基于層次分析法的王法溝水庫病險嚴(yán)重程度分析

王 興

(北票市水利規(guī)劃勘測設(shè)計院，遼寧 朝陽 122100)

1 水庫病險程度

1.1 病險成因分析

我國現(xiàn)有的水庫工程大多修建于二十世紀(jì)六七十年代，由于建國初期行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范不夠健全，水文地質(zhì)等基礎(chǔ)資料較少、施工和設(shè)計力量比較缺乏，致使建設(shè)初期就給水庫正常運(yùn)行帶來隱患，并發(fā)展形成病險水庫[1]。

受水庫管理重視程度不足、管理技術(shù)缺乏等限制，水庫觀測手段和設(shè)施在建成初期就比較缺少。此外，由于管理人員少、維護(hù)經(jīng)費(fèi)不足，無法及時有效的掌握水庫的真實(shí)運(yùn)行狀況，水庫病險問題未能有效處理，對下游防洪安全及區(qū)域發(fā)展造成安全隱患。

1.2 常見的病險問題

壩體夯實(shí)與填筑質(zhì)量整體較差，致使壩土結(jié)構(gòu)松散，大壩滲漏問題突出；溢洪道無消力池，渠系兩側(cè)雜草叢生，土渠損壞、坍塌嚴(yán)重，大多無法保證泄洪安全；因質(zhì)量差、涵洞結(jié)構(gòu)不完整、壩體年久變形等因素，涵洞具有接觸沖刷、漏水的隱患；水文地質(zhì)、大壩沉降、位移變形等觀測設(shè)備缺乏，通訊設(shè)備缺少，未修建水庫管理房；防汛搶險道路凹凸不平，大多為土路，未達(dá)到搶險道路標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 水庫加固工程措施

經(jīng)過長期運(yùn)行，水庫大壩已出現(xiàn)明顯的沉降變形，因此要對壩頂高程是否符合設(shè)計要求進(jìn)行校核。如果大壩需要加高，可以直接增加壩頂高程或在壩頂增設(shè)防浪墻；若泄洪、調(diào)洪能力需要提升，可新建溢洪道或擴(kuò)寬、加深原溢洪道。

水庫大壩出現(xiàn)滲漏問題時，比較常用的防滲處理措施有劈裂灌漿、混凝土防滲墻、壩基帷幕灌漿、壩體充填灌漿等。為更好加固大壩壩體，可以采取削坡、培厚等減緩壩坡的方法，其中培厚減緩壩坡時要利用比原壩坡大的透水性材料，加固整治上下游壩坡?；炷涟濉⒍咽案善鍪o(hù)坡等多用于上游護(hù)坡，而簡化型式的護(hù)坡一般用于下游。針對存在接觸沖刷與漏水隱患的輸水涵洞，可以采取新建、加內(nèi)襯或回填灌漿處理等措施[2]。

此外，提高管理水平也是保證水庫安全運(yùn)行的重要方法。例如，新建防汛搶險道路、新增水文與大壩監(jiān)測設(shè)備、增設(shè)水庫通訊設(shè)備及管理房，對水庫的日常管理安排專門的管理人員等。

1.4 病險水庫現(xiàn)狀認(rèn)定

目前，安全系數(shù)法和分析法為評價水庫大壩安全的常用方法。以大壩安全為目標(biāo)，運(yùn)用合適的方法研究相關(guān)的若干專題，并以此確定大壩安全等級。其中，一類、二類和三類壩的等級劃分為各專題安全性等級全部達(dá)到A級、全部達(dá)到B級或部分達(dá)到A級、有一級及以上為C級。

一般地，通過判定是否為病險水庫以及病險嚴(yán)重程度兩個方面，完成水庫的安全評價。然而，將水庫大壩按照現(xiàn)行評判法則分級較為籠統(tǒng)，無法準(zhǔn)確評定其病險嚴(yán)重程度。例如，兩座大壩均判定為C級時，其各項專題可能存在明顯的差異，即所有專題項同為C級和僅有一項為C級的大壩等級相同。顯然，對于同為三類壩的兩座大壩，僅有一項判定為C級的大壩病險嚴(yán)重程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所有項均判定為C級的大壩。

2 層次分析法的應(yīng)用

隨著相關(guān)法規(guī)體系的不斷完善及病險水庫加固整治研究的持續(xù)深入，評價分析水庫病險嚴(yán)重程度的方法越來越引起關(guān)注[3-4]。對此，本文利用層次分析與傳統(tǒng)大壩安全評價有效結(jié)合的方法，通過定量計算和定性分析準(zhǔn)確判定水庫的病險嚴(yán)重程度。

2.1 工程概況

王法溝水庫位于遼寧省北票市馬友營鄉(xiāng)，建設(shè)在大凌河三級支流王法溝河上，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖等綜合利用的小(2)型水庫。該水庫于1974年建成并投入使用，屬于典型的“三邊工程”，當(dāng)時按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、300年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，設(shè)計總庫容34.68萬m3。水庫集雨面積2.75 km2，河流長度4.12 km，河道比降為25.85‰。水庫現(xiàn)狀設(shè)計洪水位248.76 m，校核洪水位250.05 m，正常高水位247.50 m，死水位245.42 m，壩前淤積高程為243.81 m。

目前，水庫存在的病險隱患：大壩壩基滲漏、護(hù)坡石風(fēng)化嚴(yán)重、壩體遍布雜草、溢洪道底板未完全襯砌且無消能設(shè)施、溢洪道邊墻基礎(chǔ)未坐落于基巖上、輸水洞洞體腐蝕嚴(yán)重、出口處無閘閥影響了工程安全[5]。左壩肩建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低存在安全隱患，現(xiàn)有上壩公路為鄉(xiāng)村土路，雨天泥濘不堪，車輛無法行駛，一旦汛期水庫遇到險情，施工機(jī)械無法及時進(jìn)入水庫搶險。此外，王法溝水庫擔(dān)負(fù)著極為重要的防洪任務(wù)，直接保護(hù)下游0.14萬口人，26.7 hm2耕地及國道305線。

2.2 AHP法的實(shí)現(xiàn)

(1) 構(gòu)造梯階層次結(jié)構(gòu)。通過研究、調(diào)查、分析決策目標(biāo)，明確各因素之間的關(guān)系及其與目標(biāo)體系有關(guān)的因素，并按照一定的準(zhǔn)則劃分各層次結(jié)構(gòu)，從而生成梯階層次評價體系，如表1。

表1 水庫大壩安全評價體系

依據(jù)已構(gòu)造的梯階結(jié)構(gòu)體系，通過兩兩比較每層級的下屬因子相對于上一層因素的相對重要度，按照1～9標(biāo)度準(zhǔn)則從上而下逐層構(gòu)造判斷矩陣。實(shí)際應(yīng)用時，充分考慮領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)專家意見和水庫運(yùn)行的實(shí)際情況，經(jīng)比較分析直觀、準(zhǔn)確的確定各因素之間的特定關(guān)系，標(biāo)度含義如表2。

(2) 層次單排序。利用數(shù)學(xué)方法求解特征向量及其最大特征值，經(jīng)歸一化處理確定層次單排序權(quán)向量。采用判斷矩陣定量化、數(shù)字化轉(zhuǎn)換決策者的定性思維，該過程具有一定的客觀隨意性，為保證結(jié)果的科學(xué)合理性有必要檢驗其一致性。若不符合檢驗要求，要適當(dāng)修正判斷矩陣，直至符合最終的檢驗要求。

表2 1～9標(biāo)度含義

采用不考慮最大特征根的其他特征值平均指標(biāo)準(zhǔn)確反映判斷矩陣的偏離一致性，表達(dá)式如式(1)：

(1)

式中：n為矩陣的階數(shù)；λmax為最大特征值。矩陣符合一致性檢驗的評定基準(zhǔn)為CR<0.10，即CR=CI/RI，其中RI、CI為不同階數(shù)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)和矩陣的離散一致性程度指標(biāo)，利用表3選擇不同階數(shù)矩陣的RI值。

表3 離散一致性指標(biāo)值RI

(3)層次總排序。關(guān)于目標(biāo)層各層因素的合成權(quán)重，按照從上而下的次序逐級計算，從而確定對于總目標(biāo)決策各個指標(biāo)因素的影響排序。為保證邏輯關(guān)系的科學(xué)合理性，還要檢驗層次總排序的一致性，在層次單排序、總排序符合一致性要求的條件下，確定水庫病險嚴(yán)重程度各參評因子權(quán)重，即CR<0.1時所求解的特征向量W的分項。

2.3 水庫安全評價應(yīng)用

將水庫大壩病險程度利用綜合評分法分析，總體上可劃分為3個階段，即分解、判斷、綜合，具體如下：

(1) 分解?？紤]領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)專家意見，運(yùn)用層次分析法求解梯階結(jié)構(gòu)體系中各參評因子權(quán)重，結(jié)合工程實(shí)際情況逐層分解安全評價相關(guān)內(nèi)容。然后利用專家調(diào)查法比較分析參評因子相對重要度，并按照標(biāo)度準(zhǔn)則構(gòu)造判斷矩陣，經(jīng)一系列運(yùn)算轉(zhuǎn)化確定指標(biāo)權(quán)重。

(2) 判斷?？茖W(xué)判斷結(jié)構(gòu)體系中因素層各項因子，并對大壩安全評價指標(biāo)利用A、B、C3個等級評判。然而，對所有參評因子利用層次分析法量化時，還要考慮專家意見確定各項因子評分，不同等級的評分標(biāo)準(zhǔn)如表4。

(3) 綜合。關(guān)于總目標(biāo)決策計算最底層因素權(quán)重，經(jīng)一致性檢驗確定符合要求的各因子權(quán)重。然后利用加權(quán)求和法綜合處理各個因子權(quán)重及其專家評分值，由此確定反映水庫安全現(xiàn)狀的綜合評分，并按照等級劃分標(biāo)準(zhǔn)確定水庫病險程度。綜合評分越低則病險問題越嚴(yán)重，水庫越迫切需要加固整治。

表4 各等級評分標(biāo)準(zhǔn)

2.4 病險嚴(yán)重程度分析

采用1～9標(biāo)度準(zhǔn)則，通過兩兩比較梯階結(jié)構(gòu)體系中各因素的相對重要度，考慮專家意見構(gòu)建各層級判斷矩陣。本文借助Matlab軟件求解判斷矩陣的最大特征向量，經(jīng)一致性檢驗獲取層次單排序權(quán)值，如表5。

經(jīng)加權(quán)運(yùn)算確定因素層所有參評因子權(quán)重W：W=[0.072 0.030 0.011 0.020 0.008 0.040 0.016 0.025 0.081 0.042 0.090 0.196 0.032 0.058 0.046 0.120 0.017 0.012 0.033 0.004 0.031 0.011 0.005]。

邀請領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)專家對反映水庫病險嚴(yán)重程度的23項因子打分如表6，考慮各因子權(quán)重確定水庫安全綜合評分。從表6可知，王法溝水庫整體屬于三類壩，汛期水庫極易發(fā)生潰壩或漫壩事故，下游防洪安全以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到潛在威脅。

表5 單排序權(quán)值與一致性檢驗

表6 水庫大壩安全評分

結(jié)合相關(guān)調(diào)查資料，該水庫大壩存在的問題有：大壩壩頂高程不能滿足防洪要求，大壩迎水坡局部有不均勻塌陷，護(hù)坡塊石風(fēng)化嚴(yán)重，且遍布雜草；背水坡坡面為碎石，護(hù)坡碎石顆粒大小不均，坡面已凹凸不平且長滿雜草，無排水體；壩基及壩體兩側(cè)存在滲漏問題，大壩左壩肩為編織袋裝土臨時加高；壩頂為碎石鋪設(shè)，有凹陷、突起，兩側(cè)花崗巖路緣石已經(jīng)破損。溢洪道存在的問題有：基礎(chǔ)較淺且未坐落于基巖上，溢洪道寬窄不一，只有進(jìn)口處為混凝土襯砌，長約9 m，已經(jīng)損毀嚴(yán)重，其余底板均無襯砌；兩側(cè)護(hù)墻墻體保存比較完好但水泥抹面已經(jīng)脫落，無消能設(shè)施；輸水洞洞身已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕，出水口未設(shè)閘閥，輸水洞出口未達(dá)到壩腳外，放水時對壩體及壩背水坡造成沖刷，威脅壩體安全。此外，上壩公路為土路，雨天泥濘不堪，通行困難；水文、水情觀測設(shè)施過于簡易。

綜上分析，該水庫現(xiàn)存著多處病險隱患，已經(jīng)影響水庫的安全運(yùn)行，且防洪位置比較重要，為保證地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展及維護(hù)社會穩(wěn)定，實(shí)施水庫除險加固工程十分必要。將層次分析法與傳統(tǒng)大壩安全評價法相結(jié)合，評價結(jié)果能夠客觀、真實(shí)的反映水庫大壩的運(yùn)行情況，該方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性與可靠性。

3 結(jié) 論

通過分析病險水庫常見的問題及其成因，指出傳統(tǒng)的評價法無法反映水庫大壩病險嚴(yán)重程度的缺陷，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建定量評價水庫病險程度的層次分析模型。相對于現(xiàn)行規(guī)程，該方法能夠給出反映水庫病險程度的量化結(jié)論，從而為水庫加固方案設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。另外，考慮評價準(zhǔn)則及專家意見構(gòu)造的判斷矩陣符合科學(xué)合理性要求，保證了該模型的實(shí)用性及可靠性，為病險水庫安全評價提供一種新的思路。