江西省信江水壩安全性狀評(píng)價(jià)分析研究

趙 月

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330200)

1 概 述

水壩作為我國水利工程中重要一項(xiàng)設(shè)施，水壩安全影響著水利工程的運(yùn)行安全及能效發(fā)揮作用。水壩安全與否是決定水庫后期維護(hù)策略方案的關(guān)鍵因素，如何及時(shí)快速準(zhǔn)確地對(duì)水壩安全情況進(jìn)行評(píng)價(jià)是水利工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員最為關(guān)心的問題。

關(guān)于評(píng)價(jià)對(duì)象的安全性評(píng)價(jià)方法大致可以概括為以下6類：層次分析法、模糊評(píng)價(jià)法、集對(duì)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、可靠度理論分析法、物元可拓模型分析法[1-3]。每種方法各自擁有不同優(yōu)缺點(diǎn)，物元可拓模型分析法作為新興方法備受推崇，但它無法針對(duì)分段函數(shù)造成的指標(biāo)之間不相容的缺陷作出很好的評(píng)價(jià)。因此對(duì)其合理改進(jìn)，若能避免該情況的發(fā)生在理論上還是值得研究嘗試。

本文以江西省上饒市余干縣水電站為研究對(duì)象，對(duì)其安全性狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。針對(duì)物元可拓模型的不足進(jìn)行有利改進(jìn)，并建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與劃分安全等級(jí)，計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度，最終得到綜合關(guān)聯(lián)度數(shù)值，對(duì)水壩運(yùn)營(yíng)安全安全等級(jí)對(duì)應(yīng)，為后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供理論依據(jù)與導(dǎo)向。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

為了能夠比較全面準(zhǔn)確地概括水壩安全性，充分結(jié)合相關(guān)規(guī)定[7]，綜合考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲取難易程度，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中主要由工程質(zhì)量評(píng)價(jià)、運(yùn)行管理評(píng)價(jià)、防洪標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)、滲流安全評(píng)價(jià)、抗震安全評(píng)價(jià)、金屬結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)共7個(gè)一級(jí)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。各一級(jí)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)依照實(shí)際情況細(xì)分成多個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及分級(jí)見圖1。

3 評(píng)價(jià)模型建立

針對(duì)水壩安全性評(píng)價(jià)主要選擇物元可擴(kuò)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。在該模型內(nèi)，設(shè)定被評(píng)價(jià)對(duì)象為A，其特征用B表示，并且該特征數(shù)值為C。A，B，C這3個(gè)元素按照順序構(gòu)成三元組R=(A,B,C)，該三元組是描述被評(píng)價(jià)對(duì)象的基本元，又稱物元。換句話說，被評(píng)價(jià)對(duì)象的名稱A、被評(píng)價(jià)對(duì)象的特征B、被評(píng)價(jià)對(duì)象特征數(shù)值C是構(gòu)成物元R的3個(gè)基本要素。當(dāng)物元R含有多個(gè)特征時(shí)，可以選擇用向量方式表達(dá)B=(B1,B1,…,Bn)形成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，與之對(duì)應(yīng)的特征值選擇向量C=(C1,C1,…,Cn)，此時(shí)物元R是n維物元。物元可拓模型具有很多優(yōu)勢(shì)，尤其針對(duì)具有多種矛盾且各矛盾間不相容的評(píng)價(jià)對(duì)象尤為適用。結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的實(shí)際情況，利用物元可拓性與可拓集的關(guān)聯(lián)函數(shù)從定性分析和定量計(jì)算兩個(gè)方面依次完成對(duì)水壩安全性的評(píng)價(jià)工作。

圖1 水壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 明確經(jīng)典域Ro與節(jié)域物元Rp

根據(jù)被評(píng)價(jià)對(duì)象的特性與其對(duì)應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值范圍構(gòu)成的物元矩陣規(guī)定為經(jīng)典域Ro；節(jié)域Rp主要是由經(jīng)典物元、被評(píng)價(jià)對(duì)象、被評(píng)價(jià)對(duì)象的特征、被評(píng)價(jià)對(duì)象特征對(duì)應(yīng)的數(shù)值范圍4部分組成，每個(gè)部分不可缺少。兩者的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

Ro=(Po,B,C)=(Po,Bi,Ci)

Ci=[xi,yi]

(1)

Rp=(P,B,Cp)=(P,Bi,Cpi)

Cpi=[xpi,ypi]

(2)

式中：Bi(i=1,2,…,n)是被評(píng)價(jià)對(duì)象A若干個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表示其特征)；Ci(i=1,2,…,n)為被評(píng)價(jià)對(duì)象A關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)B對(duì)應(yīng)的數(shù)值變化范圍，即C=[x,y]，其數(shù)值變化的上下限即為x，y；Cpi為被評(píng)價(jià)對(duì)象A關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)B的數(shù)值變化范圍，即Cpi=[xpi,ypi]。依據(jù)定義及數(shù)學(xué)知識(shí)，顯然Ci?Cpi。

3.2 標(biāo)定被評(píng)價(jià)對(duì)象物元矩陣

綜合考慮被評(píng)價(jià)對(duì)象的特征選擇與之對(duì)應(yīng)的特征量數(shù)值Cei，構(gòu)造被評(píng)價(jià)對(duì)象的物元矩陣Re，具體表達(dá)式如下：

Re=(Pe,B,ce)=(Pe,B,cei)

(3)

式中：cei為Pe與其評(píng)價(jià)指標(biāo)Bi對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)值，同理與對(duì)應(yīng)的向量ce=(ce1,…,cen)為B=(B1,…,Bn)實(shí)際檢測(cè)數(shù)值。

3.3 標(biāo)定關(guān)聯(lián)函數(shù)與關(guān)聯(lián)度數(shù)值

本文設(shè)定距表示在實(shí)數(shù)軸的點(diǎn)c距離指定區(qū)間co=(x,y)的長(zhǎng)度值。根據(jù)上述物元可拓模型描述，被評(píng)價(jià)對(duì)象A的評(píng)價(jià)指標(biāo)Bi的實(shí)際測(cè)量數(shù)值為cei、經(jīng)典域量值范圍與節(jié)域量值范圍，通過三者計(jì)算，得到距的計(jì)算公式如下：

(4)

式中：ρ(cei,Ci)為cei和Ci之間的長(zhǎng)度，即距；同理ρ(cei,Cpi)為cei和Cpi之間的距。

依據(jù)高等數(shù)學(xué)知識(shí)，關(guān)聯(lián)函數(shù)是指被評(píng)價(jià)單元與某一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之間的隸屬程度的函數(shù)關(guān)系式，其數(shù)值大小表明兩者關(guān)聯(lián)程度的高低，具體的關(guān)聯(lián)程度函數(shù)關(guān)系表達(dá)式如下：

(5)

3.4 綜合關(guān)聯(lián)度數(shù)值計(jì)算

在計(jì)算出個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度值后，依照其重要程度賦予一定的權(quán)重因子，計(jì)算各關(guān)聯(lián)度的加權(quán)和，計(jì)算公式如下：

(6)

式中：K(Pe)為準(zhǔn)備評(píng)價(jià)單元Pe所對(duì)應(yīng)的區(qū)間關(guān)聯(lián)程度數(shù)值；wi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)給定的權(quán)重因子。

當(dāng)Kj=max(K(Pe))(j=1,2,…,m)，此時(shí)Pe等安全評(píng)價(jià)等級(jí)是j級(jí)。

4 模型改進(jìn)

經(jīng)典物元可拓模型計(jì)算出來的關(guān)聯(lián)函數(shù)為分段函數(shù)，因?yàn)樗畨伟踩誀钤u(píng)價(jià)指標(biāo)區(qū)間長(zhǎng)度均等、節(jié)域端點(diǎn)確定等因素，當(dāng)利用經(jīng)典關(guān)聯(lián)函數(shù)公式獲得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度時(shí)，同一指標(biāo)量值對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)區(qū)間位置一致時(shí)對(duì)應(yīng)多個(gè)關(guān)聯(lián)度數(shù)值，或者節(jié)域端點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的評(píng)價(jià)等級(jí)時(shí)有可能出現(xiàn)關(guān)聯(lián)程度數(shù)值一致的情況。對(duì)其關(guān)聯(lián)程度計(jì)算公式結(jié)合實(shí)際評(píng)價(jià)情況進(jìn)行改進(jìn)，具體公式如下：

K(cei)=-ρ(cei,Ci)/|Ci|

(7)

當(dāng)關(guān)聯(lián)度數(shù)值大于零時(shí)，則量值處于該區(qū)間內(nèi)，表明被評(píng)價(jià)對(duì)象達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的規(guī)定；當(dāng)關(guān)聯(lián)度數(shù)值小于零時(shí)，則此時(shí)量值在該區(qū)間之外，表明被評(píng)價(jià)對(duì)象未達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的規(guī)定；當(dāng)關(guān)聯(lián)度數(shù)值等于零時(shí)，此時(shí)量值在該區(qū)間的兩端臨界點(diǎn)。關(guān)聯(lián)度數(shù)值的大小表示量值與該區(qū)間中間點(diǎn)的遠(yuǎn)近，數(shù)值越大，距離中間的越近，反之亦然。

5 指標(biāo)權(quán)重分析

(8)

(9)

6 水壩分析

本文以江西省上饒市余干縣信江水電站的水壩為研究對(duì)象，利用改進(jìn)的物元可拓模型對(duì)該水壩的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。水庫的樞紐建筑物主要有主壩、副壩、泄洪道、輸水涵洞、壩后電站等，該水電站定位是以灌溉為主，防洪發(fā)電為輔，設(shè)計(jì)常年蓄水量為85.5×104m3。結(jié)合水壩實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，將水壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分成5個(gè)安全等級(jí)：I(非常安全)，II(安全)，III(較為安全)，IV(不安全)，V(非常不安全)，與之對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)規(guī)定范圍依次是[0.75,1],[0.5,0.75],[0.3,0.5],[0.15,0.3],[0,0.15]。充分考慮該水利工程實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，給定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量值，具體見表1。

表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)給定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值

將結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)作為具體案例，對(duì)其一級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)進(jìn)行確定。重點(diǎn)明確其經(jīng)典域、節(jié)域、被評(píng)價(jià)物元3個(gè)部分，具體見如下矩陣。

利用計(jì)算式(4)求出結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于上述劃分的5個(gè)安全等級(jí)各自的距，再利用式(7)依次計(jì)算得到每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度數(shù)值，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 所有指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度數(shù)值表

同理，與上述步驟一致，依次計(jì)算求出其它一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)程度數(shù)值，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)計(jì)算出的綜合關(guān)聯(lián)度數(shù)值

7 結(jié) 論

本文以江西省上饒市余干縣信江水電站為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際情況建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并將安全等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)。改進(jìn)物元可拓模型，計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度，利用熵權(quán)法給定權(quán)重因子數(shù)值，計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度數(shù)值，對(duì)水壩運(yùn)營(yíng)安全進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，與實(shí)際運(yùn)行情況相符，即證明改進(jìn)物元可拓模型的適用性。水壩安全威脅主要是因?yàn)檫\(yùn)行管理欠缺、金屬結(jié)構(gòu)存在安全隱患，為后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供了思路導(dǎo)向。