水閘工程安全性綜合評(píng)價(jià)

張 帥

(撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 撫順 113000)

水閘屬于一種低水頭水工建筑物，多修建于濱海、水庫(kù)、河道、湖泊和渠系等地區(qū)，因具有泄水和擋水功能為當(dāng)前廣泛應(yīng)用的水利工程。二十世紀(jì)50—70年代為我國(guó)多數(shù)水閘的修建時(shí)期，水閘施工標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件限制不盡合理，加之人為因素和污染、凍融、空氣、水流及負(fù)荷等自然因素的長(zhǎng)期作用，大多數(shù)水閘均出現(xiàn)了一定程度的病險(xiǎn)和損壞情況，對(duì)水閘的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的不利影響，所以科學(xué)評(píng)價(jià)水閘的安全運(yùn)行狀態(tài)極其重要。目前，常用的水閘安全性評(píng)價(jià)方法有系統(tǒng)決策法、標(biāo)準(zhǔn)比照評(píng)價(jià)法、專(zhuān)家系統(tǒng)與評(píng)估法等，其中系統(tǒng)決策法又可進(jìn)一步分為灰色評(píng)估法、加權(quán)梯階評(píng)價(jià)法和層次分析法等。由于水閘安全性評(píng)定存在專(zhuān)家主觀性強(qiáng)、指標(biāo)權(quán)重?zé)o固定標(biāo)準(zhǔn)和定性要素多等特征，以上方法通常無(wú)法系統(tǒng)、全面的體現(xiàn)水閘的真實(shí)狀況。將信息熵理論和參數(shù)重要性分值相耦合的改進(jìn)AHP法，能夠考慮各參評(píng)因子的客觀賦權(quán)和專(zhuān)家主觀判斷，實(shí)現(xiàn)定性參數(shù)的量化處理。鑒于此，本文以遼寧省某水閘工程為例，將模糊綜合法和改進(jìn)AHP法相耦合較為客觀真實(shí)的評(píng)價(jià)了水閘的安全狀態(tài)，可為水閘工程的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)及其服役壽命預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)[1-7]。

1 水閘安全性綜合評(píng)價(jià)體系

水閘安全評(píng)價(jià)涉及范圍廣、因素多，依據(jù)不同的內(nèi)涵特征可將其大致分為主要素、次要素兩大類(lèi)，應(yīng)盡可能地考慮主要因素反映其安全狀況。本文結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)資料和水閘安全鑒定相關(guān)規(guī)則[8-9]，按照梯階層次框架構(gòu)建水閘安全評(píng)價(jià)體系如表1。設(shè)定總目標(biāo)為水閘整體安全水平，進(jìn)一步將其分解為閘門(mén)啟閉機(jī)、消能防沖、混凝土結(jié)構(gòu)、抗滑穩(wěn)定性、抗?jié)B穩(wěn)定性和其他6個(gè)子系統(tǒng)，結(jié)合水閘工程相關(guān)資料將子系統(tǒng)再分解為若干個(gè)要素，從而構(gòu)造安全評(píng)價(jià)因子集Ai=(Ai1,Ai2,…,Aij)，運(yùn)用改進(jìn)AHP法構(gòu)造相應(yīng)的權(quán)重集為Wi=(Wi1,Wi2,…,Wij)。

表1 水閘安全評(píng)價(jià)梯階層次框架體系

然后將綜合評(píng)價(jià)結(jié)果按照水閘安全鑒定相關(guān)資料劃分為A、B、C、D4個(gè)等級(jí)，各等級(jí)下的評(píng)估區(qū)間和評(píng)分閾值如表2。

表2 水閘安全評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 改進(jìn)的AHP法

目前，綜合賦權(quán)、客觀賦權(quán)和主觀賦權(quán)法為常用的權(quán)重系數(shù)求解的三大方法，為保證評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性運(yùn)用改進(jìn)AHP法獲取綜合權(quán)重。其中，1～9標(biāo)度準(zhǔn)則為傳統(tǒng)AHP法構(gòu)造對(duì)比矩陣的主要依據(jù)，若不同要素間的差異性較低則往往難以確定判斷標(biāo)度，同時(shí)賦權(quán)過(guò)程中易受人為因素的干擾，修正對(duì)比矩陣時(shí)易出現(xiàn)評(píng)判結(jié)果偏離實(shí)際情況、權(quán)重分配不穩(wěn)定等問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，本文結(jié)合信息熵原理和參數(shù)重要性分值提出改進(jìn)AHP法，對(duì)水閘安全性評(píng)判各要素權(quán)重運(yùn)用改進(jìn)AHP法求解，其主要流程為：

表3 專(zhuān)家評(píng)分判定準(zhǔn)則

(1)

式中：wijk、eijk為評(píng)判專(zhuān)家k針對(duì)參評(píng)因子Aij賦予的權(quán)重值及其安全評(píng)分值；cik、hik為參評(píng)專(zhuān)家k賦予的客觀權(quán)重和熵值。

(2)

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

在水利工程安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域模糊綜合法具有廣泛的應(yīng)用前景，結(jié)合以上綜合權(quán)重值和專(zhuān)家評(píng)分構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)模型如式(3)所示：

B=w·R

(3)

通過(guò)普通的加權(quán)乘積運(yùn)算獲取水閘安全綜合評(píng)價(jià)值，其運(yùn)算法則為模糊算子，由此實(shí)現(xiàn)水閘運(yùn)行的狀態(tài)評(píng)價(jià)。

2.3 結(jié)果分析

采用具體的分值衡量各評(píng)價(jià)等級(jí)，由此實(shí)現(xiàn)模糊向量的單值化處理，然后運(yùn)用加權(quán)平均法計(jì)算模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)的隸屬度，選用最終的一個(gè)點(diǎn)值作為水閘安全評(píng)價(jià)的綜合值。選取不同的分值x1、x2、…、xm作為m個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)賦分，則利用以下單值化公式獲取模糊評(píng)價(jià)值如式(4)所示：

F=∑Bixi/∑Bi

(4)

最終，將水閘安全運(yùn)行狀態(tài)依據(jù)F值隸屬的等級(jí)給予科學(xué)的評(píng)判，充分利用了模糊數(shù)據(jù)信息的向量單值化法兼顧了待評(píng)對(duì)象的整體特性，由此獲取的評(píng)判等級(jí)可以系統(tǒng)、客觀的反映水閘運(yùn)行的真實(shí)情況。

3 工程實(shí)踐

遼寧省某水閘工程完工于2007年8月，主要包括3孔鋼筋混凝土涵閘，中孔為凈寬12.0 m的通航孔，其頂板高程25.18 m，底板高程16.10 m，兩側(cè)景觀人行孔凈寬4.5 m。采用橫拉鋼體門(mén)作為船閘閘門(mén)，尺寸為6.0 m×6.2 m×2扇，選取平推式雙作用集成啟閉機(jī)，并建有直徑為1.5 m、長(zhǎng)36.0 m 的充水橡膠滾水壩一座。同時(shí)，為滿(mǎn)足工程管理和環(huán)境建設(shè)需要，建設(shè)有充、排水泵房、液壓式啟閉房以及管理用房。水閘主要建筑物為3級(jí)、工程防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇。該工程是集防洪，溝通、控制、調(diào)節(jié)湖水景觀水位，游船通航，生態(tài)園林，景觀休閑為一體的綜合性工程。

為確保水閘工程的安全運(yùn)行，檢測(cè)的主要項(xiàng)目包括：①消能防沖和防滲設(shè)施的完整性、有效性；②混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、變形和強(qiáng)度；③啟閉機(jī)、電氣設(shè)備和閘門(mén)的安全性；④水閘安全運(yùn)行觀測(cè)設(shè)施和水工構(gòu)筑物的有效性[10-12]。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果深入分析昌南閘工程存在的問(wèn)題有：①閘墩及其閘兩岸翼墻存在滲水、裂縫和輕微塌陷，水力沖刷防沖槽現(xiàn)象突出，局部結(jié)構(gòu)存在裂縫。②混凝土結(jié)構(gòu)外露鋼筋發(fā)現(xiàn)輕微銹斑、鋼筋輕度銹蝕且混凝土保護(hù)層脫落；閘底板混凝土強(qiáng)度一般、沖刷破壞嚴(yán)重且閘基出現(xiàn)滲漏。③閘門(mén)橡膠止水發(fā)現(xiàn)輕微漏水，閘門(mén)局部變形，閘門(mén)局部變形且出現(xiàn)輕微氧化銹蝕，發(fā)現(xiàn)漏水情況。④啟閉設(shè)施啟閉能力良好、結(jié)構(gòu)完整性和運(yùn)行情況良好，構(gòu)件折斷損傷情況輕微。⑤上下游觀測(cè)設(shè)施勉強(qiáng)滿(mǎn)足要求，損傷問(wèn)題比較突出，電氣設(shè)備基本可以符合運(yùn)行要求。⑥閘室穩(wěn)定性復(fù)核結(jié)果滿(mǎn)足要求，消能效果和過(guò)流能力一般[13-14]。

結(jié)合現(xiàn)象調(diào)查結(jié)果邀請(qǐng)5位專(zhuān)家對(duì)各項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)給予評(píng)判，收集整理各項(xiàng)參評(píng)因子的重要性評(píng)分構(gòu)造相應(yīng)的判斷矩陣f，結(jié)果如式(5)：

(5)

充分考慮各項(xiàng)參評(píng)要素的具體內(nèi)涵和5位專(zhuān)家評(píng)判結(jié)果，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整獲取系統(tǒng)層各要素主、客觀權(quán)重，然后利用文中所述有關(guān)公式得到水閘安全評(píng)價(jià)綜合權(quán)重wi,結(jié)果如式(6)：

w1=[0.308 0.355 0.337]

w2=[0.374 0.338 0.288]

w3=[0.260 0.405 0.335]

w4=[0.350 0.332 0.318]

w5=[0.177 0.246 0.285 0.291]

w6=[0.330 0.386 0.284]

w=[0.205 0.210 0.167 0.188 0.122 0.108]

(6)

充分考慮水閘工程現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果和專(zhuān)家評(píng)分值，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整最終獲取水利工程健康狀況綜合評(píng)分值，如表4。

表4 水閘安全運(yùn)行綜合評(píng)分

采用中間型柯西分布構(gòu)造的隸屬度函數(shù)求解R值，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)法獲取評(píng)價(jià)體系中6個(gè)子系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)值Bi，結(jié)果如式(7)：

B1=[0.118,0.601,0.244,0.032]

B2=[0.335,0.560,0.053,0.018]

B3=[0.406,0.543,0.037,0.014]

B4=[0.351,0.585,0.045,0.019]

B5=[0.471,0.485,0.023,0.015]

B6=[0.138,0.640,0.184,0.035]

B=[0.302,0.577,0.094,0.021]

(7)

最終，采用公式(4)獲取昌南閘工程F=78.02，按照已劃分的評(píng)價(jià)等級(jí)可以判定該水閘工程達(dá)到B類(lèi)等級(jí)。各項(xiàng)參評(píng)要素基本可以達(dá)到水閘正常運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)損壞部位的整治可以確保水閘的正常運(yùn)行。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)熵權(quán)法和指標(biāo)重要性分值的詳細(xì)分析提出改進(jìn)的AHP法，選取模糊綜合法評(píng)價(jià)分析了閘門(mén)啟閉機(jī)、混凝土結(jié)構(gòu)、消能防沖、抗滑穩(wěn)定和抗?jié)B穩(wěn)定等重要參數(shù)的安全狀態(tài)。

(2)以遼寧省某水閘工程為例，綜合應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)法和改進(jìn)AHP法實(shí)現(xiàn)定性指標(biāo)的定量化處理，該方法較為客觀、準(zhǔn)確地反映了水閘工程的運(yùn)行狀態(tài)，可為水閘除險(xiǎn)加固方案的制定及其正常運(yùn)行管理提供決策依據(jù)。