基于風險優(yōu)先數(shù)的范家屯水庫大壩安全評估

郎 穎

（撫順市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 撫順 113006）

0 引 言

目前，對于水利工程風險評估應用最多的方法是FMECA 法[1-2]。然而在分析水庫大壩安全性時FMECA 法還存在許多不足，如專業(yè)技術(shù)人員對FMECA 法中的指標評分具有較大的人為差異，所以使用FMECA 法存在較大主觀性及不確定性；在分析水庫大壩安全風險時傳統(tǒng)的FMECA 法忽略了各隱患之間的相互影響，而是直接分析安全隱患[3]。鑒于此，針對水庫大壩安全性分析提出適用性較好的FMECA-某層次分析法，采用模糊層次分析法改進原有的FMECA 方法，從而保證評估結(jié)果的客觀嚴謹性。

1 評價方法

1.1 FMECA 法

FMECA 法是一種普遍應用于水電行業(yè)風險程度、失效模式和后果的風險分析方法，該方法設定了失效原因被檢出程度(DDDR)、失效后果嚴重程度(EESR)和失效發(fā)生概率(OOPR)三個指標。其中，是否容易采取措施阻止失效發(fā)生以及是否容易發(fā)現(xiàn)失效與失效原因被檢出程度有關(guān)。依據(jù)相似系統(tǒng)失效記錄或工程實踐經(jīng)驗，各指標使用1~5 標定，如表1 所示。

表1 FMECA 法中的各指標標定值

對于失效后果嚴重程度，危害很小是指造成的經(jīng)濟損失、環(huán)境污染和人員傷害均很小；危害小是指造成的經(jīng)濟損失、環(huán)境污染和人員傷害較??；危害嚴重是指造成明顯的經(jīng)濟損失，可能污染環(huán)境和人員傷害甚至死亡；危害非常嚴重是指造成較大經(jīng)濟損失、明顯的環(huán)境污染和人員上網(wǎng)；災難性危害是指造成巨大經(jīng)濟損失、嚴重環(huán)境污染和3 人以上死亡[4]。

風險優(yōu)先數(shù)(RRPN)就是各指標的乘積，其數(shù)值大小反映了失效模式的風險嚴重程度，其表達式為：

1.2 土石壩安全評估體系

根據(jù)FMECA 法和水庫大壩實際情況分析導致隱患發(fā)生的原因及可能出現(xiàn)的各種安全隱患[5]，從壩基異常滲漏、結(jié)構(gòu)異常破壞、洪水漫壩和材料老化變質(zhì)等角度建立土石壩安全隱患體系，如表2 所示。

表2 土石壩安全隱患評估體系

1.3 FMECA-模糊層次法

采用模糊層次法全面分析失效后果嚴重程度(EESR)和失效發(fā)生概率(OOPR)，參照FMECA 評分表和風險矩陣的權(quán)重計算方法構(gòu)造判斷矩陣，以內(nèi)部安全為例簡要說明計算流程[6-8]。

1.3.1 確定因素集合U

根據(jù)表1 可以構(gòu)造水庫大壩內(nèi)部安全隱患因素集U：U={U1，U2，U3}，其 中U3、U2、U1分 別為材料變質(zhì)老化、壩基異常滲漏和結(jié)構(gòu)異常破壞。

1.3.2 確定評語集合V

根據(jù)相關(guān)資料和土石壩特點可以建立水庫大壩失效發(fā)生概率評語集V1和失效后果嚴重程度評語集V2，即對應于不會發(fā)生、極不可能發(fā)生、不可能發(fā)生、可能發(fā)生和極可能發(fā)生，對應于危害很小、危害小、危害嚴重、危害非常嚴重和災難性危害。

1.3.3 構(gòu)造模糊評判矩陣R

根據(jù)各因素ui的評語和專家評分表，利用下式計算最終評語pj，即：

式中：nj表示評語的出現(xiàn)次數(shù)。通過上述計算構(gòu)造因素ui對評語集V的評判向量ri=(p1，p2，p3，p4，p5)，各個因素ui及其對應的評判向量ri為判斷矩陣的列和行，由此可以建立判斷矩陣R。

1.3.4 確定因素權(quán)重集A

參照1~9 標度準則邀請領(lǐng)域內(nèi)的多位專家對各安全隱患的相互影響程度進行評分建立權(quán)重矩陣A，經(jīng)一致性檢驗和最大特征根λmax計算求出各隱患的權(quán)重，詳細流程見文獻[9]。

1.3.5 模糊綜合評估

將模糊判斷矩陣R與權(quán)重矩陣A利用合成算子( +)?，進行計算，則：

其中，bj=(a1r1j+a2r2j+a3r3j)。

根據(jù)失效后果嚴重程度(EESR)和失效發(fā)生概率(OOPR)的評估結(jié)果，參照表3 種的等級評判標準及《水庫大壩安全評價導則》確定大壩內(nèi)部安全評估等級[10]。

表3 大壩安全等級標準

2 實例分析

2.1 水庫大壩概況

范家屯水庫是一座以灌溉、防洪為主，兼養(yǎng)魚、旅游等功能的?。?）型水庫，壩址位于鐵嶺縣凡河流域福利河中游，控制集水面積27km2，總庫容950 萬m3，建成后保護了下游耕地和2.19 萬人口[11-13]。

2.2 安全隱患分析

根據(jù)范家屯水庫大壩（4 級土石壩）實際情況和表1 評估體系進行該水庫安全隱患分析，如表4 所示。

表4 范家屯水庫安全隱患分析表

2.3 確定評判矩陣

通過邀請領(lǐng)域內(nèi)的5 位專家按照表3 范家屯水庫安全隱患分析表進行評分，結(jié)果如表5 所示。

表5 范家屯水庫的EESR 和OOPR 評分表

采用公式（2）和表4 可以建立因素集合中的ui對于失效發(fā)生概率評語集V1的評判向量：r1=(0.2，0.6，0.2，0，0)、r2=(0.6，0.4，0，0，0)、r3=(0.5，0.3，0.2，0，0)，從 而 進 一 步 建 立 判 斷 矩 陣R1：

同理，采用相同的方法可以建立因素集合中的ui對于失效后果嚴重程度評語集V2的評判向量和判斷矩陣R2：

2.4 計算因子權(quán)重

對范家屯水庫大壩各安全因素邀請領(lǐng)域內(nèi)的5位專家參照1~9 標度準則進行權(quán)重評分，1#專家的權(quán)重評分，如表6 所示。

表6 1#專家對大壩內(nèi)部安全隱患權(quán)重評分

結(jié)合表5 權(quán)重評分可以構(gòu)造判斷矩陣：

通過一致性檢驗、最大特征根計算和歸一化處理可以確定權(quán)重向量W=[0 . 5470，0.1085,0.3445]，其一致性比率CR=0.052 滿足小于0.1 的檢驗要求。同理，對其它4 位專家評分表利用相同的方法進行處理可以得到相應的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表7 所示。通過算數(shù)平均計算可以確定U1、U2、U3這三個安全隱患的權(quán)重為0.4961、0.1594、0.3445。

表7 內(nèi)部安全隱患指標權(quán)重

2.5 模糊數(shù)學分析

將模糊判斷矩陣R與權(quán)重矩陣A利用合成算子( +?)， 進行計算，可以確定失效發(fā)生概率B1和失效后果嚴重程度B2的評判結(jié)果及其比例分布情況（圖1），即：

圖1 范家屯水庫大壩內(nèi)部安全隱患評判結(jié)果

由圖1 可知，有37.1%的專家認為范家屯水庫大壩內(nèi)部不會發(fā)生安全隱患，有46.1%的專家認為極不可能發(fā)生安全隱患，有10.0%的專家認為不可能發(fā)生，有6.8%的專家認為可能發(fā)生失效，沒有專家認為極可能發(fā)生失效，按照最大隸屬度準則判定該水庫大壩極不可能發(fā)生安全隱患。另外，有27.2%的專家認為范家屯水庫大壩內(nèi)部失效危害小，有50.0%的專家認為失效危害嚴重，有22.8%的專家認為失效危害非常嚴重，沒有專家認為失效危害很小和災難性危害，按照最大隸屬度準則判定該水庫大壩發(fā)生失效造成的危害嚴重。

根據(jù)失效后果嚴重程度和失效發(fā)生概率評估結(jié)果，參照表2 安全等級標準可以判定該水庫大壩屬于A 等級，這與范家屯水庫大壩安全鑒定結(jié)論及實際情況保持一致。

3 結(jié) 論

1）文章對FMECA 法確定的評分表利用模糊層次分析法進行評分，該方法保證了評估結(jié)果的科學合理性，有效解決了傳統(tǒng)FMECA 法存在的主觀性及未考慮各安全隱患相互影響的問題，通過合理分配及分析權(quán)重保證評估結(jié)果的說服力和可靠性。

2）對鐵嶺縣范家屯水庫大壩利用FMECA-模糊層次分析法進行評估，結(jié)果顯示該水庫大壩屬于A等級，這與范家屯水庫大壩安全鑒定結(jié)論及實際情況保持一致，說明該方法切實可行有效。