基于物元可拓理论的水闸安全评价

孙小冉

（安徽省·水利部淮委水利科学研究院 蚌埠 233000）

1 引言

水闸是除害兴利的水利基础设施的重要组成部分，在水资源的优化配置和防洪减灾方面有着特殊地位。由于规划设计、施工质量、自然老化和运行管理等方面的原因，我国许多水闸都不可避免地出现一些病害，部分水闸病害相当严重，严重影响了工程效益的正常发挥，威胁下游人民的生命财产安全，制约了国民经济的发展。因此，必须适当开展水闸工程评估工作，以便充分了解水闸工程的工作性态。水闸安全评价涉及的不确定因素众多，是考虑各种定量和定性因素对水闸安全性态所做的决策，往往需要根据工程实际及相应的力学关系，进行全面评价。本文利用物元可拓理论在处理量化和非量化相结合的复杂问题中的优势，以期为水闸安全评价的基础工作提供较为可靠的理论支持。

2 水闸安全评价的物元可拓模型

2.1 物元可拓理论的概述

可拓学引入了把质与量有机结合起来的物元概念，它是以事物、特征及关于该特征的量值三者所组成的三元组，记作物元 R=（事物，特征，量值）=（N，c，v），在水闸安全性态等级的可拓评价中，N表示水闸安全性态的等级，c表示水闸安全性态的属性特征、条件属性和其他影响水闸等级的因素，v表示N关于c的取值，v可为确定数值，也可为区间，反映了事物的质与量的关系。水闸的物元可拓模型流程见图1。

2.2 水闸安全评价的等级划分

根据《水闸安全鉴定规定》并结合对水闸指标体系的研究分析，拟对水闸评价指标划分为运用指标类、损伤程度类和可修复类等三类指标。每一类指标都根据水闸安全类别评定标准的一、二、三、四类闸划分为对应的优、良、中、差四个等级。

2.3 经典域和节域的确定

经典域物元：

式中：N0t表示水闸安全状态的等级，t=1，2，3，4；C 为性质特征，即影响水闸综合评价等级的因素；v0t为N0关于C取值的范围，即经典域。

节域物元:

式中：P表示节域对象，即水闸安全评价等级的全体；VPj是因素 cj的所有取值，为区间，即节域＜aPj，bPj＞。

2.4 待评物元矩阵的确定

式中：Ri0表示待评价物元；Ni0表示待评价对象，即待评价水闸的中间指标；ci为影响待评指标等级的因素（i=1，2，…，n）；vi为第 i个待评因素对应的的量值。

2.5 关联度函数

对于第i条指标的第j个因素关于水闸等级分类t的关联度可用下式求得：

指标Ni关于评价类别t的关联度为：

式中：Wij为评价因素cj的权重分配系数。

则称t*为Ni的级别变量特征值。例如t0=1，t*=1.6表示Ni属于第1类并贴近于第2类，精确来说是1.6类。

3 应用实例

以江苏省某水闸工程为例进行分析，该水闸防洪标准满足规范要求，主要存在裂缝问题，本文从裂缝方面来判断该水闸的安全等级，裂缝特征见表1。

基于可拓学理论对这12条裂缝对水闸的安全等级影响程度进行评价，根据监测资料中的裂缝宽度和长度进行衡量其等级。

水闸安全等级分为四级，其经典域为：

裂缝指标等级的节域：

以观测值的最大值，来计算权重分配系数，并构架如下权重矩阵：

图1 水闸的物元可拓模型流程图

表1 裂缝特征表

表2 裂缝指标等级的可拓评价结果表

将结果带入上述公式（4）～（7）中，可得等级评价结果如表2所示。

根据安全评价等级的确定原则，该水闸关于裂缝指标的等级为中等。这与实际情况相符，该工程自20世纪70年代服役时间已久，暂未出现直接的病险失常现象，但是裂缝频发，在日后的运行管理中应该更加重视，需加强安全监控监测，及时发现问题。

4 结语

对现有水闸进行安全评价，旨在为管理部门进行安全鉴定工作及制定除险加固方案提供依据，本文构建了物元可拓理论在水闸安全评价中的应用模型，并通过实例论证了其可行性。但影响水闸安全性态的因素众多，指标体系繁杂，对以下问题还需进行深入的研究：（1）水闸各阶段影响安全性态的原始信息很丰富，如何准确、快速地从众多信息中建立合理全面的指标体系仍需进一步研究探讨。（2）开发研究一套适用于水闸安全综合评价的软件，将现场调查、安全检测、安全复核计算嵌入系统，做到实时诊断，具有非常高的实用价值