三河閘工程弧形鋼閘門安全性綜合評估分析

張 狀

（江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100）

1 工程背景

三河閘工程位于江蘇省淮安市洪澤區(qū)與盱眙縣交界處，于1952年10月動工興建，1953年7月建成放水，原設(shè)計流量為8 000 m3/s，加固后的三河閘設(shè)計行洪能力提高到12 000 m3/s，設(shè)計抗震烈度7度，屬大（1）型水閘。閘身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共63孔，每孔凈寬10 m，總寬697.75 m，底板高程7.5 m，寬18 m，共21塊底板，閘孔凈高6.2 m。閘門為鋼結(jié)構(gòu)弧形門，每孔均設(shè)有2×100 kN低速弧門卷揚式啟閉機(jī)一臺，左右岸空箱內(nèi)分別設(shè)有水電站一座，裝機(jī)容量均為200 kW[1]。

建成以來，三河閘工程抗御了1954年、1991年、2003年、2007年等大洪水，充分發(fā)揮了骨干水利工程效益。年均泄洪近200億m3，為保證里下河地區(qū)3 000萬畝農(nóng)田和2 000多萬人民生命財產(chǎn)的安全作出了卓越貢獻(xiàn)。三河閘工程攔蓄淮河上、中游來水，使洪澤湖成為一個巨型平原水庫，為蘇北地區(qū)的工農(nóng)業(yè)、人民生活用水提供了豐富的水源。

2 指標(biāo)體系的建立

2.1 指標(biāo)選取及分類

按照科學(xué)性、可操作性、目的性、層次性、相對獨立性以及定性與定量原則，參考《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》對閘門安全狀態(tài)的評估[2-4]，將弧形鋼閘門安全性態(tài)評估A設(shè)定為目標(biāo)層，在目標(biāo)層下選擇制作安裝質(zhì)量B1（包括零部件質(zhì)量C1、預(yù)埋件質(zhì)量C2、止水性能C3、焊縫質(zhì)量C4、制作安裝評級C5等五個指標(biāo)），運行管理情況B2（包括運行年限C6、操作管理C7、維修管理C8等三個指標(biāo)），閘門強(qiáng)度B3（包括面板強(qiáng)度C9、主梁強(qiáng)度C10、支臂強(qiáng)度C11等三個指標(biāo)），閘門剛度B4（包括主梁剛度C12和支臂穩(wěn)定性C13兩個指標(biāo)），啟閉能力B5（包括啟閉能力C14和閉門能力C15），腐蝕情況B6（包括腐蝕率C16、腐蝕最大深度C17、腐蝕速率C18等三個指標(biāo)），工作狀況B7（包括閘門振動C19、閘門空蝕C20、上下游水流狀態(tài)C21等三個指標(biāo)），構(gòu)建弧形鋼閘門安全性評估指標(biāo)體系見圖1。

2.2 安全等級劃分原則

圖1 弧形鋼閘門安全性評估指標(biāo)體系

參照《水閘安全鑒定規(guī)定》對評價指標(biāo)和安全性進(jìn)行等級細(xì)分，劃分為：1良好，綜合評分得分區(qū)間[0,0.25]，表示該閘門滿足規(guī)范要求，未發(fā)生過異常狀況，只需定期維護(hù)；2合格，綜合評分得分區(qū)間（0.25，0.5]，表示該閘門滿足規(guī)范要求，且閘門未發(fā)生過較大異常狀況，只需加強(qiáng)維護(hù)；3基本合格，綜合評分得分區(qū)間（0.5，0.75]，表示該閘門基本滿足規(guī)范要求，閘門基本能正常運行，但需進(jìn)行相關(guān)的維修養(yǎng)護(hù)；4不合格，綜合評分得分區(qū)間（0.75，1.0]，表示該閘門不滿足規(guī)范要求，閘門不符合正常運行規(guī)范，禁止使用， 需進(jìn)行大修或報廢更換處理。在21個指標(biāo)中，C1~C5，C7~C8，C20~C21等九個指標(biāo)屬于現(xiàn)場定性評價指標(biāo)，按照現(xiàn)場實際情況進(jìn)行專家打分，根據(jù)專家打分情況進(jìn)行等級劃分，劃分原則同上，其余指標(biāo)為定量評價，各評價指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 各評價指標(biāo)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 基于TOPSIS安全性評估分析

3.1 TOPSIS簡介

理想點法（TOPSIS）最早誕生于20世紀(jì)80年代，作為一種評價函數(shù)，其基本原理是通過計算評估對象現(xiàn)狀值與理想化目標(biāo)的最優(yōu)解和最劣解的綜合測距來進(jìn)行排列和分析，當(dāng)現(xiàn)狀值與最優(yōu)解越貼近時，表明目前狀態(tài)越好，反之則越差，是可以使各個目標(biāo)值都逼近理想（最優(yōu)）值的一種多目標(biāo)規(guī)劃方法，具有計算簡單、高效的優(yōu)勢，在工程管理等領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍[5]。TOPSIS 評估流程主要分為以下6個步驟：①構(gòu)建指標(biāo)評價體系；②通過層次分析法、熵值法以及變權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重大小；③確定各指標(biāo)的正負(fù)理想點；④計算綜合測度距離D；⑤計算貼近度T；⑥根據(jù)綜合測度距離和貼近度，對弧形閘門安全現(xiàn)狀進(jìn)行評估， TOPSIS評估流程見圖2。

圖2 TOPSIS評估流程

正負(fù)理想點、綜合測度距離以及貼近度是理想點法應(yīng)用時最重要的三個參數(shù)。正負(fù)理想點分別代表了評估對象的最優(yōu)解和最劣解，由于弧形閘門所有指標(biāo)從開始運行，所有指標(biāo)都是呈劣化態(tài)勢，因而各評估指標(biāo)也均為負(fù)向指標(biāo)，故本文將“0”作為弧形閘門的正向理想點，將“1”作為弧形閘門的負(fù)向理想點。綜合測距度D表示評估對象的實際值與理想化目標(biāo)值之間的距離差；貼近度T則表示評估對象正綜合測度距離與正、負(fù)綜合測度距離總和的比值，貼近度越小，表明評估對象目前狀態(tài)越接近于理想值，通過綜合測距度和貼近度來對弧形閘門當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行評估，評估準(zhǔn)則見表2。

表2 閘門整體狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)

3.2 TOPSIS綜合評估分析結(jié)果

在建立好弧形鋼閘門安全性評估指標(biāo)體系之后，需要對各個指標(biāo)進(jìn)行量化處理，在量化處理過程中，C1~C5，C7~C8，C20~C21等九個現(xiàn)場定性評價指標(biāo)采用專家打分法進(jìn)行賦值，其余指標(biāo)按照實際值進(jìn)行等級劃分，得到21個評價指標(biāo)的取值匯總情況，見表5。

表5 評價指標(biāo)取值匯總

通過層次分析法、熵值法以及變權(quán)法確定各評價指標(biāo)和評價準(zhǔn)則層的權(quán)重值，見圖3。從圖3中可知：在21個弧形閘門安全評價指標(biāo)中，權(quán)重值最大的前三位分別是C13、C18和C10，表明支臂穩(wěn)定性、腐蝕速率和主梁強(qiáng)度對弧形閘門安全性有比較重要的影響。在7個準(zhǔn)則層指標(biāo)中，B3的權(quán)重值最大，其次為B1和B4，表明制作安裝質(zhì)量、閘門強(qiáng)度以及閘門剛度對弧形閘門的安全具有決定性作用。

圖3 權(quán)重值計算結(jié)果

通過各指標(biāo)的正負(fù)理想點，計算當(dāng)前狀態(tài)指標(biāo)與理想指標(biāo)值的綜合測度距離和貼近度，最終得到的本工程弧形閘門的正理想點綜合測度D1為0.459，負(fù)理想點綜合測度D2為0.594，貼近度T=D1/（D1+D2）=0.436，根據(jù)表1評價準(zhǔn)則，可以判斷案例工程弧形閘門整體處于“良好”的安全狀態(tài)，利用TOPSIS綜合評估方法得到的評價結(jié)果與現(xiàn)場專家按照《水庫大壩安全鑒定》中弧形鋼閘門的安全鑒定結(jié)論基本一致，但可以最大程度上避免現(xiàn)場鑒定時專家主觀意見的影響，更能反映出弧形閘門當(dāng)前所處的實際情況，表明基于TOPSIS法進(jìn)行弧形閘門安全評價合理可行。

4 結(jié)語

（1）以三河閘工程弧形閘門為例，基于層次分析法構(gòu)建弧形鋼閘門安全性評估指標(biāo)體系，該體系包括7個準(zhǔn)則層指標(biāo)和21個評價指標(biāo)，并制定了各評價指標(biāo)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。

（2）構(gòu)建基于理想點（TOPSIS）的弧形閘門安全狀態(tài)評估流程，同時確定了以貼近度為計算結(jié)果的安全評價準(zhǔn)則，將弧形閘門安全狀態(tài)劃分為良好、合格、基本合格以及不合格四個狀態(tài)。

（3）通過計算分析，得到正、負(fù)理想點綜合測度D1和D2分別為0.459和0.594，貼近度為0.436，閘門目前處于良好狀態(tài)，與現(xiàn)場專家鑒定結(jié)果基本一致，表明基于TOPSIS法進(jìn)行弧形閘門安全評價合理可行。