基于模糊数学综合评价法的出险水库风险模型探讨

鄢志坚 慎金燕

（江西省上饶市鸿安水利水电勘测设计咨询有限公司 上饶市 334000）

基于模糊数学综合评价法的出险水库风险模型探讨

鄢志坚 慎金燕

（江西省上饶市鸿安水利水电勘测设计咨询有限公司 上饶市 334000）

针对缺乏观测设备的出险水库，为定量判断水库出险条件下的风险程度，提出通过双维方式围绕土石坝出险性状建立风险评价模型。某出险水库的风险评价实例表明，风险评价及其步骤有可操作性，风险模型中引入性状特征概率量化突破概念层面，为进一步深入大坝出险性状判断标准提供了基础。

水库出险 土石坝 土坝风险模型 模糊数学风险评价

我国的水库大坝安全评价导则综合大坝的防洪、结构、抗震安全性分级结果，将大坝分为三类。其中满足下列条件的为二类坝：复核防洪能力低于规范规定的标准，但不低于水利部部颁标准（水规[1989]21号），且大坝工作状态基本正常；满足下列条件之一的评定为三类坝：复核防洪能力低于规范规定的标准（GB50201-94），或工程质量严重影响水库安全。针对二、三类坝中的工程质量判断问题，规则只给出一个定性的标准，对大坝基本正常或工程存在较严重安全隐患的鉴定，众多学者参考鉴定办法推荐的综合大坝结构、渗流、抗震复核等监控指标对大坝进行安全评价和风险分析。例如根据混凝土坝的变形规律，吴中如等提出大坝的三级监控指标，并在佛子岭大坝的监控中进行实践[1]。根据大坝变形的荷载不利组合，李民等计算出相应监测变量的上、下限值，并依此提出坝体变形的监控指标[2]。目前，监测领域已经形成了一些共识：例如中小型土石坝渗流量正常范围（10～30）m3/ s；土石坝最大沉降一般位于坝高2/3处，其中最大沉降不超过坝高的1%等。可见，根据监控指标对大坝安全进行评价和风险分析是常用手段[3]。

上述研究主要通过监测项目对大坝的工作性态进行评价，而在20世纪50～70年代，由于当时的技术和特殊的历史原因，大坝没有设计监测项目或者监测设备有限，监控指标的方法很难用上。面对时常出现的大坝坝体变形（含滑坡、塌陷、脱坡等），大坝渗漏（含集中渗漏、坝体散浸），溢洪道损毁（含结构破损、堵塞、塌方等）等出险现象，监测部门对这类出险现象的量化评价很困难。但上述出险性状有的是大坝工作的正常状态，可通过一些措施得到有效控制；但有的出险性状则不然。因此如何判断出险水库的风险程度成为相关决策部门面临的一个难题。

针对上述问题，本文通过双维方式结合实际情况来探讨水库，特别是土石坝的风险评价方法，即一是以大坝出险性状取代结构变形监测项目，二是以大坝性态的概念以及现场勘察数值等级化取代大坝结构监控指标的数值范围。

1 现阶段水库出险概况及统计分析

根据统计，出险水库发生质量安全事故90%是土石坝，因此本文主要以土石坝出险进行风险模型分析。根据水利部门公开的数据显示，出险水库可主要概括为垮坝、漫顶、坝体变形、大坝渗漏、溢洪道损毁、涵管及隧洞损毁六类[4,5]，以江西省为例，坝体变形、大坝渗漏是最常见的出险类型，特别是2010年雨水明显较往年偏多，尤其在6月下旬至7月中旬，超标准暴雨、洪水频至，其出险水库类型分布可见图1，大坝渗漏573座、溢洪道损毁67座、涵管及隧洞损毁141座。其中小型水库占总水库数的96.25%，图2为各范围坝高出险水库占总出险水库的百分比。

图1 水库出险类型分布

图2 出险水库各规模水库的百分比分布

通过统计出险土石坝渗漏、滑坡、漫顶等出险特征，进行成因机理分析，力图建立土石坝出险风险模型评价指标体系， 以便初步评价土石坝出险的风险程度，提出与风险程度相应的土石坝出险防治措施，为土石坝出险后的维修、加固和处理提供决策依据。

2 建立水库出险的风险评价模型

目前关于水库的风险研究主要集中在溃坝上，例如王静丽基于事件树等方法分析土石坝溃坝风险[6]，洪文浩、 傅琼华等对溃坝模式及基于溃坝路径的溃坝概率方法进行了分析[7]，张锐考虑上游溃坝洪水的水库漫顶失事模糊风险分析[8]，但针对水库出险的风险研究极少，正所谓蝼蚁溃于蚁穴，坝体变形、渗漏、溢洪道损毁这些潜在的风险经过复杂的交集，最终也可能导致溃坝等灾难性事件， 因此尝试从水库出险进行风险的探讨，并以此建立风险评价模型。

2.1 出险水库风险模型的简化

大坝出险的风险问题， 根本在于认识由出险事件为主因而导致的未来不利事件的情景。为了描述情景，必须合理地构造一个风险模型系统，系统主要由风险源和风险致灾组成[9]。 这里，风险源是以上所述的一系列出险事件， 风险致灾是暴露于致灾力的人员和社会财产损失的组合。经过对比分析发现尽管风险分析的方法十分丰富，但满足风险分析基本原理的评估方法都遵循一个基本模式，即找到一系列的数学模型。该模式包括描述出险水库失事的概率密度数学模型和描述失事反应损失的数学模型，并通过两个模型的合成以显示风险，如图3所示。水库失事风险=出险水库失事的概率密度·失事后的反应损失， 此时风险量可以通过计算失事概率密度函数和指示水库脆弱性的失事损失曲线围成的面积来确定。

图3 大坝出险下的风险分析基本模型

如果将水库出险后发生事故视为概率风险，可以用模糊数学的原理表达水库出险经过内部复杂反应产生的风险，假设风险分级矩阵L=[可接受，可克服，不可接受]T，根据风险模型，可以简化为两个方面，一是确定水库出险后的失事概率，二是确定对应的损失量，这个损失量包括生命财产等损失。因此风险等级的确定关键在于估计出险失事的可能性，假设实测水库出险的性状矩阵X=[漫顶，大坝变形，渗漏，溢洪道破坏，涵洞破坏]（此处不对实测溃坝进行研究，溃坝可直接认定为不可接受的风险），水库出险综合失事概率除随机不确定性外,还存在大量的模糊因素,许多风险因子难以用确定性的数值进行描述,只能给出发生概率大或小之类的评语。 在概率估算中， 若不考虑这种模糊不确定性,风险分析的可行性和可靠性可能会存在问题。 模糊综合评价法将失事因子视为模糊变量,应用模糊集理论建立风险因子的隶属函数， 将定性的概念转化为定量的描述， 将上述性状矩阵各元素内部综合的结果转化为相互作用的权重取值问题。

2.2 综合失事概率的模糊数学的求解

计算风险模型的权重需给出分指标的权重，按模糊数学的原理，综合考虑超权重M矩阵与指标权重N矩阵得到的综合权重矩阵W。将矩阵X和S变换为对应的相对隶度矩阵M（公式3）；借助过度矩阵H，将其归一化并转置得到综合权重矩阵W，其中M=[m11m12m13m14m15]T，综合失事概率P=x·w，其中部分矩阵表示如下：

3 以某出险水库为例进行风险初步评价

3.1 出险水库的漫顶失事概率性状

根据三级性状，无漫顶、轻微漫顶和漫顶严重，可以看出水库漫顶是所有出险性状中失事概率最大的一项，划分的标准主要参考相关文献[6]和《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2000），见表1。

表1 水库漫顶出险性状评价标准

依据大坝现场的勘察，该坝水位处于正常水位，在设计水位以下，因此水库漫顶的出险性状矩阵元素X11=1.0。

3.2 出险水库的变形失事概率性状

在实际中大坝变形主要包括裂缝，滑坡，坝坡破坏。裂缝在土石坝中较为常见，有的是表面裂缝，有的隐藏在坝体内部，要开挖检查才能发现。土石坝如果发生滑坡，通常首先由裂缝开始，如果及时注意并采取适当措施，往往可以减少损失。如果发生滑坡，往往可能导致重大事故，因此在基本无变形的性状级别下选择无滑坡和坝坡破坏。水库变形出险性状2级为变形较少，评价标准为不均匀沉降等原因产生的纵、横、斜向裂缝规模小，有滑坡隐患或局部较小的护坡破坏。大坝现场的勘察结果显示，该坝背水面存在轻微裂缝，但局部坝坡有破环，因此水库变形的出险性状矩阵元素X12=2.0，见表2。

表2 水库变形出险性状评价标准

3.3 出险水库的渗漏失事概率性状

土石坝的防渗性能取决于不透水体的质量，例如均质坝，心墙坝和倾斜墙坝防渗材料的性能可否满足防渗规定，一般可通过正常使用时渗流量测定来验证。土石坝的坝体和坝基都具有一定的透水性，渗漏现象是不可避免的，但要区分正常与非正常渗漏事件，实际操作中，对于土石坝下游一般没有建量水堰，渗漏检测可钻探、坑探法进行。通过钻探分析该坝的渗漏情况，渗漏量估计在10L/s的范围，但渗流不稳定，因此水库渗漏的出险性状矩阵元素X13=2.0，见表3。

表3 水库渗漏出险性状评价标准

3.4 出险水库的溢洪道破坏失事概率性状

溢洪道破坏主要影响洪水的行洪能力，进而引起一系列的风险问题，因此必须保证水库行洪能力。

据调查，该坝溢洪道出险问题主要是过水断面小、边坡衬护部分损坏、杂草较多，依据评判的标准，溢洪道破坏的出险性状矩阵元素X14=2.0，见表4。

表4 水库溢洪道破坏出险性状评价标准

3.5 出险水库的涵管破坏失事概率性状

涵管是中小型水库的重要组成部分，而放水涵管承担着下游农田的灌溉以及供水和发电的任务，出现险情时很难处理，而且涵管破坏后会导致漏水带走泥土，从而危及土坝安全。根据现场调查，该水库涵管基本完好，输水通畅，无漏水现象的发生，依据评判的标准（表5），涵管破坏的出险性状矩阵元素X15=1.0。

表5 水库涵管破坏出险性状评价标准

3.6 出险水库的风险评价与步骤

根据上述分析，水库出险的性状矩阵 X= [1,2,2,2,1]，风险分级矩阵L=[可接受，可克服，不可接受]T，可接受的范围为L1=（1,1.5]，可克服的范围为L2=（1.5,2]，不可接受的范围为L3=（2,3]。图3所示风险模型的出险损失量可参考事故分类，该分界点可定义为造成10人死亡或经济损失量为1 000万元，达到该分界点，风险等级升一级，其中只要性状矩阵X中任一个概率量化值达到3，风险等级被评估为不可接受。

关于5个性状的指标权重N按其对出险水库的风险影响取为N=[0.4,0.1,0.3,0.1,0.2]，因此计算超权重矩阵M=[0,0.5,0.5,0.5,0]，得到W’=[0,0.05,0.15,0.05,0]，对W’归一化处理后得到W=[0,0.2,0.6,0.2,0]。最后判断得到L=2，该水库的出险损失量在分界线以内，确定水库出险的风险等级为可克服风险。

出险水库风险评价的步骤可归纳如下：①巡检确定大坝出险；②派驻人员对出现水库进行大坝、涵管、溢洪道现场勘察，在有条件的情况下对水库进行渗流量、变形、开裂检测；③根据上述的结果，结合规范和设计资料评估水库出险性状；④依据水库出险模型进行风险判断，本水库属于可克服的风险等级；⑤根据风险等级需做出水库出险决策，对该出险水库应进行除险加固处理，特别是水库护坡，大坝防渗体系和溢洪道进行重点整治。出险水库的风险评价程序如下：

大坝出险→现场勘察、检测→依据现场勘察、检测结果和设计、规范等资料，分析对比，评估水库出险类别性状→对水库出险类别按其模糊权重计算综合失事概率，对应的出险损失量→综合评价土石坝风险程度→出险决策，提出措施。

4 结论

（1）水库出险可以概括为垮坝、漫顶、坝体变形、大坝渗漏、溢洪道损毁、涵管及隧洞损毁六大类，根据出险类别，构建了基于模糊数学综合评价法的出险水库风险模型，耦合出险水库失事概率和失事的严重程度将风险等级分为三类，即可接受风险、可克服风险、不可接受风险。

（2）基于模糊数学估计出险水库失事的可能性，通过双维方式量化性状矩阵X=[漫顶，大坝变形，渗漏，溢洪道破坏，涵洞破坏]，将失事因子视为模糊变量，将定性概念转化为定量描述，然后计算综合权重矩阵，其中指标权重N可通过统计得出的重要性或引入专家判别意见来确定。

（3）在现有研究成果的基础上，确定性状矩阵的初步判定标准，其中概率量化的引入突破了出险特征的概念层面，为进一步深入大坝出险性状判断标准提供了基础。

（4）结合江西上饶某座出险水库，应用模糊数学综合评价法与评价步骤，确定该水库出险的性状矩 阵 X=[1，2，2，2，1]， 综 合 权 重 矩 阵 W= [0,0.2，0.6,0.2，0]，得到L=2，结合出险损失量，综合判定该水库出险属于可克服风险，特别要加大对大坝渗漏的处理。

[1]吴中如,顾冲时,李雪红,等.佛子岭、梅山两座连拱坝的工作性态研究[J].大坝与安全,1999,（04）：35-40.

[2]李民，李珍照，薛桂玉.根据荷载的可能不利组合确定坝体变形的监控指标[J].水电站设计,1997,13(4)：7-11.

[3]马静洲,方朝阳.大坝安全监控指标综述[J].中国农村水利水电,2009,（06）：137-139.

[4]刘芸华，史小平.江西省2006年水库出险原因分析与启迪[J].中国防汛抗旱，2007，（01）：40-43.

[5]严义，史小平.江西省2007年水库出险原因与对策[J].江西水利科技，2008，34（2）：82-84.

[6]王静丽.基于模糊集事件树法和模糊综合评判法的土石坝溃坝风险分析研究[D].邯郸：河北工程大学,2015.

[7]洪文浩.病险水库溃坝概率分析方法研究[D].南昌：南昌大学,2009.

[8]张锐,张双虎,王本德,王浩.考虑上游溃坝洪水的水库漫坝失事模糊风险分析[J].水利学报,2016,（04）：509-517.

[9]黄崇福.风险分析基本方法探讨[J].自然灾害学报,2011,（05）：1-10.

2016-12-01）

鄢志坚（1981-），男，湖北阳新人，大学本科，主要从事水利水电工程设计，E-mail：15181461@qq.com；慎金燕（1985-），女，江西九江人，大学本科，主要从事水利水电工程设计，E-mail：332130649@qq.com。