基于模糊層次聚類的混凝土壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價指標(biāo)研究1

成榮亮，王偉龍

（1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇省南京市 210029；2. 水利部大壩安全管理中心，江蘇省南京市 210029；3.河南科光工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，河南省鄭州市 450003）

基于模糊層次聚類的混凝土壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價指標(biāo)研究1

成榮亮1，2，王偉龍3

（1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇省南京市 210029；2. 水利部大壩安全管理中心，江蘇省南京市 210029；3.河南科光工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，河南省鄭州市 450003）

完備可靠的安全監(jiān)測系統(tǒng)對及時全面掌握大壩狀態(tài)具有重要作用，目前不少大中型水庫安全監(jiān)測系統(tǒng)或因施工期成活率或已運行后出現(xiàn)部分設(shè)備老化、監(jiān)測儀器損壞等現(xiàn)象，失去其大壩安全的“耳目”作用。為了系統(tǒng)地了解監(jiān)測儀器的運行狀況和評價現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)施的測值是否正常，就需對安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行全面評價和鑒定。為此，本文利用層次分析法研究了混凝土壩監(jiān)測系統(tǒng)評價指標(biāo)體系及量化方法，分析了指標(biāo)集、評價集和指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建了模糊評價模型，對西溪混凝土壩的安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了模糊綜合評價，實例分析表明，評價結(jié)論符合工程實際。

混凝土壩；安全監(jiān)測系統(tǒng)；評價指標(biāo)；模糊聚類法；層次分析法

1 概述

目前，全國共有水庫98002座（不含港澳臺），其中大型水庫756座，中型水庫3938座，小型水庫93308座[1]。水庫是關(guān)系國計民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在防洪、供水、發(fā)電、航運、環(huán)境與生態(tài)保護(hù)等方面發(fā)揮著無可替代的巨大作用[2]。20世紀(jì)90年代以后，我國大中型水庫工程普遍開展了大壩安全監(jiān)測工作，有條件的重要小型水庫也積極組織安全監(jiān)測工作。水利部大壩安全管理中心對我國394座水庫開展的問卷調(diào)查，調(diào)查顯示334座建立了大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)（占85%）[3]。總體上看，大壩安全監(jiān)測工作受到廣泛重視。

然而，不少大中型水庫安全監(jiān)測系統(tǒng)或因施工期成活率，或已運行后出現(xiàn)部分設(shè)備老化、監(jiān)測儀器損壞等現(xiàn)象，失去其大壩安全的“耳目”作用[4]。目前，由于缺少相應(yīng)安全監(jiān)測儀器現(xiàn)場檢測、系統(tǒng)可靠性評價和監(jiān)測資料合理性分析方法和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]，造成已建成的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況無法掌握，給大壩的安全運行帶來許多盲區(qū)和隱患，甚至誤導(dǎo)水庫運行調(diào)度和決策。同時，不可靠的系統(tǒng)和不合理的測值極大地制約著水庫現(xiàn)代化、科學(xué)化管理水平發(fā)展，影響到水庫社會和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮，甚至?xí)斐伤畮齑髩问碌膰?yán)重后果，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會造成重大損失。要改變這種無章可循的現(xiàn)狀，需要對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)可靠性評價進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。為此，本文對混凝土壩安全監(jiān)測系統(tǒng)鑒定評估指標(biāo)體系和評估模型進(jìn)行了研究。

2 指標(biāo)體系設(shè)計

2.1 指標(biāo)體系建立

依據(jù)《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL 601—2013）、《大壩安全監(jiān)測儀器安裝標(biāo)準(zhǔn)》（SL 530—2012）、《大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)驗收規(guī)程》（GB/T 22358—2008）等規(guī)程，建立如圖1所示的指標(biāo)體系。評價指標(biāo)分為三層，第一層為總指標(biāo)層；第二層為子評價層包括環(huán)境量監(jiān)測（X1）、變形監(jiān)測（X2）、滲流監(jiān)測（X3）、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測（X4）和專項監(jiān)測（X5）等五個指標(biāo)；第三層包括18個指標(biāo)，詳見圖1。

圖1 混凝土壩安全監(jiān)測系統(tǒng)鑒定指標(biāo)體系Fig.1 Appraisal index system of concrete dam safety monitoring system

2.2 指標(biāo)的量化方法

指標(biāo)體系第三層的每個指標(biāo)是對應(yīng)一類或幾類監(jiān)測儀器，如壩體變形——引張線、正垂線、倒垂線、滲流量——量水堰。需先對第三層指標(biāo)包括的儀器進(jìn)行工作狀態(tài)檢測，采用經(jīng)計量認(rèn)證有效的讀數(shù)儀、VWP頻率計、位移計讀數(shù)儀、萬用電表、兆歐表、電纜檢測儀[6]等對所有監(jiān)測儀器進(jìn)行現(xiàn)場檢測[5]。

依據(jù)工程實際和便于監(jiān)測系統(tǒng)管理，將混凝土壩監(jiān)測儀器的工作狀態(tài)分為正常、留待觀察和報損三大類，具體見表1。對儀器的工作狀態(tài)賦分為：A1類1.0分，A2類0.9分，A3類0.8分，B類0.6分，C1類0.4分，C2類0.2分。在得出各支儀器得分后，匯總得出相應(yīng)指標(biāo)的賦分。實際工程中往往會存在第三層指標(biāo)未進(jìn)行儀器布設(shè)的情況，對此類指標(biāo)參照留待觀察狀態(tài)均賦0.6分。

表1 儀器工作狀態(tài)分類依據(jù)及賦分說明 [5]Tab.1 Instrument working condition classification basis and assign points[5]

3 混凝土壩安全監(jiān)測系統(tǒng)模糊評價模型建立

3.1 確定指標(biāo)權(quán)重

為了建立混凝土壩安全監(jiān)測系統(tǒng)模糊評價模型，需要先確定指標(biāo)集以及相應(yīng)的評價集，并確定指標(biāo)權(quán)重。

首先確定指標(biāo)集，第一層評價指標(biāo)集：X={X1，X2，X3，X4，X5}，第二層為子評價指標(biāo)集，具體見圖1；其次確定評價集V={V1，V2，V3，V4}={完備性好，完備性較好，完備性一般，完備性差}；最后采用專家估計法確定評價模型的指標(biāo)權(quán)重向量，記為A。

3.2 建立評價關(guān)系矩陣

將混凝土壩安全監(jiān)測系統(tǒng)完備性定義為[0，1]，評價集 Vj劃分為的 4 個區(qū)間，[0，0.6]，[0.6，0.8]， [0.8，0.9]，[0.9，1.0]。本文對評價進(jìn)行模糊化處理，利用圖2所示的線性隸屬函數(shù)，對某個指標(biāo)的具體數(shù)值以不同的隸屬度分屬于不同的模糊集合Vj和Vj+1（j=1，2，3）[7]。

對圖2所示的隸屬函數(shù)表達(dá)如下：

圖2 rvj的線性隸屬函數(shù)Fig.2 rvj Linear membership functions

利用上文所述隸屬度函數(shù)對每個指標(biāo)進(jìn)行計算的混凝土安全監(jiān)測系統(tǒng)評價關(guān)系矩陣

3.3 模糊綜合評價模型

用權(quán)向量A將評價關(guān)系矩陣R不同的行綜合，得到該被評事物從總體上來看對各評價子集的隸屬程度，即模糊綜合評價結(jié)果向量B。用數(shù)學(xué)語言表達(dá)三者之間的關(guān)系為：B=A*R（*為算子符號），稱之為模糊變換。

4 工程案例

4.1 工程基本情況

西溪水庫工程是浙江省的一座以防洪、供水為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電等綜合利用的中型水庫，由攔河壩、溢洪道、引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房等組成[9]。攔河壩布置在沙地峽谷口地段，為碾壓混凝土重力壩，引水系統(tǒng)和發(fā)電廠房位于河床靠左側(cè)岸。水庫壩址以上控制流域面積95.64km2，多年平均流量3.46m3/s，年徑流量1.09億m3。工程為Ⅲ等中型工程，攔河壩、泄洪建筑物及引水建筑物為3級建筑物，按100年一遇洪水設(shè)計，設(shè)計洪水位152.02m，1000年一遇洪水校核，校核洪水位152.45m。大壩安全監(jiān)測儀器于2006年12月23日開始安裝，2007年6月28日全面投入使用，西溪水庫大壩安全監(jiān)測平面圖見圖3。

西溪水庫大壩共安裝埋設(shè)了94支/套觀測儀器，另有41支壩體溫度計采用人工觀測，儀器匯總見表2。監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)運行約十年，目前西溪水庫的監(jiān)測部分儀器出現(xiàn)老化損壞、測值不穩(wěn)現(xiàn)象，如測縫計J1、J3、J5和J7已經(jīng)損壞、引張線系統(tǒng)基本不可用等，影響了監(jiān)測資料成果分析，再加上自動化采集與分析系統(tǒng)功能不完備等，不能掌握大壩運行狀態(tài)，有必要對該系統(tǒng)進(jìn)行全面地更新改造[10-11]。

圖3 西溪水庫大壩安全監(jiān)測平面布置圖Fig.3 Layout of Xixi reservoir dam safety monitoring

表2 西溪水庫安全監(jiān)測儀器匯總表[9]Tab.2 Summary table Xixi reservoir safety monitoring instrument[9]

4.2 模型計算

依據(jù)西溪水庫工程的具體情況，在綜合有關(guān)專家意見的基礎(chǔ)上，確定各指標(biāo)權(quán)重如下：

首先向西溪水庫管理人員了解安全監(jiān)測基本情況，并收集儀器的安裝埋設(shè)原始資料和歷史觀測數(shù)據(jù)，并通過現(xiàn)場檢測匯總出目前西溪水庫安全監(jiān)測各儀器工作狀態(tài)[6]。然后利用前文指標(biāo)量化方法算出子評價集的得分，通過加權(quán)平均法算出評價集得分X=（0.6375，0.5496，0.8640，0.6938，0.6000）。 再 利用隸屬度函數(shù)得出西溪水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價

4.3 模型測試結(jié)果與分析

由上文可知，max（bi）=b2，故西溪水庫安全監(jiān)測鑒定等級為V2級，完備率一般。結(jié)果與《浙江省寧海縣水庫大壩安全監(jiān)測資料分析與系統(tǒng)鑒定》審查意見基本一致，建議盡快開展大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造完善工作。實例表明本文提出的指標(biāo)體系和評估模型是合理的。

5 結(jié)束語

本文利用層次分析法研究了混凝土壩監(jiān)測系統(tǒng)評價指標(biāo)體系及量化方法，分析了指標(biāo)集、評價集和指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建了模糊評價模型，以西溪混凝土壩的安全監(jiān)測系統(tǒng)作為實例，驗證表明構(gòu)建的評價模型是合理的，為混凝土壩安全監(jiān)測系評價和統(tǒng)鑒定工作提供一個可靠的評價模型。但需要進(jìn)一步的研究來完善：

（1） 利用層次分析法研究了混凝土壩監(jiān)測系統(tǒng)評價指標(biāo)體系及量化方法，主要依據(jù)《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL 601—2013）來制定，指標(biāo)的選取和體系架構(gòu)是合理的，但后面還需要大量的論證和測試來改善此體系。

（2）以浙江省西溪水庫一座水庫為例，計算的成果與實際相符，是否具有普適應(yīng)性并未進(jìn)行驗證，所以需要通過大量已鑒定水庫或應(yīng)用實例來驗證和完善現(xiàn)有模型。

（3）僅對混凝土壩大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)鑒定指標(biāo)體系和評估方法研究，對于其他壩型安全監(jiān)測系統(tǒng)評價后面還需進(jìn)一步研究。

[1] 中華人民共和國水利部，中華人民共和國國家統(tǒng)計局.第一次全國水利普查公報[EB/OL]. http：//www.mwr.gov.cn/2013pcgb/index.html

[2] 南京水利科學(xué)研究院，水庫大壩安全管理標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵要素研究[R].2014

[3] 南京水利科學(xué)研究院，大型水庫調(diào)度規(guī)程、大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案和大壩安全鑒定工作情況調(diào)查報告[R].2015.

[4] 南京水利科學(xué)研究院，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價與驗收標(biāo)準(zhǔn)研究[R].2010.

[5] 劉成棟，馬福恒，向衍，等.大壩安全系統(tǒng)鑒定及其軟件研制[J].水利學(xué)報，2007，10：214-218.LIU Chengdong，MA Fuheng, XIANG Yan，et al.Appraisal of Safety Monitoring System of Dam and Development of the Software[J]，Jourral of Hydraulic Engineering，2007，10 ：214-218.

[6] 徐丙垠，李勝祥.通信電纜線路故障測試技術(shù)[M].北京：北京郵電出版社，2000，25-45.

[7] 王志濤，江超，姜曉琳，等.基于模糊理論的土石壩風(fēng)險綜合評價方法[J]，水利與建筑工程學(xué)報，2011.9（2）：27-30，105.WANG Zhitao，JIANG Chao，JIANG Xiaolin，et al. Research on Comprehensive Evaluation Method for Risk of Earth-rock Dam Based on Fuzzy[J]. Logic Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2011，9（2）：27-30，105.

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[9] 水利部大壩安全管理中心，浙江省寧?？h西溪水庫工程大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)更新改造設(shè)計[R].2016.

[10] 張勇，李子陽，馬福恒，等.西溪水庫大壩安全監(jiān)測儀器可靠性評價[J]，浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2015，27（3）：22-27.ZHANG Yong，LI Ziyang，MA Fuheng，et al.Reliability Evaluation on Dam Safety Monitoring Instrument of Xixi Reservoir[J].Zhejiang University of water Resourles＆ Electric Power，2015.27（3）：22-27.

[11] 高嵐，楊志峰，李艷，花勝強.基于組態(tài)的大壩安全監(jiān)測任務(wù)系統(tǒng)[J].水電與抽水蓄能，2015，1（3）：26-28.GAO Lan，YANG Zhifeng，LI Yan，HUA Shengqiang.Customizable Dam Safety Monitoring Mission System[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（3）：26-28.

Research on the Evaluation Index for Concrete Dam Safety Monitoring System Based on Fuzzy Hierarchy Clustering and AHP

CHENG Rongliang1，2，WANG Weilong3
（1. Dam Safety Management Department of Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210029，China；2.Dam Safety Management Center of the Ministry of Water Resources，PRC，Nanjing 210029，China；3.Henan Keguang Project Construction Supervision Co.Ltd，Zhengzhou 450003，China）

Complete and reliable safety monitoring system plays an important role in the comprehensive and timely grasp of dam safety behavior. At present some large and medium-sized reservoirs safety monitoring system lost their “eyes and ears” function of the dam safety， because of the low survival rate during the construction or a number of the aging equipment and the damaging monitoring equipment after operation. In order to systematically master the operation condition of the monitoring instrument and evaluate whether the measured values can really reflect the actual situation of the dam， we need to conduct a comprehensive evaluation of the dam safety monitoring system. Therefore， in this paper， we study the evaluation index system of the concrete dam monitoring system and its quantitative methods using the AHP， analyzing the index sets， evaluation sets and index weight， building a fuzzy evaluation model， doing fuzzy comprehensive evaluation of the safety monitoring system for XiXi concrete dam， testing show that the evaluation conclusion accords with the engineering practice.

concrete dam； safety monitoring appraisal； evaluation index； fuzzy clustering method ； AHP

TV TV698.1

A

570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.015

國家自然科學(xué)基金資助項目（編號：51139001）；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費（201401022、201501036）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（Y715009、Y715012、Y715018）；河南省水利科技攻關(guān)項目（GG201532、GG201546、GG201656、GG201657）。

The National Natural Science Foundation of China (No.51139001); Ministry of Water Resources Public Industry Research Special Funds for Projects （201401022，201501036）；The Central Level, Scientific Research Institutes for Basic R & D Special Fund Business （Y715009，Y715012，Y715018）；Henan Province Water Conservancy Science and Technology Research Projects（GG201532，GG201546，GG201656，GG201657）.

2016-08-29

2016-10-13

成榮亮（1988—），男，工程師，碩士，江蘇如皋人，主要研究方向：水利工程安全評價與安全監(jiān)控研究工作，E-mail：rlcheng@nhri.cn