基于层次分析综合指数法的大坝震后震损破坏综合评价

牛凯杰，梁 川，卫仁娟，白若男

(四川大学 a.水利水电学院;b.水力学及山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

基于层次分析综合指数法的大坝震后震损破坏综合评价

牛凯杰a,b，梁 川a,b，卫仁娟a,b，白若男a,b

(四川大学 a.水利水电学院;b.水力学及山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

近年来西南地区地震频繁发生，对该地区大坝造成不同程度的震损破坏，为了探究地震对水库、大坝等水利工程产生的风险及其破坏规律，需要对大坝的震损破坏进行评价分析。选取“汶川5·12”地震后岷江上游的14座大坝为评价研究对象，同时考虑水利工程设计、运行管理、地震特性和震损特征4个方面的影响因素，筛选与大坝震损破坏紧密相关的11项指标，构建大坝震损破坏综合评价指标体系，进而运用层次分析综合指数法建立了综合评价模型。根据该模型对14座大坝工程的震损状态进行实算综合评价，并对各个影响因素的重要性程度分析辨别，评价结果与现场调查情况基本相符，说明综合评价指标选择及其权重确定的合理性，以及层次评价方法的可行性。本次评价结果能为大中型水电工程科学防震提供重要依据。

大坝；震损破坏；综合评价；层次分析；综合指数法

1 研究背景

西部地区是我国水能资源最丰富的地区，水库工程不可或缺，而该地区又是强烈地震和地质灾害高发区[1-2]。2008年的汶川地震以及2013年芦山地震，不仅造成了居民、工农业严重的人员伤亡和财产损失[3]，也造成震区多座水库不同程度的震损，部分水库甚至出现溃坝险情[4]。在频繁的地质灾害与众多的水利工程必须并存的大背景下，水库大坝的抗震安全就显得尤为重要。

现阶段地震科学还不能做到临震预报，因此大坝的抗震防灾研究已成为当前水电领域前沿性的重要研究课题[5-7]。其中，通过实震调查并系统地搜集和评价分析地震对水库、大坝等水利工程产生的风险，并探究其规律，从而防范地震可能给水利工程带来的破坏，是我们当下能够做的直接有效的一项工作。

目前关于水库工程震损已有大量的研究，多数研究集中于以下2个方面：①对某几个大坝或某一地区的大坝震损现象定性的描述和分析[8-9]；②对某一种震害现象的机理及其数值计算和模拟[10-11]。迄今为止，在关于地震影响大坝安全的研究中，尚未见到同时考虑大坝工程设计、运行管理、地震特性和大坝震损特征4类要素的实算评价分析，也没有对其影响因素的重要性程度进行系统研究。本文选取“汶川5·12”地震后岷江上游14座大坝工程的震损状态为研究对象，针对与大坝震损破坏密切相关的11项指标，构建基于层次分析综合指数法的综合评价模型进行实算综合评价，并对各个影响因素的重要性程度加以分析辨别，从而为深入探究地震对水库、大坝等水利工程产生的风险及其破坏规律提供科学依据。

2 研究区域和资料来源

岷江发源于四川松潘县，以都江堰以上为上游，岷江上游河段除干流外，主要支流从南往北依次为黑水河、杂谷脑河、草坡河以及渔子溪。岷江上游干支流共有大中型水电工程20座，水电站总装机容量约3 000 MW，参见图1所示。本文选择20座水电站中资料较为完善的14座大坝工程，有关的基本资料参见文献[12]并示于表1中。

图1 岷江上游流域范围及其水电工程分布Fig.1 Map of the upstream of Minjiang River and the distribution of hydropower projects

3 评价方法介绍

层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)的基本原理是将一个复杂问题中的各种因子划分为相互关联的有序层次，形成一个多层次的分析结构模型，并最终把问题分析归结为最底层相对于最高层(总目标)以及相对重要性权值的确定或相对优劣次序的排序问题。

表1 岷江上游部分水电工程特性及其地震特性Table 1 Features of hydropower projects in the upstream of Minjiang River and their seismic characteristics

运用层次分析法进行评价分析时，大致分为如下3个步骤：

(1) 建立层次结构模型。在深入分析所面临的评价问题之后，将评价对象中所包含的因素划分为不同层次，如目标层、准则层、指标层等。

(2) 构造成对判断矩阵。判断矩阵的值反映了人们对各个因子的相对重要性(或强度、优劣、喜好等)的认识，通常采用1至9及其倒数的标度方法对各个因子进行两两比较，用aij表示aij为属性i的权wi和属性j的权wj的比wi/wj，将所有既定目标成对地比较，结果用矩阵A表示[13]。对目标层、中间层和指标层一律按照上述方法构造判断矩阵，对各个层次进行判断，最后得到评价体系中考虑所有因素的判断矩阵。

(3) 进行一致性分析[13]，并计算单一准则下元素的相对权重。用Matlab7.0软件求出判断矩阵A的最大特征值λmax及其对应的特征向量，并进行一致性检验，若检验通过，特征向量(归一化后)即为权向量；若不通过，需要重新构造成对比较矩阵。

综合指数法的基本思路是利用层次分析法计算的权重和利用模糊评判法、打分法等取得的指标值进行累乘，然后相加，最后计算出各评价对象单体风险等级的指数[14]。将各指标的作用指数(评分)乘以各指标对应的权重，最后分层相加，即可得到综合评价值。

综合评价值的计算表达式为

(1)

式中：DL为水库工程震损大坝风险综合评价指数；ωi评价指标的权向量；Ii为评价指标的评分。

4 评价指标体系的构建及其权重的确定

大坝震损后的破坏特征有很多，根据本次地震特点选择了具有代表性的大坝裂缝、大坝变形和大坝渗漏来反映大坝的部分震损情况，但要综合评价大坝的整体震损情况，还需要结合更多指标。鉴于大坝自身的工程特性和运行管理方式对大坝震损的影响不容忽视，将这2个方面纳入评价体系会使评价依据更充分。另外，地震的发生是导致大坝破损的根本原因，地震特性对大坝的影响最大，在该评价体系中应处于主导地位。因此，本文将大坝震损特征、工程设计与施工、运行管理与地震特性结合起来综合评价大坝震损程度，评价因素的选择涵盖面广且相互独立，使结果更有说服力。

表3 评价指标的标准分值Table 3 Standard scores of evaluation indexes

依据层次分析法，以大坝震损破坏综合评价指标为目标层，以大坝工程设计与施工、运行管理、地震特性和大坝震损特征为准则层，从准则层的4个方面分别选坝型、工程等级、库容、应急预案及应急措施、运行水位、距地震断裂带距离、与地震断裂带相对位置、地震烈度、坝体裂缝、坝体变形、坝体渗漏11个因素构成指标层，其层次结构和隶属关系如图2所示。

图2 大坝震损破坏综合评价指标递阶层次结构Fig.2 Hierarchical structure of the comprehensive evaluation indexes for the seismic damage of dams

本文所调查的14座大中型水电工程覆盖层地基处理都设计合理，坝基均无震损破坏；无老龄化的问题，且都已经历了施工期和第一次蓄水；其选址均避开了活动断层，在相对稳定的地块上；地质灾害与“与地震断裂带相对位置”和“距地震断裂带最短距离”2个指标密切相关，评价指标若再选取地质灾害，会有一定的重复性[15]；少数大坝虽出现漫顶现象，但无一溃坝；烈度本身就是包含震级和震中距的一个函数，且烈度与后两者有密切的关系[16]。因此，本文未选择坝基、坝龄、场地、地质灾害、洪水漫顶、震级、震中距等作为评价指标。

根据层次分析法原理，参考水库工程抗震规范等资料和大坝工程震损破坏实际资料及专家意见[17-18]，并利用1至9标度法赋以相应分值，检验上下层之间的隶属关系构造判断矩阵；然后结合Matlab7.0软件对指标体系进行权重计算，并做一致性检验，其检验结果具有满意的一致性。最后把各判断矩阵的计算结果综合起来，计算结果如表2所示。

表2 大坝震损破坏综合评价指标体系框架Table 2 Framework of comprehensive evaluation indexsystem for the seismic damage of dams

5 综合评价模型的构建及结果分析

根据前文对评价指标的分析，对14座大坝按11个评价指标进行分级评分。文中借鉴文献[19]中所采取的办法，对评价指标采用“黄金分割”确定作用指数，即高风险作用指数取1，中等风险作用指数取0.618，小风险作用指数取0.382。其风险指标的分级标准如表3所示。

风险等级判别依然采用黄金分割原理来划分，其风险等级判别标准如表4所示。

表4 震损水库工程风险等级判别Table 4 Risk levels of the earthquake-damagedreservoirs

根据14座大坝的基本资料以及评价指标的标准分值，采用公式(1)对大坝进行综合评分，所有的评价指标及综合评价指数均在0～1之间，14座水电工程的评价结果如表5所示。

表5 岷江上游14座水电站工程震损破坏评价得分及风险等级Table 5 Evaluation scores and risk levels of 14 damagedhydropower projects in the upstream of Minjiang River

由表2至表5的综合评价结果分析可知：①地震烈度是对14座大坝造成危害最严重的因素；与地震断裂带相对位置排在第三位，说明地震中上盘效应不可忽视，同时也反映出地质灾害对大坝损害严重；②应急预案及措施和震前水位比所有工程特性指标排序都要靠前，表明重视运行管理在一定程度上可以提高工程的承险能力；③在工程震损指标中渗漏位居第一，说明渗漏对于大坝的威胁大；裂缝的大小和变形的严重程度能直观反映大坝的震损程度；④坝型、工程等级、库容3个工程特性指标排在最后3位，说明工程设计与施工相对次要，不是致险的关键因素；⑤太平驿、映秀湾和紫坪铺水电站工程震损破坏风险高，竹格多风险等级低，其他10座大坝风险程度为中等。这与实际调查的震损情况[12]基本相符。

6 结 论

本文基于层次分析的综合指数法对“汶川5·12”地震后岷江上游的14座水电站工程大坝震损破坏进行综合评价，构建了同时考虑大坝工程设计与施工、运行管理、地震特性和大坝震损特征4类要素的综合评价指标体系和基于层次分析综合指数法的综合评价模型，并通过综合评价实算分析，初步探明了影响大坝震损破坏各个因素的重要性程度。研究结果表明，地震烈度是造成大中型水电工程震损破坏最严重的因素，应急预案及震前运行水位则是降低震损风险至关重要的措施。因此，本次评价结果对于深化水库、大坝等地震风险孕育及破坏规律的研究和加强水利工程防震运行管理具有科学参考作用。

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(编辑：曾小汉)

Comprehensive Assessment of Seismic Damage Based on HierarchyProcess in Consideration of Synthetic Indexes

NIU Kai-jie1，2, LIANG Chuan1，2, WEI Ren-juan1，2, BAI Ruo-nan1，2

(1.College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, China;2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University,Chengdu 610065, China)

In recent years, earthquakes occurred frequently in the Southwest of China, damaging dams in the region to different extents. Assessment on the seismic damage is necessary to exploring the risk and damage regularity for reservoirs and dams. Fourteen dams in the upstream of Minjiang River after “5·12 Wenchuan earthquake” are selected as evaluation objects. Moreover, impact factors inclusive of project design, operation and management, seismic properties and earthquake damage characteristics are considered, and 11 indexes are selected to form an index system and their weights are determined as well based on the criterion layer. Furthermore, synthetic index method of analytic hierarchy process is used to establish a model of comprehensive assessment. The model is applied to calculate the seismic damage status of 14 dams and discriminate the importance degree of each impact factor. The assessment result is almost consistent with the site investigation, which confirms that the evaluation indexes and their weights are reasonably determined. The result is an important basis for relieving earthquake damage scientifically for large or medium-sized hydropower projects.

dam; earthquake damage; comprehensive assessment; analytical hierarchy process; synthetic index method

2014-03-31；

2014-05-01

国家973计划项目(2013CB036401)

牛凯杰(1989-)，男，山西长治人，硕士研究生, 主要从事溃坝方面的研究，(电话) 15828513596 (电子信箱)381066609@qq.com。

梁 川(1957-)，男，四川雅安人，教授，博士生导师，主要从事水资源优化配置和水库风险方面的研究，(电话)13679019391 (电子信箱)lchester@sohu.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.009

TV698.13

A

1001-5485(2015)02-0039-05

2015,32(02):39-43