鐵嶺縣范家屯水庫(kù)大壩安全性分析

王 杰

（鐵嶺縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 鐵嶺 112000）

風(fēng)險(xiǎn)分析法是水電工程安全評(píng)價(jià)應(yīng)用最為普遍的方法之一[1]。然而，在評(píng)定水庫(kù)大壩安全性時(shí)風(fēng)險(xiǎn)分析法存在許多不足之處，如傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析法未考慮各隱患之間的相互影響，直接分析水庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)；專業(yè)技術(shù)人員利用風(fēng)險(xiǎn)分析法評(píng)分時(shí)具有明顯的人為差異性，即評(píng)價(jià)結(jié)果受人為主觀判斷及隨機(jī)性影響較大[2-5]。因此，本文利用模糊層次法改進(jìn)傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析法，并利用改進(jìn)后的方法分析鐵嶺縣范家屯水庫(kù)大壩安全性，以期為保證評(píng)判結(jié)果的科學(xué)合理性提供一定參考。

1 水庫(kù)大壩安全性分析

1.1 安全隱患分析體系

充分風(fēng)險(xiǎn)分析法特點(diǎn)、工程實(shí)際和水庫(kù)大壩(以土石壩為例)可能遇到的各種情況，系統(tǒng)分析導(dǎo)致土石壩隱患發(fā)生的因素和各種安全隱患，遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、層次性和可獲取性等原則構(gòu)建安全隱患分析體系，如表1。

1.2 劃分評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)險(xiǎn)分析法是一種從最低層逐步向上一層總結(jié)歸納的定量分析方法，依據(jù)表2確定檢測(cè)難度DDDR、故障發(fā)生概率OOPR和影響嚴(yán)重程度EESR各因素值，利用下式計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RRPN，即：

表2 風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.3 模糊層次分析流程

對(duì)各安全隱患影響嚴(yán)重程度和發(fā)生頻率利用模糊層次法進(jìn)行分析，結(jié)合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表1）和風(fēng)險(xiǎn)矩陣權(quán)重計(jì)算方法構(gòu)造判斷矩陣，以系統(tǒng)層中內(nèi)部安全隱患P為例，模糊層次分析流程如下[6-8]：

①構(gòu)造因素集合P。根據(jù)表1中準(zhǔn)則層所包含的結(jié)構(gòu)異常破壞P1、壩基異常滲漏P2、材料變質(zhì)老化P3三項(xiàng)因素，構(gòu)造內(nèi)部安全隱患因素集P：P=｛P1，P2，P3｝。

表1 水庫(kù)大壩安全隱患分析體系

②構(gòu)造評(píng)語(yǔ)集V。針對(duì)隱患發(fā)生概率OOPR和影響嚴(yán)重程度EESR構(gòu)造內(nèi)部安全隱患評(píng)語(yǔ)集V1、V2，其中V1=｛V11，V12，V13，V14，V15｝對(duì)應(yīng)于極少、很少、偶然、時(shí)有和總是發(fā)生，V2=｛V21，V22，V23，V24，V25｝對(duì)應(yīng)幾乎無(wú)影響、輕微影響、功能損失、重大損失和嚴(yán)重后果。

③建立模糊評(píng)判矩陣R。依據(jù)實(shí)際情況和專家評(píng)價(jià)表確定各因素Pi評(píng)分pj：pj=nj/5，其中nj代表出現(xiàn)評(píng)語(yǔ)次數(shù)。針對(duì)因素集合P中的Pi，利用評(píng)語(yǔ)集V構(gòu)造相應(yīng)的評(píng)判向量ri=（p1，p2，p3，p4，p5），最終評(píng)判矩陣R的列和行為各個(gè)因素Pi及其評(píng)判向量ri。

④計(jì)算各因素權(quán)重。邀請(qǐng)領(lǐng)域內(nèi)專家按照1～9標(biāo)度準(zhǔn)則（如表3）確定各安全隱患的相互影響程度，從而構(gòu)造判斷矩陣A=（aij）n×n。

為保證計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性還要檢驗(yàn)矩陣的一致性，利用下式計(jì)算除最大特征根以外其它特征值的平均值指標(biāo)，以此反映矩陣的偏離一致性，即：

式中：CI、RI——矩陣的離散一致性程度指標(biāo)值和平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值，按表4確定RI值，以CR<0.10作為通過(guò)一致性檢驗(yàn)的判定標(biāo)準(zhǔn)[9]。

表4 離散一致性指標(biāo)值RI

⑤模糊綜合評(píng)判。采用合成算子處理各因素權(quán)重矩陣W=｛ω1，ω2，ω3｝與判斷矩陣R，從而確定水庫(kù)大壩安全性評(píng)價(jià)子集B：

其中，bj=（ω1r1j+ω2r2j+ω3r3j）。

⑥確定水庫(kù)大壩安全等級(jí)。結(jié)合《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》、安全隱患影響嚴(yán)重程度和發(fā)生頻率評(píng)判結(jié)果，最終依據(jù)表5合理確定內(nèi)部安全隱患等級(jí)[10]。

表5 安全等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

表31 —9標(biāo)度準(zhǔn)則

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

范家屯水庫(kù)位于鐵嶺縣凡河流域福利河中游，是一座以防洪、灌溉為主，兼旅游、養(yǎng)魚(yú)等綜合利用的?。↖）型水庫(kù)，控制集水面積27km2，壩址以上河長(zhǎng)8.0km，平均比降4‰。水庫(kù)總庫(kù)容950萬(wàn)m3，興利庫(kù)容422萬(wàn)m3，攔河壩為均質(zhì)土壩，保護(hù)下游2.19萬(wàn)人口和1.5萬(wàn)畝耕地安全。

2.2 安全隱患分析

該水庫(kù)工程始建于1958年，屬“三邊”“三無(wú)工程”，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查以及對(duì)勘察資料和運(yùn)行管理中出現(xiàn)問(wèn)題的綜合分析，范家屯水庫(kù)大壩、輸水洞、溢洪道在運(yùn)行中已暴露出不同程度的質(zhì)量問(wèn)題，如大壩護(hù)坡塊石風(fēng)化嚴(yán)重、輸水洞底板長(zhǎng)期受水流沖刷，破損嚴(yán)重，輸水洞閘門和啟閉機(jī)不能正常工作且漏水嚴(yán)重、溢洪道進(jìn)口兩側(cè)翼墻、消力池需維修等問(wèn)題。從范家屯水庫(kù)在運(yùn)行中已暴露出的質(zhì)量問(wèn)題看，有的已影響工程安全的運(yùn)用，故急需科學(xué)分析水庫(kù)大壩安全性，為后期除險(xiǎn)加固整治提供一定支持。

2.3 構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)水庫(kù)大壩安全隱患分析體系（表1），對(duì)范家屯水庫(kù)邀請(qǐng)水利工程領(lǐng)域內(nèi)的5位專家進(jìn)行評(píng)分，統(tǒng)計(jì)整理專家評(píng)分如表6。

表6 專家評(píng)分表

根據(jù)公式pj=nj/5和專家評(píng)分表，可以構(gòu)造評(píng)語(yǔ)集V1所相應(yīng)的評(píng)判向量ri和評(píng)判矩陣R1：r1=（0.3，0.5，0.2，0，0）、r2=（0.5，0.5，0，0，0）、r3=（0.5，0.2，0.3，0，0）。

同理，可以構(gòu)造評(píng)語(yǔ)集V2所相應(yīng)的評(píng)判向量ri和 評(píng) 判 矩 陣R2：r1=（0，0，0.6，0.4，0）、r2=（0，0.3，0.4，0.3，0）、r3=（0，0.4，0.6，0，0）。

2.4 計(jì)算因子權(quán)重

結(jié)構(gòu)異常破壞P1、壩基異常滲漏P2、材料變質(zhì)老化P3三項(xiàng)因素的相對(duì)重要度邀請(qǐng)5位專家評(píng)分，按照其中1位專家評(píng)分構(gòu)造的內(nèi)部安全隱患判斷矩陣A如下：

采用前文所述公式計(jì)算（2）—（4）計(jì)算矩陣最大特征根，經(jīng)一致性檢驗(yàn)確定最終的權(quán)向量。同理，計(jì)算確定其他4位專家賦予的權(quán)重值和算數(shù)平均權(quán)重，如表7。

表7 內(nèi)部安全隱患指標(biāo)權(quán)重

2.5 模糊數(shù)學(xué)分析

采用合成算子處理各因素權(quán)重矩陣W=｛ω1，ω2，ω3｝與判斷矩陣R，從而確定內(nèi)部安全隱患發(fā)生頻率和影響嚴(yán)重程度評(píng)判結(jié)果B1、B2，所對(duì)應(yīng)的分布特征如圖1。

從圖1可以看出，針對(duì)鐵嶺縣范家屯水庫(kù)大壩內(nèi)部安全隱患發(fā)生概率，認(rèn)為極少發(fā)生、很少發(fā)生、偶然發(fā)生和時(shí)有發(fā)生的專家占比依次為36.5%、46.6%、10.2%、6.7%，認(rèn)為總是發(fā)生的專家數(shù)為0，遵循最大隸屬度原則可以認(rèn)為很少發(fā)生內(nèi)部安全隱患；針對(duì)鐵嶺縣范家屯水庫(kù)大壩內(nèi)部安全隱患影響嚴(yán)重程度，認(rèn)為幾乎無(wú)影響、輕微影響、功能損失、重大損失、嚴(yán)重后果的專家占比依次為0%、26%、50%、24%、0%，遵循最大隸屬度原則可以認(rèn)為安全隱患會(huì)造成功能損失。綜合考慮安全隱患影響嚴(yán)重程度和發(fā)生頻率評(píng)價(jià)結(jié)果，依據(jù)等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)最終評(píng)定鐵嶺縣范家屯水庫(kù)大壩達(dá)到B安全等級(jí)，該評(píng)價(jià)結(jié)果與安全鑒定結(jié)論保持高度一致。

圖1 水庫(kù)大壩內(nèi)部安全隱患評(píng)判結(jié)果

3 結(jié)論

本文利用模糊層次法改進(jìn)傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析法，有效解決了傳統(tǒng)方法忽視各安全隱患之間相互影響以及存在一定主觀性等問(wèn)題，保證了評(píng)估結(jié)果的客觀性和科學(xué)性，經(jīng)權(quán)重計(jì)算使得評(píng)判結(jié)果具有更強(qiáng)的說(shuō)服力。

采用改進(jìn)的模糊層次風(fēng)險(xiǎn)分析法評(píng)價(jià)鐵嶺縣范家屯水庫(kù)大壩安全性，結(jié)果顯示該水庫(kù)大壩達(dá)到B安全等級(jí)，該評(píng)價(jià)結(jié)果與安全鑒定結(jié)論保持高度一致，對(duì)于水庫(kù)大壩安全性分析該方法具有較強(qiáng)適用性與可行性。