基于未確知測度及層次分析法的土石壩安全綜合評價

費(fèi)小霞，李 乾，李 鋒

(1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南鄭州450002；2.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450011)

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基于未確知測度及層次分析法的土石壩安全綜合評價

費(fèi)小霞1，李 乾2，李 鋒2

(1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南鄭州450002；2.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450011)

從決策者的主觀角度考慮，針對決策者在土石壩的風(fēng)險因素間比較判斷中的主觀性和未確知性，建立了基于未確知測度及層次分析法的土石壩安全綜合評價模型，并以洪河水庫土石壩工程為例，驗證了該模型在評價過程中的合理性及有效性，為土石壩安全管理決策提供了一種新的方法。

土石壩；安全綜合評價；未確知測度；層次分析法

我國是世界筑壩大國，在已建成的水庫大壩中，土石壩所占比例達(dá)90%以上[1]。受不同時期技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等不確定性因素的影響，相當(dāng)一部分運(yùn)行多年的土石壩產(chǎn)生了各種病險隱患。近年來，我國開始對病險水庫分批次地進(jìn)行除險加固工作。為了保證除險加固資金的合理分配及有效使用，必須對水庫病險狀況進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的判斷，區(qū)分清輕重緩急，分期分批合理投入。因此，必須全面了解大壩安全現(xiàn)狀及存在的問題，對大壩進(jìn)行科學(xué)、合理的安全綜合評價，采取相應(yīng)措施保障大壩的安全運(yùn)行，以降低或消除水庫潰壩的風(fēng)險。梅亞東、談廣鳴[2]從防洪安全、防洪風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)等方面對大壩的防洪風(fēng)險進(jìn)行了研究；李玉欽[3]利用ANP建立了水電工程綜合評價模型，討論了基于費(fèi)用、進(jìn)度、質(zhì)量的安全綜合評價體系；劉亞蓮、周翠英[4]將模糊數(shù)學(xué)運(yùn)用到了水庫的安全綜合評價中；王仁鐘、李雷等[5]通過對多個水庫的調(diào)查分析，在潰壩風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)方面提出了見解。由于許多風(fēng)險因素難以用定量方法計算，各個因素的權(quán)重受人為因素的影響較大，往往由于決策者的風(fēng)險偏好而改變評價結(jié)果，使現(xiàn)有的安全綜合評價方法的應(yīng)用受到限制。

王光遠(yuǎn)院士從決策者的主觀偏好出發(fā)，提出了未確知性這種數(shù)學(xué)分析方法[6- 7]，認(rèn)為事物本身是客觀存在的，但由于決策者受自身認(rèn)知能力的限制，不能完全把握事物真實(shí)狀態(tài)和數(shù)量關(guān)系，產(chǎn)生純主觀認(rèn)識上的不確定性即為未確知性。本文利用未確知理論和層次分析法，建立土石壩工程安全綜合評價模型，以期對土石壩進(jìn)行客觀評價。

1 土石壩安全綜合評價指標(biāo)體系

1.1 評價指標(biāo)體系建立

影響土石壩安全運(yùn)行的風(fēng)險因素復(fù)雜多樣。就壩體本身來說，有材料性能、量測信息、幾何尺寸及荷載等多種影響因素；就工程運(yùn)行而言，還有問題反饋、信息傳遞等主客觀影響因素。這些因素都會對決策的正確性有所影響。安全評價指標(biāo)體系是土石壩系統(tǒng)安全評價成果科學(xué)、合理、可靠的關(guān)鍵，需要遵循科學(xué)性、代表性、可操作性及定性定量相結(jié)合的原則擬定安全評價指標(biāo)，由此建立安全評價指標(biāo)體系。本文結(jié)合SL 176—2007《水利水電工程施工質(zhì)量檢驗與評定規(guī)程》和SL 258—2000《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》，建立了土石壩安全綜合評價指標(biāo)體系，其框架結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 土石壩安全綜合評價指標(biāo)體系框架結(jié)構(gòu)

1.2 評價指標(biāo)等級劃分

依據(jù)SL 258—2000和能源電[1988]37號文《水電站大壩安全檢查實(shí)施細(xì)則》，大壩綜合評價結(jié)果分為正常壩、病壩、險壩3類，并且均有相應(yīng)說明。由于相關(guān)規(guī)范中正常壩的劃分范圍很寬，有時會將能夠正常運(yùn)行但局部存在風(fēng)險因素的大壩涵蓋進(jìn)去。考慮到土石壩安全綜合評價結(jié)果的可靠性，本文參考文獻(xiàn)[8]，將安全評價集分為正常、基本正常、輕度異常、重度異常、惡性異常等5級，相應(yīng)的安全評價等級向量T=(t1、t2、t3、t4、t5)。

2 實(shí)例分析

鞏義市洪河水庫位于伊洛河支流，屬小(1)型水庫，控制流域面積13.2 km2，總庫容258萬m3，現(xiàn)狀壩頂高程39 m，至今已運(yùn)行50余年。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)存在壩體滲漏，庫區(qū)嚴(yán)重淤積，防洪標(biāo)準(zhǔn)不足，輸水渠道老化坍塌，無水文預(yù)報系統(tǒng)，水位、流量觀測設(shè)施陳舊落后等一系列問題。

2.1 劃分指標(biāo)并確定指標(biāo)權(quán)重

采用層次分析法(AHP)確定指標(biāo)權(quán)重。層次分析法依據(jù)直接優(yōu)勢度原則獲得判斷矩陣，即在同一準(zhǔn)則下元素間兩兩比較，一般采用風(fēng)險因素兩兩比較并賦分的1～9標(biāo)度法來估計因素之間的相對重要性。B層的判斷矩陣A為

式中，aij為以A層為判斷準(zhǔn)則，B層要素i對要素j的相對重要度。為了避免風(fēng)險因素兩兩比較時存在a>b,b>c,c>a這樣的邏輯錯誤，排序完成后需要進(jìn)行一致性檢驗。

上述步驟完成后，求出判斷矩陣的特征值及特征向量，公式如下

式中，wi(i=1,2,…,nb)即為所求權(quán)重值。

根據(jù)以上步驟，計算得到各指標(biāo)權(quán)重(見表1)。

表1 各指標(biāo)權(quán)重

風(fēng)險因素權(quán)重風(fēng)險因素權(quán)重壩基質(zhì)量0054防洪能力0093壩體填筑質(zhì)量0069壩體變形0062生物隱患0025背水坡滑坡0056壩坡完整性0063庫岸穩(wěn)定0037泄洪建筑物質(zhì)量0066異常滲流0059防滲體等級0024排水設(shè)施0090調(diào)度管理0039滲流坡降0016現(xiàn)場檢查0042暴雨0044養(yǎng)護(hù)維修0055金屬結(jié)構(gòu)0033泄洪安全0060地震0013

2.2 單指標(biāo)測度確定

土石壩安全綜合評價指標(biāo)分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)2種。其中，定量指標(biāo)可以按照實(shí)測值及計算分析值，依據(jù)未確知測度函數(shù)進(jìn)行計算；定性指標(biāo)則是對土石壩的運(yùn)行情況進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，由專家打分而得，打分值需要帶入未確知測度函數(shù)進(jìn)行處理。

定量指標(biāo)以滲透坡降風(fēng)險因素為例加以分析。采用實(shí)際出逸坡降與允許出逸坡降之比k=J實(shí)/J允。滲透坡降安全等級評價準(zhǔn)則見表2。

表2 滲透坡降安全等級評價準(zhǔn)則

評價系數(shù)K評價等級Tk≥13(k1)惡性異常(t5)k=12～13(k2)重度異常(t4)k=11～12(k3)輕度異常(t3)k=10～11(k4)基本正常(t2)k≤10(k5)正常(t1)

依照SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》中滲流計算的方法，對洪河水庫進(jìn)行滲流計算。從計算結(jié)果看，壩坡最大出逸比降在大壩填土允許值范圍內(nèi)。滲透坡降單指標(biāo)未確知測度函數(shù)見圖2。滲透坡降的單指標(biāo)測度向量為(0.95，0.05，0，0，0)。

圖2 滲透坡降未確知測度函數(shù)

定性指標(biāo)以養(yǎng)護(hù)維修風(fēng)險因素為例。養(yǎng)護(hù)維修是依據(jù)相關(guān)規(guī)范及水庫管理部門的規(guī)章制度，對水工建筑物、閘門、機(jī)電設(shè)備、照明設(shè)施等進(jìn)行經(jīng)常性的養(yǎng)護(hù)工作，并定期進(jìn)行檢修，以保持工程完整和設(shè)備完好。養(yǎng)護(hù)維修單指標(biāo)測度評價等級見表3。

表3 養(yǎng)護(hù)維修安全等級評價準(zhǔn)則

管理現(xiàn)狀X評價等級T大部分沒有按要求執(zhí)行20%(x1)惡性異常(t5)有較多部分沒有按要求執(zhí)行40%(x2)重度異常(t4)有少數(shù)幾個沒有按要求執(zhí)行60%(x3)輕度異常(t3)上述內(nèi)容基本能按要求執(zhí)行80%(x4)基本正常(t2)上述內(nèi)容均健全執(zhí)行>80%(x5)正常(t1)

洪河水庫工程維修養(yǎng)護(hù)和閘門啟閉設(shè)施維護(hù)實(shí)行定崗、定人、定責(zé)的目標(biāo)責(zé)任制管理。依據(jù)相關(guān)規(guī)范及規(guī)章制度，定期對大壩進(jìn)行檢查，對存在的隱患及時分析研究，并制定有針對性的解決方案。養(yǎng)護(hù)維修單指標(biāo)未確知測度函數(shù)見圖3。養(yǎng)護(hù)維修的單指標(biāo)測度向量為(0.8，0.2，0，0，0)。

圖3 養(yǎng)護(hù)維修未確知測度函數(shù)

通過對各個元素層每個風(fēng)險因素的分析，最終得到洪河水庫土石壩安全綜合評價單指標(biāo)未確知測度(見表4)。

表4 各個風(fēng)險因素單指標(biāo)未確知測度

風(fēng)險指標(biāo)惡性異常重度異常輕度異?；菊Ｕ位|(zhì)量0901000壩體填筑質(zhì)量007502500生物隱患0000307泄洪建筑物質(zhì)量003506500壩坡完整性035065000防滲體等級0002080調(diào)度管理0000208現(xiàn)場檢查情況0005050養(yǎng)護(hù)維修0000208泄洪安全0070300防洪能力00754024600壩體變形006603400背水坡滑坡10000庫岸穩(wěn)定007502500異常滲流045055000下游沖刷015085000滲透坡降000005095暴雨006403600金屬結(jié)構(gòu)033067000地震0000208

3 安全綜合評價

土石壩安全綜合評價未確知層次分析法模型是在滿足歸一性要求，同時評價空間有序分割的基礎(chǔ)上判斷土石壩安全等級，在一定程度上解決了模糊綜合評價中最大隸屬度原則會使評價結(jié)果有失真的可能性的問題，評價結(jié)果合理可信。

進(jìn)一步有針對性的進(jìn)行單個風(fēng)險因子分析可知，大壩工程、溢洪道工程存在較大風(fēng)險，其他因素風(fēng)險相對較小。針對所存在的風(fēng)險因素給出如下建議：

(1)建議盡快對主壩及溢洪道進(jìn)行除險加固，對存在的問題進(jìn)行處理，完善水庫建筑物安全監(jiān)測設(shè)施并加強(qiáng)觀測。

(2)對金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修或更新改造。

4 結(jié) 語

基于未確知測度及層次分析法的土石壩安全綜合評價模型，將決策者對評價模型中的定性化風(fēng)險因素的主觀判斷用數(shù)量及百分比的形式表達(dá)出來，并且評價空間的設(shè)置也滿足“歸一性條件”及“可加性原則”，評價過程及結(jié)果更加科學(xué)、合理，為土石壩工程的安全綜合評價提供了一種新的方法和途徑，具有一定的理論意義及實(shí)用價值。

[1]麻榮永. 土石壩風(fēng)險分析方法及應(yīng)用[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2004．

[2]梅亞東， 談廣鳴. 大壩防洪安全評價的風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)[J]. 水電能源科學(xué)， 2002， 20(4)： 8- 10．

[3]李玉欽. 基于網(wǎng)絡(luò)分析法的水電工程風(fēng)險分析方法研究[D]. 天津： 天津大學(xué)， 2007．

[4]劉亞蓮， 周翠英. 土石壩安全的模糊層次綜合評價及其應(yīng)用[J]. 水力發(fā)電， 2010， 36(5)： 38- 40．

[5]李雷， 王仁鐘. 潰壩后果嚴(yán)重程度評價模型研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報， 2006， 6(1)： 8- 10．

[6]王光遠(yuǎn). 未確知信息及其數(shù)學(xué)處理[J]. 哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報， 1990， 23(4)： 1- 9.

[7]萬玉成. 基于未確知性的預(yù)測與決策方法及其應(yīng)用研究[D]. 南京： 東南大學(xué)， 2004．

[8]李清富， 龍少江. 土壩壩坡失穩(wěn)風(fēng)險分析[J]. 水利水電技術(shù)， 2006， 37(5)： 41- 44．

(責(zé)任編輯 楊 健)

Safety Comprehensive Assessment of Earth-rock Dam Based on Unascertained Measure Theory and Analysis Hierarchy Process

FEI Xiaoxia1, LI Qian2, LI Feng2

(1. Henan Water & Power Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450002, Henan, China; 2. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, Henan, China)

In view of the subjective and uncertainty of decision makers in risk evaluation of earth-rock dam, a safety comprehensive assessment method of earth-rock dam based on unascertained measure theory and analytic hierarchy process is established to evaluate the safety of earth-rock dam. Taking the earth-rock dam of Honghe Reservoir as study case, the rationality and effectiveness of model in evaluating dam safety risk are verified. This new model provides a new approach to the security management decisions of earth-rock dams．

earth-rock dam; safety comprehensive assessment; unascertained measure; analysis hierarchy process

2016- 04- 13

國家自然科學(xué)基金資助項目(51379192)

費(fèi)小霞(1975—)，女，吉林通榆人，高級工程師，主要從事水利工程規(guī)劃設(shè)計工作；李乾(通訊作者)．

TV641；X913

A

0559- 9342(2016)09- 0046- 04