水闸安全评价体系与模型构建

楼力律 王 瑜 朱 晗

(1.河海大学机电工程学院，江苏常州 213022;2.云南经济管理职业学院工程学院，云南昆明 650106;3.昆明三维建设工程有限公司，云南昆明 650224)

0 引言

到目前为止我国拥有水库大坝8.7万余座，是世界上水库大坝最多的国家之一[1]。这些工程大多数修建于二十世纪六七十年代，由于工程的自然老化及运行管理不当，水库险情不断涌现。在水库的安全鉴定工作中，闸门及启闭机的安全作为金属结构安全鉴定的一项主要组成部分，是水库安全鉴定中的重要环节。然而目前就水闸及启闭机的鉴定方法仍以现场检验及专家评判为主，尚未形成一套较为全面的评价体系及评判模型，不能就水闸及启闭机的实际安全状态做出合理的安全评价。通过筛选与水闸安全关系紧密多项指标，采用定量与定性方法为各指标评分，并结合G1法进行赋权，最终建立了水闸安全性态评价模型，对水闸的安全性态作出了较为合理评价。

1 评价体系构建

1.1 评价指标的选取

闸门与启闭机系统比较复杂，危及其安全质量的因素众多，内外因交错。针对闸门与启闭机系统的破坏机理，在分析众多实际工程项目影响因素及参考部分文献的基础上，深入分析各主要因素指标对闸门与启闭机安全的影响，初步建立了一套评价较为全面且可操作性较强的体系[3]，见图1。

1.2 评价指标定量化

从相应的规范、人的心理活动和实践经验来看，将评价指标的评价等级确定为五级:

V={V1，V2，V3，V4，V5}={正常，基本正常，轻度异常，重度异常，恶性失常}。

对应五级指标采取[0，1]区间量化评价指标，可以采用系统工程中的等区间划分法来划分等级:

V={V1，V2，V3，V4，V5}={[0.8，1.0]，[0.6，0.8)，[0.4，0.6)，[0.2，0.4)，[0，0.2)}，量化评价指标值最大取 1。

图1 评价指标体系图

1.2.1 结构稳定指标量化评价

结构稳定指标包括:防洪能力标准C11、消能防冲能力(过流能力)C12、闸基渗流稳定性评价C13、结构或构件的稳定评价C14和结构或构件的承载能力评价C15。各指标的计算和参数的含义见表1。

表1 结构稳定指标公式及参数含义

1.2.2 运转状况指标量化评价

闸门与启闭机运转状况指标包括闸门过水能力C21、闸门的挡水能力C22、闸门及启闭机的控制能力C23和管理养护水平C24。

指标C21和C22的计算和参数的含义见表2。

表2 运转状况指标公式及参数含义

闸门及启闭机的控制能力指标C23在评定时应综合检测闸门及启闭装置锈蚀深度、门槽侧轨磨损度、启闭力增大程度等多项指标进行考量。而管理养护水平C24应综合考虑水闸定期维护及保养，管理规章制度编制是否全面合理，人员培训及管理水平能否满足要求进行评价。

1.2.3 耐久性指标量化评价

耐久性指标包括混凝土强度指标C31、混凝土老化病害指标C32、设计、制造、安装缺陷度指标C33和寿命指标C34。其中指标C31可取现场检测混凝土实际强度和原混凝土设计强度的比值。指标C32在评价时，需要根据实际工程老化病害的主要因素，对混凝土结构的裂缝、碳化深度、钢筋锈蚀程度进行现场检测;对水下结构的气蚀、侵蚀与剥蚀程度进行测量，进行量化评价。指标C33的评价要检查闸门和启闭机在设计、制造与安装过程中是否存在缺陷，要对缺陷的严重程度进行量化评价。指标C34取实际能够运行的年限和设计年限的比值。

1.2.4 水利因素指标量化评价

水利因素指标包括效益指标C41和设备的有效利用率指标C42。其中指标C41取目前已经获得的效益和原设计预期效益的比值。指标C42的评价要考虑各个设备是否已经得到充分利用，并根据利用程度进行评分。

1.3 评价指标的权重分配

对指标权重采用G1法赋值:指标集中选出m个指标中最重要的一个指标，记为X*1;余下的m－1个指标中选出最重要的一个指标，记为X*2;依次类推，经过m－1次挑选剩下的评价指标记为Xk。专家对相邻指标Xk－1与Xk之间的重要程度之比用rk=Wk－1/Wk来表示，其中，Wk为第k个指标的权重，k=m，m－1，…，3，2。rk首先由各个专家独自判定，然后取其平均值。当指标数量m较大时，可以取最次要指标rm=1[4]。

此外，易知:

rk的赋值可以参考表3。

显然有:

1.4 最终综合评分值

通过G1法赋值，可求得各级评价指标权重。将二级评价指标评分值通过加权求和，可以计算出一级指标的各项评分值A。用一级指标中的各项权重ω与其评分值进行加权求和，可求出最终的水闸综合评价值。其计算公式为:

其中，ωs，ωr，ωd，ωw分别为一级指标结构安全、运转状况、耐久性及水利因素的权重，相应的A值表示该项的综合得分。

表3 赋值参考表

2 实例应用

以某水库大坝泄水闸门为例，闸门已运行15年，现场检查闸门锈蚀、磨损，锈蚀厚度2 mm～4 mm，磨损厚度达1 mm～5 mm。闸门启闭不灵活且闸门存在漏水，放水十分困难，经济效益难以充分实现。

按文中所提方法分别对第二层指标评分并赋权求得第一层指标的评分值分别为:As=0.37，Ar=0.48，Ad=0.51，Aw=0.67。相应的一级指标权重分别为 0.52，0.15，0.25 和 0.08。按照式(4)计算得到其综合得分S=0.45。按评价等级五级划分，该计算值处于区间[0.4，0.6)，故最终认定为“轻度异常”。

3 结语

在筛选水闸实际工作中与其安全状态关系紧密的指标基础上，采用定量与定性方法为各指标评分，并结合G1法进行赋权，最终建立了水闸安全性态评价模型，对水闸的安全性态进行了合理评价。

通过实例计算表明该评价模型计算结果与《水库大坝安全评价导则》的鉴定结果一致，说明该评价体系及模型能够较为合理的对水闸的安全性态作出评价。

[1]孙继昌.中国的水库大坝安全管理[J].中国水利，2008(20):10-14.

[2]胡友安，楼力律，顾文斌.水工启闭机设计及工程实践[M].北京:中国水利水电出版社，2011.

[3]郭 庆.在役水利水工闸门与启闭机的安全评价[D].武汉:武汉大学，2005.

[4]迟国秦，祝志川，张玉玲.基于熵权——G1法的科技评价模型及实证研究[J].科学研究，2008，26(6):1210-1220.