基于BKS法澇河水庫安全等級評價

法子凡

(山西鵬右水利規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

作為水資源利用大國，我國修建了多座水庫工程，水庫工程建設(shè)對我經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了巨大的效益。由于一些水庫修建時期較早，工程質(zhì)量較為低下，在長期的使用過程中，水庫工程安全風(fēng)險顯著提高。針對這一類型的水庫工程進(jìn)行安全評價，已經(jīng)得到了越來越多的重視。任睿[1]采用FMECA方法對水庫安全情況進(jìn)行研究，認(rèn)為水庫在泄洪、受力等方面存在一定安全風(fēng)險，需要采取加固措施；張哲銘[2]結(jié)合監(jiān)測和檢測數(shù)據(jù)對水庫大壩安全情況進(jìn)行分析，認(rèn)為現(xiàn)場監(jiān)測和檢測數(shù)據(jù)可以真實(shí)反映水庫的安全情況；李京陽等[3]、陳果等[4]分別采用模糊綜合法、層次分析法對水庫大壩的安全情況進(jìn)行評價，評價結(jié)果與實(shí)際情況較為一致。根據(jù)前人研究可知，水庫工程安全評價涉及到多個學(xué)科、多個因素，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程[5-7]，結(jié)合澇河水庫工程實(shí)例，采用BKS方法對水庫工程安全情況進(jìn)行分析。

1 工程概況

澇河水庫位于汾河支流澇河干流上，大壩座落在距臨汾市城東20km的臨汾市堯都區(qū)大陽鎮(zhèn)東河堤村東，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧供水、養(yǎng)魚及旅游等綜合利用的中型水庫，控制流域面積450.7km2，總庫容5960萬m3。設(shè)計(jì)灌溉面積7.36萬畝。

澇河水庫工程等別為Ⅲ等，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇。抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度。

澇河水庫于1975年11月動工興建，1978年9月下閘蓄水，建有土壩、泄洪洞、灌溉洞及土質(zhì)溢洪道。2003年對水庫進(jìn)行了除險加固：改建溢洪道，新建泄洪洞進(jìn)水塔工作橋。

大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程560.35m，最大壩高43.15m，壩頂長865m，壩頂寬6m，壩頂上游側(cè)設(shè)有高1.2m的漿砌石防浪墻。

2 評價指標(biāo)體系建立

水庫工程安全評價指標(biāo)體系的建立主要包括層次結(jié)構(gòu)圖和各指標(biāo)的權(quán)重2個工作內(nèi)容。結(jié)合前人研究成果，將影響指標(biāo)體系按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制。目前，影響水庫工程安全的指標(biāo)可從工程質(zhì)量、運(yùn)行管理、防洪、結(jié)構(gòu)、滲流、抗震能力、金屬結(jié)構(gòu)等7個方面進(jìn)行考慮。通過向?qū)＜易稍兊确椒?，確定各指標(biāo)對水庫安全的影響程度，從而確定各指標(biāo)的權(quán)重。影響水庫工程安全的指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 評價指標(biāo)體系

3 水庫大壩安全等級評價模型構(gòu)建

3.1 組合賦權(quán)法

層次分析法首次提出時間是20世紀(jì)70年代，但主觀因素對該方法獲取的權(quán)重結(jié)果影響較大，為了改善這一情況，采用粗糙集理論對該方法進(jìn)行改

進(jìn)，同時利用熵權(quán)法降低人為因素對指標(biāo)權(quán)重結(jié)果的影響。該方法應(yīng)用極為廣泛[8-10]，簡要計(jì)算過程如下：

(1)

(2)

式中，yji—各指標(biāo)值；p—指標(biāo)個數(shù)；wi—指標(biāo)權(quán)重。

層次分析法、熵權(quán)法權(quán)重分別為為wi′、wi″，滿足函數(shù)d(wi′，wi″)：

(3)

組合權(quán)重為wz：

wz=αwi′+βwi″

(4)

式中，α，β—分配系數(shù)，滿足以下條件：

d(wi′，wi″)2=(α-β)2

(5)

α+β=1

(6)

指標(biāo)權(quán)重見表1。

表1 大壩安全風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重

3.2 行為知識空間法

行為知識空間法(BKS法)的基本原理如下[5]：假設(shè)指標(biāo)共有L個可能導(dǎo)致出現(xiàn)的結(jié)果，采用集合ω1、ω2、…、ωL表示。假設(shè)共有n個影響最終結(jié)果的評價指標(biāo)，em(m=1，2，…，n)，令em(X)∈{1，2，…，L}，表示評價指標(biāo)em對特征矢量X的分類；對于水庫工程不同的安全等級，各個指標(biāo)結(jié)果為E(X)=(e1，e2，…，em)，因此，輸出結(jié)果共有Ln種。每個輸出結(jié)果均為BKS中的一個數(shù)據(jù)。之后利用判決矩陣，在少數(shù)服從多數(shù)的原則下確定水庫工程的最終安全等級。

3.3 澇河水庫安全等級評價

3.3.1工程現(xiàn)狀問題

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，工程存在的主要問題如下：

(1)右壩肩0+134～0-090處為三級黃土階地，有2層砂礫石透水層，建壩時未做處理，1979年在右岸下游坡腳形成管涌，1981—1982年在壩腳設(shè)砂礫料反濾體及6眼減壓井，上游壩岸設(shè)黏土封堵墻，但滲流量沒有明顯減少；2003年除險加固做了高噴防滲墻處理，防滲墻頂高程為524、530、544m，底高程496m，經(jīng)運(yùn)行觀察，下游仍有水滲出，滲漏量0.5～1.8L/s。

(2)2021年11月右壩段大壩樁號0+016～0+121之間，下游壩腳4號測壓管(為壩基測壓管，地面高程530.226m)冒水，樁號0+121處82-7測壓管(為壩基測壓管，地面高程528.959m)冒水，測壓管加高1m后仍然有水溢出，壩基砂礫石層存在承壓水。

(3)現(xiàn)場檢查，右壩肩在樁號0+045～0+121之間，高程540～526m之間存在陰濕現(xiàn)象。

(4)上游護(hù)坡為干砌石護(hù)坡，建于20世紀(jì)70年代，多處存在塊石脫落，壩體土裸露現(xiàn)象。

(5)泄洪洞洞身因較大不均勻沉降18.9cm，第6節(jié)洞身產(chǎn)生沿截水環(huán)的環(huán)向裂縫變形，雖經(jīng)修補(bǔ)，但未能結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)；第3、4、5、6節(jié)洞身伸縮縫因不均勻沉降破損，修復(fù)后有多處鼓包現(xiàn)象，并伴有少量滲水；工作閘門無配重，閘門底部止水損壞有噴水現(xiàn)象；泄洪洞出口洞臉及兩側(cè)擋墻砌體損壞嚴(yán)重。下游旅游公路橫跨泄洪洞泄洪通道，影響泄洪安全。

(6)泄洪洞工作閘門上游側(cè)未配置事故閘門，泄洪洞工作閘門及檢修閘門配套的2臺固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)沒有行程控制，無負(fù)荷控制傳感器等；電氣設(shè)備老化，未見備用電源。2臺固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)安全等級評定為不安全；啟閉機(jī)室屋頂滲雨，未見避雷設(shè)施，無應(yīng)急照明；啟閉機(jī)電力配電柜、控制柜技術(shù)落后，主令元件老化，線纜老化，接地不可靠；存在嚴(yán)重安全隱患。

(7)溢洪道進(jìn)口控制段2座交通橋橋底高程低于校核洪水位，橋底凈空不滿足規(guī)范要求，影響行洪安全。

(8)灌溉洞洞身結(jié)構(gòu)老化，進(jìn)口水下閘室結(jié)構(gòu)型式操作不便，不適應(yīng)安全運(yùn)行要求，水下閘室陰暗潮濕環(huán)境，影響電動閘閥安全運(yùn)行；進(jìn)口4臺電動閘閥電動裝置嚴(yán)重故障，現(xiàn)已無法運(yùn)行，目前利用出口閘閥控制，并且閘閥下游連接管道已運(yùn)行48年，銹蝕嚴(yán)重；灌溉洞交通廊道頂部漏水嚴(yán)重，運(yùn)行過程中存在安全隱患。

(9)用于觀測浸潤線的測壓管，數(shù)量偏少，部分測壓管損壞，不能正常運(yùn)行。

3.3.2大壩等級評價

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，將調(diào)查結(jié)果向業(yè)內(nèi)專家問詢，獲取各指標(biāo)評分，大壩風(fēng)險等級劃分見表2。

表2 大壩安全等級劃分

通過數(shù)據(jù)整理，澇河水庫工程等級為高風(fēng)險，見表3。

表3 大壩安全等級

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

根據(jù)分析，選取了7類23個指標(biāo)作為水庫安全等級的影響因素，采用組合賦權(quán)的方法獲取各指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合澇河水庫工程的實(shí)際情況，問詢業(yè)內(nèi)權(quán)威專家獲取各指標(biāo)的分值，最終確定澇河水庫安全等級為高風(fēng)險，需要采取除險加固工程措施。

4.2 建議

(1)對右壩肩砂礫石層進(jìn)行防滲處理；對上游干砌石護(hù)坡進(jìn)行更換；

(2)更換泄洪洞工作閘門及檢修閘門啟閉機(jī)，修復(fù)加固洞身沉降裂縫部位；

(3)對泄洪洞啟閉機(jī)室進(jìn)行相應(yīng)改造升級；

(4)更換灌溉洞進(jìn)口閘閥及連接段管道，對交通廊道漏水部位進(jìn)行加固處理；

(5)改造溢洪道進(jìn)口控制段段左右岸側(cè)墻，修復(fù)泄槽段高邊坡?lián)鯄?，對溢洪道消力池進(jìn)行清淤疏浚，清理溢洪道進(jìn)口雜物；

(6)盡快完善工程安全監(jiān)測系統(tǒng)，加強(qiáng)工程安全監(jiān)測，加強(qiáng)相關(guān)觀測計(jì)量記錄，完善監(jiān)測資料；

(7)加強(qiáng)對水庫的維修養(yǎng)護(hù)，進(jìn)一步完善水庫運(yùn)行管理，對水庫歷史資料進(jìn)行收集整理，建立檔案庫，按照相關(guān)規(guī)定分類整編、存檔和保管；

(8)汛期應(yīng)加強(qiáng)工程巡視，密切關(guān)注水庫異常情況，水庫除險加固前低水位運(yùn)行，確保水庫工程安全。