大壩安全量化評價模型研究

張 計，林水生，饒錫保

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010）

大壩安全量化評價模型研究

張 計，林水生，饒錫保

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010）

如何實現(xiàn)大壩各單項評價由定性評價到量化評價的轉(zhuǎn)化是大壩安全量化評價技術(shù)研究的關(guān)鍵點。通過研究大壩安全性態(tài)特點，首先確定大壩安全程度的特定量化評價值，然后結(jié)合數(shù)學(xué)分析工具Matlab，非線性擬合確定了基于Logistic生長曲線模型的大壩安全評價量化評價模型，精確擬合出量化評價參數(shù)，擬合決定系數(shù)達到0．998 6，實現(xiàn)了大壩安全單項指標評價由定性到量化的轉(zhuǎn)變。

大壩；安全評價；量化評價模型

1 研究背景

我國現(xiàn)有的大壩安全評價體系［1］經(jīng)過多年的應(yīng)用，在我國大壩安全管理和除險加固中起到了較大的作用。但是該評價方法主要以定性評價為主，而且3級分級偏粗，雖然可以滿足區(qū)分大壩是否安全，但還不能滿足安全程度判斷的需要。隨著我國病險水庫除險加固的不斷深入和綜合評價技術(shù)的不斷完善，目前的大壩安全評價技術(shù)已不能滿足要求，應(yīng)該在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進行進一步完善，實現(xiàn)大壩安全的量化評價。

大壩安全評價是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)評價項目，需要對大壩多個單項指標進行評價后最終得到大壩的綜合評價，因此，如何實現(xiàn)大壩各單項評價由定性評價到量化評價的轉(zhuǎn)化是大壩安全評價量化評價技術(shù)研究的關(guān)鍵。

國內(nèi)外已有一些學(xué)者進行了大壩安全量化評價技術(shù)研究，南京水利科學(xué)研究院李雷等人就提出了大壩性態(tài)危險程度判別模型［2－3］，實現(xiàn)了大壩性態(tài)危險程度由定性向量化的轉(zhuǎn)化。但該模型在確定模型參數(shù)時，是采用的先隨機確定一些模型參數(shù)，再根據(jù)各模型的特點去尋找與大壩安全性態(tài)較為接近的一種模型，在模型參數(shù)的確定上具有一定的局限性。本研究首先根據(jù)大壩安全性態(tài)特點確定出大壩安全程度的特定量化評價值，然后結(jié)合數(shù)學(xué)分析工具，非線性擬合確定了大壩安全程度評價模型的參數(shù)，較為精確地提出了大壩安全評價的量化評價模型。

2 大壩安全量化評價模型

項目評價由定性向量化的轉(zhuǎn)變，較簡單常規(guī)的方法為評分法，即將評價等級進一步細化，根據(jù)判別標準，將每個等級采用一定的分值表示。但是，評分法不一定能很好地滿足所評價對象的變化規(guī)律，因此，通過評分法可以說是一種由定性向定量的轉(zhuǎn)變。要實現(xiàn)由定量至量化的轉(zhuǎn)變，還應(yīng)根據(jù)該評價對象的具體特性，研究出量化評價模型，將評分值轉(zhuǎn)化為能滿足評價對象變化規(guī)律的量化評價系數(shù)。

2．1 大壩安全評價定量判別

現(xiàn)有的大壩安全評價技術(shù)在各單項指標評價方面均是分為3個等級，只能較為粗略地定性判斷安全程度，為了更加精確地對各單項指標進行評價，可將其進一步細分為安全、基本安全、不安全、很不安全與極不安全5個等級，安全程度由高到低可采用10～0的分值連續(xù)表示，定性評價等級與評分對應(yīng)表見表1。

表1 定性評價等級與評分對應(yīng)表Table 1 Definitions and scales of qualitative evaluation levels for dam safety

2．2 大壩安全程度變化特性

通過評分法完成了大壩安全評價由定性向定量的轉(zhuǎn)化，而大壩安全程度變化過程應(yīng)該是一個動態(tài)、非線性變化過程，僅僅用評分法的線性規(guī)律還不能完成反映大壩安全程度變化規(guī)律。大壩及其各分項工程安全程度變化規(guī)律主要有以下幾點：

（1）穩(wěn)定階段。當(dāng)安全程度為安全時，表明運行狀態(tài)較為平穩(wěn)。

（2）平緩變化階段。當(dāng)安全程度為基本安全時，有2層含意：一方面可以認為雖然局部有些問題，但不會影響到大壩的安全，在加強監(jiān)控條件下可以正常運用。另一方面說明了大壩性態(tài)已經(jīng)發(fā)生了局部的不正常，對大壩安全程度的影響已經(jīng)在加大了。

（3）急劇發(fā)展階段。在不安全階段，大壩安全狀態(tài)很快發(fā)展。即使只有一處發(fā)生了明顯的嚴重問題，大壩已不能正常使用，在洪水或其它條件下可能發(fā)生較大的事故。此時大壩安全程度快速減小。

（4）在很不安全階段，危險性很大。很不安全性態(tài)說明多處發(fā)生了明顯的問題，大壩安全程度較低。

（5）極不安全階段，隨時可能出現(xiàn)嚴重險情，大壩安全程度很低。

綜上所述，大壩安全程度變化關(guān)系類似于一條S形曲線。第1和第5階段，狀態(tài)較為平穩(wěn)，其它階段，發(fā)展變化較快。

2．3 安全量化評價模型

根據(jù)對大壩安全程度變化特性的分析，大壩安全性態(tài)變化非常類似于Logistic生長曲線的特征。Logistic模型常用表達式如下：

式中a，b，c表示參數(shù)。

現(xiàn)用安全程度系數(shù)F來表示大壩安全程度，x表示大壩安全程度評分，因此，x的取值范圍為（0，10），F(xiàn)采用（0，1）表示，F(xiàn)值越接近1表示大壩安全程度越高，將（1）式自變量進行轉(zhuǎn)換t＝－10＋2x，讓模型滿足F與x值取值范圍，提出大壩安全評價量化評價模型基本式如式（2）。

根據(jù)大壩安全程度變化特點，取S1～S5表示各區(qū)間安全程度系數(shù)變化幅值，假定5個變化幅值前后對稱，且成倍數(shù)關(guān)系，即：第1與第5階段狀態(tài)較為平穩(wěn)，取S1＝S5＝0．1；第2階段與第4階段狀態(tài)變化稍有加快，取發(fā)展速率為第1階段2倍，S2＝ 0．2；第3階段為狀態(tài)變化最為急劇階段，取發(fā)展速率為第2階段2倍，S3＝0．4。由此大壩安全評價量化評價模型的關(guān)鍵點評分與安全程度系數(shù)對應(yīng)情況見表2。

表2 安全程度系數(shù)與評分對應(yīng)表Table 2 Safety level factor F and corresponding evaluation values

根據(jù)確定的關(guān)鍵點，采用數(shù)學(xué)工具MATLAB中nlinfit函數(shù)非線性擬合功能，即可較為精確地得到模型參數(shù)。程序關(guān)鍵語句如下：

擬合得到參數(shù)a＝1．026 8，b＝0．391 8，c＝1．009 0，擬合決定系數(shù)為0．998 6，可見擬合相似程度非常高，擬合曲線圖見圖1，擬合后各關(guān)鍵點安全程度系數(shù)值見表3，因此大壩安全評價量化評價模型表達式為

圖1 擬合曲線圖Fig．1 Fitting curve of safety level factor F

表3 量化評價模型關(guān)鍵點對應(yīng)值Table 3 Dam safety levels and corresponding values of the quantitative evaluation m odel

3 大壩安全量化評價模型的意義

根據(jù)以上分析，通過將規(guī)范中安全評價等級進一步細分，采用量化評價模型，將專家評分轉(zhuǎn)化為了符合大壩安全程度變化規(guī)律的量化評價系數(shù)，通過該系數(shù)即可較為直觀地反應(yīng)大壩各單項指標所處的安全狀態(tài)，實現(xiàn)了將規(guī)范中只能用3個等級進行評價的定性模式轉(zhuǎn)化為采用非線性連續(xù)數(shù)值表示的量化評價模式。

（1）當(dāng)量化評價值在0．92以上時，表明該指標安全狀況非常好，可以正常運行；

（2）當(dāng)量化評價值在0．69～0．92區(qū)間時，表明該指標安全狀況基本正常，只是個別方面存在缺陷；

（3）當(dāng)量化評價值在0．31～0．68之間時，表明該指標安全狀況已存在危險，有個別方面存在安全隱患；

（4）當(dāng)量化評價值在0．09～0．31之間時，表明該指標已非常危險，在多個方面已經(jīng)出現(xiàn)明顯安全問題；

（5）當(dāng)量化評價值在0．09以下時，表明該指標已有重大險情。

4 實例應(yīng)用分析

紅旗水庫位于修水縣四都鎮(zhèn)堝頭村境內(nèi)，水系為修河支流彭姑河上游，距鎮(zhèn)政府所在地6 km。壩址以上控制流域面積10．9 km2，約占彭姑河總流域面積的24．3%。紅旗水庫大壩始建于1969年，原設(shè)計為?。á瘢┬退畮?，后在施工過程中擴建成中型水庫，1972年大壩主體工程竣工。該水庫于2004年依據(jù)《導(dǎo)則》進行了大壩安全鑒定，通過鑒定，主要鑒定意見如下：

工程質(zhì)量綜合評價為不合格；水利樞紐運行管理評價為差；大壩防洪安全評價為C級；結(jié)構(gòu)安全評定為C級；大壩滲流安全等級評定為C級；金屬結(jié)構(gòu)安全性等級評價為C級。綜合分析目前該水庫存在的病險情況，并結(jié)合大壩工程質(zhì)量、運行管理、抗洪能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、滲流安全及金屬結(jié)構(gòu)安全性分析評價成果，紅旗水庫存在嚴重的病險問題，應(yīng)屬于“三類壩”。

通過原有評價方式，對紅旗水庫的安全評價主要為定性評價方式。如果按照量化評價模式，首先對大壩各項指標進行定性評分，然后根據(jù)式（3）即可得到量化評價值。紅旗水庫大壩安全評價指標量化評價表見表4。

表4 紅旗水庫大壩安全評價指標量化評價表Table 4 Quantitative evaluation of each individual indicator for Hongqi reservoir

根據(jù)表4可以看出，原有評價模式下，紅旗水庫的各項評價指標主要為C級，而通過量化評價模式，原來的C級又細分為了不安全、很不安全、極不安全3個等級。而且即使同一個等級下，每個評價指標也都有各自不同的量化評價值，通過該量化值，可以明確地了解工程該項指標的安全程度。

另外，根據(jù)各項評價指標的量化評價值，通過加權(quán)法等綜合評價方法［4］，就可以得到大壩的綜合評價量化評價值。因此，即使同為“三類壩”，也可以根據(jù)其綜合量化評價值對其病險程度進行清晰的排序，從而為相關(guān)管理部門進行決策提供更為明確的依據(jù)。

由此可見，通過量化評價模型實現(xiàn)大壩安全的量化評價是可行的，而且具有較強的實際意義。

5 結(jié) 語

（1）本文充分分析了大壩安全程度動態(tài)變化特點，將大壩安全程度進一步細化，通過評分法以及基于logistic生長曲線模型提出的大壩安全評價量化評價模型，完成了大壩安全評價各單項評價指標有定性評價向量化評價的轉(zhuǎn)變。

（2）本文首先確定了大壩安全程度的特定量化評價值，在模型擬合過程中引入了Matlab數(shù)學(xué)分析工具，精確擬合出了量化評價模型參數(shù)，擬合決定系數(shù)達到了0．998 6。

（3）根據(jù)本文介紹的大壩安全評價各單項指標評價的量化評價方法，通過加權(quán)法等綜合評價方法即可實現(xiàn)大壩安全評價的量化評價。

［1］ SL258—2000，水庫大壩安全評價導(dǎo)則［S］．（SL258—2000，Guide for Evaluation of Dam Safety［S］．（in Chinese））

［2］ 李 雷，王昭升，張士辰．大壩性態(tài)危險程度判別模型研究［J］．安全與環(huán)境學(xué)報，2007，（6）：149－152．（LI Lei，WANG Zhao-sheng，ZHANG Shi-chen．Study on I-dentifiable Mode of Dam Performance Hazard Degrees［J］．Journal of Safety and Environment，2007，（6）：149－152．（in Chinese））

［3］ 張國棟，李 雷，彭雪輝．基于大壩安全鑒定和專家經(jīng)驗的病險程度評價技術(shù)［J］．中國安全科學(xué)學(xué)報，2008，9（9）：158－166．（ZHANG Guo-dong，LI Lei，PENG Xue-hui．Appraising Techniques for Dam Severity Based on Dam Safety Appraisal and Expert’s Experience［J］．China Safety Science Journal，2008，9（9）：158－ 166．（in Chinese））

［4］ 熊 威，田 波，盧建華．水庫大壩安全評價技術(shù)與方法探討［J］．人民長江，2011，6（12）：24－27．（XIONG Wei，TIAN Bo，LU Jian-hua．Discussion on Technologies and Methods of Safety Evaluation of Dams and Reservoirs［J］．Yangtze River，2011，6（12）：24－27．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Quantitative M odel for Dam Safety Assessment

ZHANG Ji，LIN Shui-sheng，RAO Xi-bao
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The key to assess dam safety is to qualitatively evaluate each individual indicator．We determine the specific quantitative evaluation values of the dam safety level，and then define themodel parameters of the dam safety level by non-linear fittingmathematical analysis tool（Matlab）．Thereby，on the basis of Logistic model，we can get a precise quantitative evaluationmodel，which accurately fits the quantitative evaluation parameterswith the determination coefficientof0．998 6．In thisway，the qualitative evaluation of individual indicators is transformed into quantitative evaluation．

dam；safety assessment；quantitative assessmentmodel

TV321

A

1001－5485（2013）02－0012－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．003

2012－08－25

國家十一五科技支撐計劃課題“病險水庫除險加固關(guān)鍵技術(shù)研究”（2006BAC14B04）

張 計（1978－），男，湖北武漢人，工程師，主要從事巖土工程研究工作，（電話）18971081016（電子信箱）18971081016＠189．cn。