水利堤防工程安全預防體系模型的建立和應用

陳 鐘 周星宇 陸泳君

(1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100；2.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230000)

堤防工程是保安瀾、防洪水的重要工程，是保護居民和工農業(yè)生產的重要措施[1]。堤防工程管理戰(zhàn)線長，存在環(huán)境多變、管理人員缺少、巡查條件差等問題，使堤防工程管理具有很大的不確定性和安全風險，需要堤防管理人員能夠準確地辨識危險源和加強安全評估工作，并能在巡查和檢查中排查出隱患，找到堤防工程管理漏洞進行管控?，F(xiàn)階段，堤防安全風險評估工作根據《水利部辦公廳關于印發(fā)水利水電工程(堤防、淤地壩)運行危險源辨識與風險評價導則(試行)的通知》(蘇水轉〔2021〕49號)中的LS法(風險矩陣法)進行評估，該方法只能評估出單個危險源的風險等級，而不能對堤防整體的風險進行評估，不能客觀地體現(xiàn)堤防安全管理水平，需要引進方法對堤防工程進行綜合評價。

風險評估方法雖然已被廣泛應用于各個領域的安全管理中[2]，但堤防綜合風險評估卻處于剛剛起步階段。20世紀70年代美國管理學者Saaty[3]提出層次分析法(AHP)，這是一種層次權重決策分析方法；汪應洛等[4]首次把AHP法應用到我國煤炭決策分析中，具有重要實踐意義；沈斐敏[5]首次把AHP法運用到工程技術方案的選取中，對工程管理工作具有實踐意義；陳昌仁等[6]對洪澤湖流態(tài)生態(tài)風險進行研究，采用AHP法—熵權法對整個洪澤湖生態(tài)風險進行綜合評估，對評價結果提出了針對性措施；王偉等[7]對安全標準化創(chuàng)建工作進行動態(tài)評估，運用AHP法對施工企業(yè)進行動態(tài)評價，構建出層次結構模型，分析出關鍵因素和失效因素，進行打分評估，確定等級。根據水利部提出的“雙預防”機制，堤防工程預防體系模型需要基于隱患排查治理和風險評估進行構建，為堤防安全管理人員的風險決策和隱患治理提供研究方法。

1 綜合風險評估方法

基于層次結構模型的綜合風險評估的方法包括體系構造、方法設計和綜合風險分析3部分，主要靠以下4個步驟來實現(xiàn)(見圖1)：

圖1 綜合風險分析的框架結構

a.體系構造。根據ISO 13824關于風險評估的一般原則，風險的定義為：R(風險)=P(失效概率)×H(失效后果)，結合堤防安全管理實際，則體系構造為：R(綜合風險)=Y(隱患失效率)×F(風險后果)。

b.專家挑選。金遠征等[8]提出利用專家權重改進LEC法，解決了在評估過程中主觀性較強、風險容忍度考慮不充分的問題，據此，在管理單位三個層級(分管責任人、部門責任人、運行管理人員)中挑選專家，并計算出權向量M。

c.風險因素分析。利用挑選出的專家對堤防進行危險源辨識和風險評價(風險評價方法為LS法)，根據風險等級表，分析堤防風險因素。

d.層次模型建立及綜合風險分析?；趯＜医涷灐L險因素及《堤防工程安全評價導則》(SL/Z 697—2015)等建立層次結構模型并分析，根據年度隱患統(tǒng)計及數據分析，得出隱患失效項目，結合層次結構分析，采用MATLAB軟件計算出綜合風險評估值，確定堤防風險等級，輔助管理人員進行風險決策，并采取有效措施加以解決。

1.1 專家權重

在三個層級中挑選專家，分成3組，分別為三個層級分管負責人A、部門負責人B、運行管理人員C，各層級選取專家，并利用專家權重[9]來挑選專家，綜合從事專業(yè)年限、專業(yè)技術水平、從事安全生產工作經驗、堤防工程管理工作技術水平等4方面因素確定，見表1，一級、二級、三級專家的可信度δ分別為1.0、0.8、0.6。

表1 專家分級標準

根據專家分級標準來確定某專家i(i=1,2,…，n)可信度δi，專家組綜合可信度αn按下式計算：

αn=Q(δ1,δ2,…,δn)=1-(1-δ1)(1-δ2)…

(1-δn)

(1)

Q為相關函數，與可信度δi有關，αn越接近1，則專家組可信度越高，權威程度越大。某專家可信度在專家組內的權重θi按下式計算：

(2)

權向量M=[θ1,θ2,…,θn]，其中n為專家總數。

1.2 風險因素分析

根據堤防工程管理實際，利用挑選出的專家組，依據水利部堤防導則，對堤防工程進行危險源辨識和風險評估，危險源風險評估采用LS法，LS法的數學表達式為

R=L×S

(3)

其中R為風險值，L為事故發(fā)生的可能性，S為事故造成危害的嚴重程度。針對危險源評價值，根據一般危險源風險等級劃分標準表——風險矩陣法(LS法)，判斷出危險源風險等級，見表2，根據較大以上風險等級危險源，分析出堤防工程風險因素，作為層次結構模型建立的輔助決策作用。

表2 一般危險源風險等級劃分標準——風險矩陣法(LS法)

1.3 層次模型建立及綜合風險分析

1.3.1 層次模型建立

AHP分析法是一種定性和定量分析的決策方法[10]，根據問題性質和要達到的總目標，將問題分解為不同的組成因素，形成一個多層次的分析結構模型，采用數理化形式，對多因素進行分析評價，最終得出綜合性決策。其優(yōu)點為計算簡單，便于理解，可應用到具體工程安全管理過程中。采用AHP分析法，首先需要建立層次結構模型，本文研究方法為：?專家組根據《堤防工程安全評價導則》(SL/Z 697—2015)建立堤防層次結構模型；?對堤防工程進行風險評估，分析出的風險因素用于輔助決策。建立的層次結構為目標層(E)、評價層(F)、因素層(G)等3個層次框架結構，層次結構模型見圖2，圖中m、n為大于2的整數。

圖2 層次結構模型

1.3.2 綜合風險分析

a.構造判斷矩陣。構造判斷矩陣的目的是以上一層因素作為比較準則，下一級層次中的因素與上一級因素存在隸屬關系，對本層各因素之間相對重要性進行表示，各因素之間的相對重要性會隨著所采用比較標度方法的不同而改變。根據層次結構模型，評價層中F1、F2、…、Fn以目標層Ek作為比較準則，以此類推，因素層Gnn以上一層Fn對應因素作為比較準則，用ρij來表示同一層次的第i、j個因素的相對權重，若ρij=1，則ρji=1/ρij，而同一層次兩因素相對重要度采用1～9標度法[11]進行賦值，判斷矩陣標度定義見表3。

表3 判斷矩陣標度定義

用1～9標度法將各因素之間的相對重要度以量化形式表示，構成判斷矩陣，構造的判斷矩陣如下：

(4)

由判斷矩陣計算被比較元素的權重ρij，計算公式為

(5)

(6)

式中,Li為判斷矩陣中同一行數的乘積。

b.層次單排序及其一致性檢驗。引入一致性指標CI和RI，計算檢驗系數CR，當CR<0.1時，一般認為此判斷矩陣通過一致性檢驗，否則需調整[12]，驗證公式為

(7)

(8)

(9)

式中,λmax為判斷矩陣的最大特征根，其中(Lρ)i為向量Lρ的第i個元素。平均隨機一致性指標RI取值見表4。

表4 平均隨機一致性指標RI

c.綜合風險評估。針對層次分析法單一取值主觀性較強、容忍度考慮不充分的問題，本文提出對層次分析法進行賦權，挑選出的專家用1～9標度法分別對層次模型評價層、因素層給出判斷矩陣，并對判斷矩陣做一致性檢驗，利用MATLAB軟件計算[13]，分別計算出各層次中相關因素權重ωmn，則專家m(m=i=1,2,…，n)的權重賦分為[ωm1，ωm2，…，ωmnT](此向量為列向量)，權向量M按照1.1節(jié)中公式計算，則修正后的權重按下式計算：

(10)

各評價層項目賦分值不同，將各項目的得分值轉化為百分制，并與因素層權重相結合，則綜合風險值計算公式為

(11)

式中，R為堤防工程綜合風險值，μ為評價項目得分，把上一年發(fā)生隱患的失效項目作為扣分項目，根據表5，把堤防工程劃分為優(yōu)秀、良好、一般、較差、差5個等級。

表5 綜合風險等級劃分

2 工程實例

洪澤湖大堤為1級水工建筑物，有效吹程為30km，正向風速為10級(v=26.5m/s)，波高采用2.2m，防浪林臺及防浪林一起消能70%，湖底平均高程為10.5m，大壩土質以粉質黏土為主，占60%～70%，其次為重粉質壤土及黏土和粉質土層，高程10～10.5m以上為人工填土，而歷史險工段有6段，經過多次加固處理，已消險，本文研究其省管段工程，江蘇省洪澤湖堤防管理所為工程管理單位。

2.1 模型建立

2.1.1 專家挑選

根據表1，在洪澤湖堤防管理單位三個層級中挑選專家，每個層級挑選2名專家，判斷各專家可信度δi，分別為1、1、0.8、0.8、0.8、0.6，根據式(1)計算，則這三個層級的綜合可信度αn分別為1、0.96、0.92，選取的三組專家可信度高，權威性較大，再根據式(2)計算出各專家的權重θi，則權向量M=[0.2,0.2,0.16,0.16,0.16,0.12]。

2.1.2 風險因素分析

專家對洪澤湖堤防工程進行危險源辨識，采用由LS法對辨識出的危險源進行風險評估，根據式(3)計算出各危險源的風險值，依表2判斷出風險等級，而根據洪澤湖堤防工程較大以上的風險等級，分析出洪澤湖堤防工程有管涌、滲流、潰堤、流土、坍塌、失穩(wěn)、工程破壞等風險因素，用于輔助決策。

2.1.3 層次模型建立

收集洪澤湖堤防工程設計、施工、管理以及與安全評價相關的社會經濟、水文、氣象、地形、地質等資料[14]，依據上文分析的風險因素種類，再根據洪澤湖堤防工程特點，結合《堤防工程安全評價導則》(SL/Z 697—2015)建立洪澤湖堤防工程層次結構模型，目標層即為堤防工程綜合風險評價指標(E)，評價層為工程質量(F1)、運行管理(F2)、防洪安全(F3)、滲流安全(F4)和結構安全(F5)等5項指標，因素層為評價層進一步分解的若干指標，如防洪安全(F3)可分解為防洪標準(G31)和堤頂高程(G32)等2個評價指標，見圖3。

圖3 洪澤湖堤防工程綜合風險評價層次模型

2.2 綜合風險分析

2.2.1 層次權重計算

6位專家根據表3分別對評價層和因素層構建判斷矩陣，應用MATLAB軟件計算，根據式(7)～式(9)，分別對判斷矩陣進行一致性檢驗，RI值根據表4取值，分別為1.12、1.12、0.58、0、0.58、1.12，經計算，CR值均小于1，滿足一致性要求。根據式(5)～式(6)計算出6位專家的權重，再根據式(10)對各專家權重結果進行修正，最終得到權重計算結果見表6～表11。

表6 目標層權重E

表7 因素層權重F1

表8 因素層權重F2

表9 因素層權重F3

表10 因素層權重F4

表11 因素層權重F5

經過6位專家的分析研究，洪澤湖堤防工程評價層中結構安全(F5)權重最大，為0.248，因素層中防浪林臺質量G15、維養(yǎng)管理G23、堤頂高程G32、滲透比率G43、堤岸防護強度G55相對于評價層指標F中權重最高，堤防管理人員應把這幾項指標作為日常安全管理的重點，提升堤防工程安全管理水平。

2.2.2 洪澤湖堤防工程綜合風險分析

綜合風險分析，首先收集上一年工程專項、綜合性、自查等安全檢查方式排查出的隱患數據，進行分析評估，梳理出出現(xiàn)頻次較多的隱患作為失效項目，并作為最后數理分析的扣分項。如根據2021年洪澤湖堤防工程安全管理實際情況，結合水利部網上填報數據，主要存在的隱患為：?52～54km段一級平臺存在風浪沖刷上岸的水草；?管理所院內施工現(xiàn)場雜亂，人員未佩戴安全帽；?堤防部分段視頻監(jiān)控光纖被破壞；?周橋大塘部分石工墻倒塌；?堤身存在豬獾等害堤動物。根據以上主要隱患判斷洪澤湖大堤2021年堤防失效項目扣分項為G13、G21、G23、G54、G55，結合上文權重計算，根據式(11)，洪澤湖堤防工程在2021年綜合風險值為82，根據表5，判斷等級為良好。

3 結論與建議

本文基于層次分析法對洪澤湖堤防工程安全風險進行了綜合分析和評價，加入專家權重，充分考慮風險容忍度，根據綜合評價結果，洪澤湖堤防工程2021年安全風險等級為良好。盡管堤防工程還面臨高水位、大風等環(huán)境因素影響，但整體安全管理現(xiàn)狀良好。本文基于洪澤湖堤防工程風險因素分析、隱患排查治理數據，構建層次分析模型，運用層次分析法對整個堤防工程進行綜合風險評價，針對堤防工程運行管理和存在的結構安全風險，提出相關措施。

a.深入推進安全生產標準化建設。洪澤湖堤防工程在2018年創(chuàng)建安全標準化二級單位，逐步推進標準化建設，應在滿足條件的情況下提檔升級，管理所需加強制度建設、教育培訓等工作，提升理論基礎和人員管理能力，加強堤防除患消險能力，建立健全預防應急能力，根據發(fā)現(xiàn)的隱患及時整改，實行“五落實”，針對危險源進行源頭管控，做好季節(jié)性、極端天氣等預防措施，采用PDCA模式進行閉環(huán)管理[15]，有效做到洪澤湖堤防工程安全生產態(tài)勢穩(wěn)定。

b.加強堤防查險排患管理水平。落實洪澤湖堤防工程段格化[16]、網格化巡查方式，加強人員查險查患能力，進一步升級堤防自動化、信息化監(jiān)控設備水平，針對堤防防洪安全、結構安全、滲流安全出現(xiàn)的問題能及時發(fā)現(xiàn)，編制重大危險源、重大隱患等預案，并報主管部門備案，落實防汛防旱預報預警工作，加強防汛搶險隊建設工作，提高堤防管理所防汛搶險人員除險水平，做好基礎性搶險能力培訓，保證洪澤湖周邊地區(qū)居民安全。