的各項(xiàng)權(quán)重ω與其評(píng)分值進(jìn)行加權(quán)求和，可求出最終的水閘綜合評(píng)價(jià)值。其計(jì)算公式為:

其中，ωs，ωr，ωd，ωw分別為一級(jí)指標(biāo)結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、耐久性及水利因素的權(quán)重，相應(yīng)的A值表示該項(xiàng)的綜合得分。

表3 賦值參考表

2 實(shí)例應(yīng)用

以某水庫(kù)大壩泄水閘門為例，閘門已運(yùn)行15年，現(xiàn)場(chǎng)檢查閘門銹蝕、磨損，銹蝕厚度2 mm～4 mm，磨損厚度達(dá)1 mm～5 mm。閘門啟閉不靈活且閘門存在漏水，放水十分困難，經(jīng)濟(jì)效益難以充分實(shí)現(xiàn)。

按文中所提方法分別對(duì)第二層指標(biāo)評(píng)分并賦權(quán)求得第一層指標(biāo)的評(píng)分值分別為:As=0.37，Ar=0.48，Ad=0.51，Aw=0.67。相應(yīng)的一級(jí)指標(biāo)權(quán)重分別為 0.52，0.15，0.25 和 0.08。按照式(4)計(jì)算得到其綜合得分S=0.45。按評(píng)價(jià)等級(jí)五級(jí)劃分，該計(jì)算值處于區(qū)間[0.4，0.6)，故最終認(rèn)定為“輕度異?！?。

3 結(jié)語(yǔ)

在篩選水閘實(shí)際工作中與其安全狀態(tài)關(guān)系緊密的指標(biāo)基礎(chǔ)上，采用定量與定性方法為各指標(biāo)評(píng)分，并結(jié)合G1法進(jìn)行賦權(quán)，最終建立了水閘安全性態(tài)評(píng)價(jià)模型，對(duì)水閘的安全性態(tài)進(jìn)行了合理評(píng)價(jià)。

通過(guò)實(shí)例計(jì)算表明該評(píng)價(jià)模型計(jì)算結(jié)果與《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》的鑒定結(jié)果一致，說(shuō)明該評(píng)價(jià)體系及模型能夠較為合理的對(duì)水閘的安全性態(tài)作出評(píng)價(jià)。

[1]孫繼昌.中國(guó)的水庫(kù)大壩安全管理[J].中國(guó)水利，2008(20):10-14.

[2]胡友安，樓力律，顧文斌.水工啟閉機(jī)設(shè)計(jì)及工程實(shí)踐[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2011.

[3]郭 慶.在役水利水工閘門與啟閉機(jī)的安全評(píng)價(jià)[D].武漢:武漢大學(xué)，2005.

[4]遲國(guó)秦，祝志川，張玉玲.基于熵權(quán)——G1法的科技評(píng)價(jià)模型及實(shí)證研究[J].科學(xué)研究，2008，26(6):1210-1220.