觀音閣水庫大壩安全健康狀態(tài)評價

龔 祖

(昌圖縣水利勘測設(shè)計有限公司,遼寧 鐵嶺 112500)

我國是擁有水庫數(shù)量和水庫潰壩數(shù)量最多的國家,并且絕大多數(shù)水庫修建于20世紀(jì)50～70年代,受限于當(dāng)時經(jīng)濟發(fā)展和施工技術(shù)條件大多存在工程質(zhì)量差、防洪不達標(biāo)等問題,加之后期運行管理和維修不當(dāng),,一旦失事必然導(dǎo)致嚴(yán)重后果[1]。因此,調(diào)查評估水庫大壩的風(fēng)險問題及其安全狀態(tài),對于水庫除險加固和資源的合理分配、利用具有重要意義。

為了規(guī)范鑒定工作的標(biāo)準(zhǔn)、方法、內(nèi)容及保證鑒定質(zhì)量,有關(guān)部門綜合考慮防洪能力、運行管理和安全系數(shù)復(fù)核等因素制定了《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》,使評價水平得到了明顯提升[2]。然而,在實際鑒定過程中該導(dǎo)則還存在一些不足,如評價方式主要是定性判斷,決策易出現(xiàn)分歧或爭議;決策時沒有突出各部分的重要程度,未考慮權(quán)重因素。此外,影響大壩安全的許多復(fù)雜因素存在較大的模糊性,難以用確定性方式分析其輸出輸入關(guān)系。為解決以上問題,工程界和學(xué)術(shù)界使用風(fēng)險評估法、模糊數(shù)學(xué)法、專家評分法及層次分析法等評價安全狀況[3-5]。其中,層次分析法作為輔助手段,主要側(cè)重于指標(biāo)權(quán)重的計算和排序,通過定量判斷相對重要性和數(shù)學(xué)表達人的主觀判斷,實現(xiàn)決策過程及其定性判斷的數(shù)量化,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于多因素系統(tǒng)問題研究[6]。模糊綜合評判主要是考慮數(shù)學(xué)計算和指標(biāo)權(quán)重實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)問題的線性模糊化處理,從而反映整體狀況[7]。有學(xué)者利用多層次的目標(biāo)體系和模糊理論評價了監(jiān)測指標(biāo)體系,優(yōu)化改進判斷矩陣的一致性檢驗方法,選用熵權(quán)法改進權(quán)重以保證評價結(jié)果的客觀性等[8-10]。這些研究為水庫大壩安全鑒定領(lǐng)域中模糊數(shù)學(xué)理論和層次分析法的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),但是在具體使用時還存在深度較淺、廣度不足等問題[11]。另外,采用模糊數(shù)學(xué)理論確定隸屬函數(shù)缺少依據(jù),由于定性因素較多計算的隸屬度無法客觀真實反映實際情況。因此,文章從社會經(jīng)濟和結(jié)構(gòu)安全等方面建立評價體系,將模糊數(shù)學(xué)理論與層次分析法相結(jié)合評價觀音閣水庫大壩的健康狀態(tài),該方法既考慮了主觀判斷的不確定性又避免了一致性檢驗計算,保證了權(quán)重計算的有效科學(xué)性,計算的隸屬度體現(xiàn)了不確定性和模糊性,使得計算結(jié)果更加客觀合理,更真實地反映水庫大壩安全實際情況。

1 建模分析

1.1 綜合評價體系

總體上,可以將水庫大壩安全的影響因素劃分成社會經(jīng)濟和結(jié)構(gòu)安全2類,遵循系統(tǒng)性、代表性、簡約性和可操作性等原則進一步細化各類因素,如表1所示。

表1 水庫大壩安全評價體系

1.2 建模流程

步驟1:設(shè)影響大壩安全的因素有m個,可采用合適的評語描述每一種因素,從而構(gòu)建相應(yīng)的評語集U:

U={u1,u2,…,uj…,um}

(1)

式中:uj為第j個評語,采用專家咨詢法和主觀經(jīng)驗判斷法確定每一個評語。為反映優(yōu)劣程度將其劃分成n個等級,從而構(gòu)建等級評語集V:

V={v1,v2,…,vi…,vn}

(2)

式中:vi為第j個評價等級,每個評語uj對任一等級vi都存在一個隸屬度rij,可以將該評語的所有等級隸屬度構(gòu)成模糊向量Y′,其表達式為:

Y′={r1j,r2,j…,rij…,rnj}

(3)

(4)

(5)

式中:aj為第j個評語權(quán)重。

(6)

2 實證研究

2.1 工程概況

觀音閣水庫建于太子河干流上,總庫容21.68億m3,控制面積2 795km2,并與下游葠窩水庫形成梯級開發(fā)。觀音閣水庫承擔(dān)著防洪、灌溉、城市供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖及水力發(fā)電等多種任務(wù),水庫大壩按設(shè)計任務(wù)要求,由擋水(共分65個壩段,壩頂長1040m)、溢流(BL15#～27#,總長208m)、底孔(13#、14#壩段,全長32m)及電站壩段組成(8#、9#壩段,全長35m),攔河壩為碾壓混凝土重力壩,壩體剖面為“金包銀”型式,壩體內(nèi)共設(shè)有三層廊道及隧洞。根據(jù)太子河流域水庫工程的實際情況,確定葠窩、湯河和觀音閣三座大型水庫除直接供水給本溪、鞍山、遼陽和營口等市部分工業(yè)及城市生活用水外,尚應(yīng)聯(lián)合運用,共同補償區(qū)間供水。觀音閣水庫作為補償水庫,除直接供給本溪、鞍山、遼陽三市工業(yè)及城市生活用水外,再補農(nóng)業(yè)灌溉用水的聯(lián)合運用方式較優(yōu)[13-15]。

2.2 等級劃分

為了反映每個評語的優(yōu)劣程度,結(jié)合水庫大壩的具體情況將評判結(jié)果劃分成5個等級,對于不同等級每項評語的優(yōu)劣程度如表2所示。

表2 各項評語的優(yōu)劣程度

2.3 結(jié)果分析

采用相關(guān)公式定量計算評價體系中可以量化的指標(biāo)權(quán)重,對難以定量預(yù)測的指標(biāo)可以選用層次分析法、專家小組集體討論投票表決法、專家征詢法以及主觀經(jīng)驗判斷法等確定指標(biāo)權(quán)重。為保證水庫安全評價的公正、科學(xué)和客觀性,研究選用層次分析(AHP)與專家征詢相結(jié)合的方法,通過集中統(tǒng)計多位專家打分值和意見計算確定指標(biāo)權(quán)重,具體流程如下:

1)結(jié)合各層次和指標(biāo)間的關(guān)系建立判斷矩陣,由層級A與B中的2個參數(shù)可已建立判斷矩陣A,由系統(tǒng)層B中的2個指標(biāo)和指標(biāo)層C中的10個指標(biāo)構(gòu)造兩個判斷矩陣B1、B2,如表3所示。

表3 判斷矩陣

2)總權(quán)重集。研究選用方根法計算上、下層次中的指標(biāo)權(quán)重,總權(quán)重利用上下層權(quán)重的乘積確定,并考慮技術(shù)員和專家意見確定正常工況下各指標(biāo)權(quán)重集,如表4所示。

表4 水庫大壩安全評價指標(biāo)權(quán)重及隸屬度

3)計算隸屬度。采用下式計算關(guān)于等級vi評語uj的隸屬度rij,即:

(7)

式中:∈為評語uj隸屬于等級i的次數(shù);n為樣本數(shù)量,可見隸屬的樣本數(shù)量越多則rij的代表性越好。通過調(diào)查統(tǒng)計專業(yè)技術(shù)人員的評價結(jié)果和領(lǐng)域內(nèi)專家意見,合理確定大壩安全各項指標(biāo)隸屬度如表4所示。

3 結(jié) 論

本研究從社會經(jīng)濟和結(jié)構(gòu)安全等方面選擇10個指標(biāo)構(gòu)建評價體系,將模糊數(shù)學(xué)理論與層次分析法相結(jié)合評價觀音閣水庫大壩安全狀態(tài)。結(jié)果表明,觀音閣水庫大壩總體處于良好狀態(tài),這與二類壩的安全鑒定結(jié)論相一致。該水庫大壩整體質(zhì)量和運行狀況較好,工程結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定,未發(fā)現(xiàn)明顯不利影響因素,評價結(jié)果可以客觀真實地反映水庫大壩實際運行情況,所構(gòu)建的評價體系和多層次模糊評價法表現(xiàn)出較強的可行性及可靠性。