寧夏引黃灌區(qū)渡槽工程安全綜合評價研究

王永平，馬小剛，陸立國

(寧夏回族自治區(qū)水利科學(xué)研究院， 寧夏 銀川 750021)

寧夏引黃灌區(qū)渡槽工程安全綜合評價研究

王永平，馬小剛，陸立國

(寧夏回族自治區(qū)水利科學(xué)研究院， 寧夏 銀川 750021)

針對寧夏渡槽工程安全評價尚未建立統(tǒng)一的技術(shù)體系，開展工程安全評價體系研究，以期探索建立科學(xué)適用的工程安全評價體系，提高工程安全評價可靠性。經(jīng)實地調(diào)查、專家咨詢篩選指標，分層次建立指標體系，應(yīng)用不確定型層次分析法及群判斷相關(guān)理論確定指標權(quán)重，并制定指標評分標準和工程安全評級標準，完成工程安全綜合評價體系的構(gòu)建。經(jīng)實踐應(yīng)用表明，該評價體系能夠滿足寧夏引黃灌區(qū)渡槽工程安全評價需要，可為工程建設(shè)投資提供決策參考，也可為同類地區(qū)工程安全評價提供借鑒。

不確定型層次分析法；安全綜合評價；渡槽工程；寧夏引黃灌區(qū)

渡槽是寧夏引黃灌區(qū)渠系建筑物的重要組成部分，對保障寧夏工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮著十分重要的作用。據(jù)統(tǒng)計，寧夏引黃灌區(qū)現(xiàn)有320余座渡槽，大多建于二十世紀七八十年代。由于工程長期在復(fù)雜荷載作用下運行，同時受氣候、環(huán)境等自然因素和社會因素的影響，其安全性、適用性和耐久性逐步退化。為保證渡槽安全運行，除加強日常的運行管理和維修養(yǎng)護外，還需建立科學(xué)的工程安全綜合評價體系，對工程進行正確的評價，為管理部門合理制定工程更新改造方案提供基本決策依據(jù)。

目前用于水利工程安全評價的方法主要有公式法[1]、模糊綜合評價法[2-5]和層次分析法[6-8]。此外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[9]、熵權(quán)法[10-11]、物元分析法[12]等也有嘗試。

通用公式法簡單方便，但評判結(jié)果較為粗略，不適合評判要求較高的情況；模糊綜合評判法依靠數(shù)學(xué)模型將決策過程簡單化，評判結(jié)果準確性較高，但當評判指標較多或定性指標較多時，容易產(chǎn)生思維混亂，無法得到合理的評判結(jié)果。層次分析法分析問題層次清晰，原理簡單、容易掌握，但在權(quán)重計算時，傳統(tǒng)層次分析法采用數(shù)字判斷矩陣，無法全面的反映專家的真實判斷，并且專家權(quán)重計算采用算數(shù)平均的方法，給評價結(jié)果的準確性造成一定影響。

夏富洲等[13]應(yīng)用不確定型層次分析法對渡槽結(jié)構(gòu)進行狀態(tài)評估，專家評判采用扣分制，需要制定詳細扣分標準，并且與人們更傾向于憑借經(jīng)驗直接評分的習(xí)慣不相符，實際應(yīng)用中不利于專家經(jīng)驗的發(fā)揮。

在充分結(jié)合工程特性和地區(qū)特點的基礎(chǔ)上，運用不確定型層次分析法構(gòu)建工程安全綜合評價體系，應(yīng)用群判斷理論確定指標權(quán)重，實行專家評分制，使工程評價過程更趨于合理，有利于提高評價結(jié)果的可靠性。

1 渡槽安全評價體系構(gòu)建

1.1 指標層次的劃分

影響渡槽工程安全的因素眾多，且相互之間關(guān)聯(lián)復(fù)雜，多數(shù)無法直接采用函數(shù)關(guān)系進行表征，而是需要借助專家經(jīng)驗進行判斷。為便于評價，需要將影響因素進行分析、歸類、簡化。為此，通過工程勘查，初步篩選影響渡槽工程安全的各種因素，依據(jù)層次分析法的核心思想，對諸因素間的關(guān)聯(lián)程度及其層次隸屬關(guān)系進行分析，然后根據(jù)渡槽工程結(jié)構(gòu)的破壞機理結(jié)合專家意見，最終提煉出能反映渡槽工程安全狀況的評價指標，形成如圖1所示的渡槽工程安全評價指標層次結(jié)構(gòu)圖。渡槽工程安全狀態(tài)包含安全性、適用性、耐久性3個一級指標。安全性體現(xiàn)的是渡槽抵抗倒塌破壞的能力，包含結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)承載能力2個二級指標及7個三級指標；適用性體現(xiàn)的是渡槽的功能可否正常發(fā)揮，包含水力條件和結(jié)構(gòu)變形2個二級指標及5個三級指標；耐久性體現(xiàn)的是渡槽構(gòu)件隨運行時間推移局部老化破壞后仍然滿足服務(wù)年限要求的能力，包括表觀質(zhì)量和運行年限2個二級指標及5個三級指標。

圖1渡槽工程安全評價指標體系

1.2 指標權(quán)重的確定

傳統(tǒng)層次分析確定各層指標的權(quán)重時，需要專家依據(jù)1～9的數(shù)字標度，對每層指標的兩兩重要性進行比較，并用一個確定的數(shù)字表示，依此建立判斷矩陣，進而計算權(quán)重。因為人們判斷事物存在模糊性，所以用一個確定的數(shù)字表示兩個指標的相對重要程度，無法充分反映事物的實際狀態(tài)，繼而會影響到評價結(jié)果的準確性。因此，采用區(qū)間方法構(gòu)造判斷矩陣，即專家進行指標重要性比較時給出一個區(qū)間，而不是一個確切的數(shù)字，相比傳統(tǒng)層次分析法更符合人們判斷事物的實際情況。

1.2.1 構(gòu)造不確定型判斷矩陣

邀請專家采用1～9標度法對各層次中的指標進行兩兩相對重要性比較，建立判斷矩陣。即判斷矩陣A=(Aij)n×n，其中元素Aij為指標i與指標j之間的相對重要程度，用區(qū)間[aij，bij]表示，并且遵循以下原則：

(1)Aij=[aij，bij]，且1/9≤aij≤bij≤9；

(2)Aii=[1，1]，

1.2.2 判斷矩陣的一致性檢驗

為避免在進行指標兩兩比較時可能出現(xiàn)違反常識的邏輯，進而導(dǎo)致決策結(jié)果錯誤，還需對矩陣A進行一致性檢驗。首先采用公式(1)將區(qū)間判斷矩陣轉(zhuǎn)化為數(shù)字矩陣M=(mij)n×n，然后應(yīng)用傳統(tǒng)層次分析法判斷矩陣一致性檢驗方法進行檢驗，如不滿足一致性檢驗條件，還需對賦值的合理性進行分析，重新調(diào)整，直至符合一致性檢驗要求。

(1)

則M=(mij)n×n為滿足互反一致性的數(shù)字矩陣。

1.2.3 指標權(quán)重計算

(1) 判斷矩陣權(quán)重計算。由于不確定型判斷矩陣是以區(qū)間構(gòu)成，其權(quán)重計算方法與數(shù)字矩陣有所不同。目前主要有一致性逼近與誤差理論法、梯度特征向量法、區(qū)間書運算法則計算法等[8-10]。此處采用應(yīng)用廣泛的一致性逼近與誤差理論法進行判斷矩陣權(quán)重計算。

根據(jù)判斷矩陣的一致性逼近理論，當aij=bij，則不確定型判斷矩陣A=(Aij)n×n的一致性逼近矩陣M的權(quán)重向量與A以傳統(tǒng)層次分析法中的最小二乘法求出的權(quán)重相同。

(2)

(i=1,2,…,n)

(2) 專家權(quán)重計算。由于渡槽工程安全評價工作較為復(fù)雜，因此權(quán)重的確定需要多名專家發(fā)揮群體智慧才能得到較為準確的結(jié)果。但是，若依據(jù)專家構(gòu)造的判斷矩陣計算得到的權(quán)重進行簡單的算數(shù)平均作為評價指標的最終權(quán)重，則無法體現(xiàn)專家判斷的差異性，這也不符合實際，況且在專家對指標狀態(tài)的評價中也會出現(xiàn)類似的問題。因此，應(yīng)用文獻[14-15]中的方法進行專家可信度計算，可得到專家權(quán)重。

① 群判斷中的相似性計算。專家評判的相似性可通過向量間的空間位置關(guān)系進行反映，即通過兩向量夾角的余弦值大小來反映：夾角越小，其余弦值越大，則兩向量的相似程度就越高；反之，兩向量的相似程度就越差。

設(shè)兩個n維列向量a和b，其中a=(a1，a2，…，an)，b=(b1,b2,…,bn)，兩向量間的夾角為θ,則η=cosθ為兩向量的幾何相似系數(shù)，0≤η≤1，當且僅當α=kβ時，η=1。其值可由式(3)得到。

cosθ=〈α,β〉/‖α‖‖β‖=

(3)

u′表示第k個專家的評判值與其他專家的相似程度。

② 群判斷中的差異性計算。把m個專家構(gòu)造的判斷矩陣轉(zhuǎn)換成m個行向量α1,α2,…，αm，其中αi=(ak1，ak2，…，akm)表示第k位專家對n個評判指標所作的評判值，若ei為各專家對第i個評判指標所作評判值的均值，則有：

(4)

1.2.4 指標權(quán)重的確定

將專家判斷矩陣的權(quán)重依據(jù)專家權(quán)重進行加權(quán)平均得到各級指標的權(quán)重，結(jié)果見表1。

1.3 評判標準

1.3.1 指標評級基本標準

指標的狀態(tài)關(guān)系著工程整體的安全狀況，為了使指標狀態(tài)評判規(guī)范化，提高其可操作性，應(yīng)對各指標的狀態(tài)劃分相應(yīng)的標準。根據(jù)各構(gòu)件的破壞機理，參照相關(guān)技術(shù)規(guī)范[16-18]將指標狀態(tài)分為四個等級，見表2。

1.3.2 安全狀態(tài)評級基本標準

由于目前尚無有關(guān)渡槽工程安全評級規(guī)范，參照我國現(xiàn)行《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》[19](GJJ99—2003)，結(jié)合渡槽工程實際情況，將其安全狀態(tài)劃分為4個等級，依次為A類、B類、C類和D類，具體詳見表3。

表1 指標權(quán)重計算結(jié)果

注：相對壽命即工程運行年限與設(shè)計壽命的比值。

表2 指標評分基本標準

表3 渡槽工程安全評級標準

1.4 渡槽工程安全評價

1.4.1 總體評估

1.4.2 一票否決制

在工程實際評估中，可能出現(xiàn)總體評分較高，而對于工程安全狀態(tài)有重大影響的部件或結(jié)構(gòu)存在嚴重損傷，導(dǎo)致工程潛在安全風(fēng)險較高。如地基及基底、支撐結(jié)構(gòu)等。因此，在工程評估中還需實行“一票否決制”，即“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”和“結(jié)構(gòu)承載能力”所轄的下級指標，出現(xiàn)評分小于55分的指標時，則判定該工程安全類別為D類。

2 應(yīng)用實例

2.1 工程概況

某渡槽位于寧夏中寧縣境內(nèi)，采用鋼筋混凝土排架式矩形結(jié)構(gòu)，于1956年建成。排架孔寬30 m，孔高6 m～7 m，設(shè)計流量12 m3/s，槽箱寬3.0 m，高2.0 m，水深1.6 m，比降1/1000，長38.2 m，五跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，A型排架，混凝土擴大基礎(chǔ)。后因排架底部沖刷嚴重，對排架基礎(chǔ)進行了加固，采用五邊形船型混凝土加大基礎(chǔ)。目前工程的基礎(chǔ)及排架基本完好，槽箱內(nèi)外均存在大量豎向裂縫，且多數(shù)為貫穿性裂縫，槽箱上下游端裂縫密集，伸縮縫有開裂和破損，導(dǎo)致滲漏現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 工程評價及結(jié)果

經(jīng)專家評判得到各三級指標的評分，計算匯總得到工程評分值為59.45，見表4。對照表3可知工程安全類別屬于D類，應(yīng)對工程大修后才能正常運行，符合工程實際情況，該工程已列入工程改造項目。

表4 安全評價計算成果

3 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)層次分析法的不足，結(jié)合寧夏渡槽工程運行實際篩選指標，分層次建立工程安全評價指標體系，采用不確定層次分析法建立判斷矩陣，運用群判斷的可信度理論確定專家權(quán)重，指標最終權(quán)重由判斷矩陣權(quán)重和專家權(quán)重加權(quán)平均得出，使權(quán)重確定更趨于合理。經(jīng)應(yīng)用表明，評價結(jié)果能夠較好的滿足工程評價的實際需要，可在今后應(yīng)用中進一步完善，提高其推廣應(yīng)用性。

科學(xué)適用的工程安全評價體系不但有利于運行管理部門加強安全生產(chǎn)管理，而且能為建設(shè)管理部門制定工程更新改造方案提供有效的決策參考，有利于提高工程投資效益。

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AqueductSafetyEvaluationofNingxiaYellowRiverIrrigationArea

WANG Yongping, MA Xiaogang, LU Liguo

(NingxiaInstituteofWaterResourcesResearch,Yinchuan,Ningxia750021,China)

There is no unified technical safety evaluation system which is applicable to Ningxia aqueduct engineering. Through field investigation, expert consultation and screening index, the index system is established at different levels, the index weight is determined by the uncertain analytic hierarchy process and the group judgment theory, index scoring standards and engineering safety rating standards were established and the the comprehensive evaluation system for engineering safety was developed. The practical application shows that the evaluation system can meet the needs of the safety evaluation of aqueduct project in Ningxia Yellow River irrigation area, which can provide decision reference for engineering construction investment. It can also provide reference for similar regional engineering safety evaluation.

UAHP；safetyevaluation；aqueductengineering；yellowriverirrigationareaofNingxia

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.018

2017-07-04

2017-08-09

水利公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目“寧夏引黃自流灌區(qū)輸配水關(guān)鍵技術(shù)研究”(201301095)；寧夏水利廳重點科研項目“寧夏引黃灌區(qū)渠系工程安全評價與維修養(yǎng)護技術(shù)標準研究”

王永平(1980—)，男，寧夏西吉人，工程師，主要從事水利工程技術(shù)應(yīng)用技術(shù)研究。 E-mail: 345933489@qq.com

TV672.3；TV698.21

A

1672—1144(2017)06—0089—06