量化评价模型在万家屯水库除险加固效果评价中的应用

任书军

(葫芦岛市水利事务服务中心，辽宁 葫芦岛 125000)

0 引 言

“75·8”大洪水后，针对病险水库我国政府开展实施了一系列的防洪加固项目，随后在全国范围内对大中型病险水库分批次实施了除险加固工程。水库除险加固在1998年大洪水后引起政府部门的高度重视，截止2010年已通过竣工验收或投入使用的大中型、重点小型病险水库约6235座，大大降低了自然灾害损失和水库的病险率，对于提升水资源利用效率和保障库区下游安全发挥着重要作用[1-5]。当前，关于加固效果量化模型和评价方法的研究较少，导致无法客观合理的评估加固工程效果，甚至有些水库在加固工程实施不久后就出现了溃坝事故，如山西曲亭和新疆联丰等发生的溃坝事故。为保证水库功能效应的正常发挥及全面消除水库安全隐患有必要科学评价加固效果，通过对经验教训的总结分为水库加固方案的优化设计提供指导[6-7]。

水库除险加固效果评价不仅包括可持续性、社会发展和经济等内容，还要考虑技术安全等方面因素，因此属于一个综合性复杂的系统工程。当前，关于病险水库加固效果的评价一般侧重于加固方法和工程技术措施，考虑各方面因素的评价研究还鲜有报道。结合功能指标变化程度和预定治理目标进行加固效果评价，其基本流程为：①从多个不同方面选择能够体现加固效果的评价因子，从而构建较为系统、完善的评价体系；②对各定量和定性质保选取合适的量化方法，依据各评价因子的治理效果重要度赋予相应的权值；③根据定量计算结果和评价标准，确定水库加固效果等级。

1 水库加固效果影响因素

水库除险加固效果覆盖工程效益、施工技术、加固方案以及水库本身功能等因素，在时间尺度上应体现水库功能在加固工程实施前后的变化状况，即功能康复程度。另外，加固工程质量还受人为因素的影响，在评价过程中应考虑此类因素。所以，文章从4个不同方面选取影响加固效果关键因素，采用“积木模型”反映各因素间的作用关系，如图1所示。

图1 水库加固效果各因子“积木模型”

2 除险加固效果量化模型

通过对定量评价方法的系统研究构建水库加固效果量化模型，其关键内容有确定指标综合权重、专家权重、数值量化和等级划分等。

2.1 评价等级的划分

当前，还未形成科系统科学、普遍适用的加固效果评价等级划分方法，结合水利部颁发的水库大坝安全鉴定办法和相关文献资料将评价标准划分为V1-V5级。为便于专家评分等级划分遵循可行性、简洁性和准确性原则，考虑水库加固工程实际状况设定各项评估值为0-100，评价值越高则加固整治效果越好，治理成功程度越高，不同评价等级下各项指标的评价值及判别标准如表1所示。

表1 水库加固效果评价等级划分

2.2 指标量化处理

2.2.1 非时效指标

根据定性指标评分表和专家工程经验，直接确定可量化且量纲相差较大的非时效定性指标值。对于灌溉、防洪效益等非时效定量指标，以加固前、后病险水库各指标值的提升倍数予以量化，由此量化计算加固工程效果。

2.2.2 时效指标

通过比较加固前、后水库各指标状态提升程度，确定时效指标的参数值，其具体计算步骤如下。

步骤一：水库除险加固时效因子评分。采用下式计算确定加固效果效益型、成本型指标的安全度评分值x，表达式为：

(1)

(2)

式中：a、b为双曲线函数参数，依据评价指标或工程实际情况适当调整，一般情况下a取1/165、b取1/100；t为水库安全评价参数值与规范标准值之比。各项评价指标值在水库加固后为2.54，则认为加固工程为成功。

步骤二：安全度评价模型。通过分析发现，S形曲线特征与水库安全形态演化相吻合，采用下述表达式反映Logistic曲线特征，即：

(3)

式中：S、x——为评价指标安全度及其评分；S值越大，则水库大坝的安全性越好。

步骤三：水库除险加固安全等级提升模型。根据下式求解水库加固工程安全等级提升系数，计算式为：

(4)

其中，S1≥S2且S1,S2∈[0,1]；S1、S2为病险水库加固前、后的安全度；C为水库安全等级提升系数；Smin、Smax为水库加固安全度最小与最大值，取0.0191、0.9886。

步骤四：因子评价值。依据等级判别准则确定时效因子评价值时，呈现出的性质特征为：加固后的S2或提升系数C值越大，则水库安全评价等级越高；加固前后S1、S2值在时效指标中的贴近程度越高，则价值越小；加固前后S1、S2的贴近程度相等时，S2评分值越小。据此，可利用下式确定时效指标值，即：

(5)

式中：Xmin、Xmax为区间范围内S2的最小与最大值；m、n为待求解参数。若S1、S2值取0.3115和0.6886，则X值取70；若S1、S2值取0.0191和0.9886，则X值取100，m、n值取0.7502、1.50。

2.3 专家赋权法

专家权重的计算既要考虑不同专业知识的局限性，又要在水利工程领域中具有一定的权威性。所以，专家权威性测定矩阵的构建应先分析拟邀请专家的背景，依据各专家意见和模糊优选理论确定主观权重，各专家确定的因素集客观权重采用乘次分析法计算，为保证评价结果的准确性将主、客观权重相耦合，依据最小信息熵原理确定最终的综合权重。水库加固效果评价的最小信息熵目标函数，其表达式如下：

(6)

对于以上优化问题的求解考虑选用拉格朗日乘子法，由此可计算各评价因子的组合权重，即：

(7)

2.4 静态权重

根据专家给出的判断矩阵与HS-AHP和声搜索层次分析法，计算确定专家静态权重为：ω=(ω1,ω2,…,ωn)；考虑静态权重受评价因子值X=(X1,X2,…,Xn)的影响作用，依据静态权重计算值构造动态权重表达式为：

(8)

式中：Xi、ωi为因素层i下的评价指标值及其静态权重值。由于不成功和基本成功等级关于评价指标的界限值为70，所以因素集的动态权重以70为基准进行求解。

3 实例分析

万家屯水库位于葫芦岛市南票区，所在河流为女儿河的二级支流，坝址以上集雨面积为1.95km2，河道比降27.99‰，河长2.19km。水库属于小(2)型水库，工程等级为Ⅴ等，本次复核设计和校核标准为10、20年一遇，相应的设计洪水位为88.40、88.82m，库容为24.96万m3，溢洪道下泄流量为16.29m3/s。

经过长期的服役运行，该水库存在各种各样的问题，尤其是服役年限的增加和部分水利设施的超期服役，使得安全隐患问题较为突出。通过对整个枢纽工程进行勘查，发现的主要问题如下：①大坝存在的问题：上游素混凝土护坡风化破损严重，失去功能；下游护坡坡面风化破损严重，树木、杂草丛生，坡面无排水，坝脚无排水棱体；防浪墙在钻孔ZK2左侧及右侧15m范围内坐落在碎石层上，与坝体粉质黏土没有形成防渗整体，且防浪墙多处开裂；根据库管员及南票区水库管理部门介绍，大坝背坡坡脚(自输水洞起右侧10m范围内)，逢大雨时有清水自路面淌出。经压水试验可知，坝体坝基无渗漏，坝肩处存在强风化区域，存在绕渗。②溢洪道存在的问题：溢洪道两岸为山体，岩石裸露，凹凸不平，风化严重，整体无衬砌；溢洪道无消能设施，出口处浆砌石工程部分损毁；溢洪道表层为0.00-7.90m厚的强风化层。③输水洞存在的问题：启闭塔及启闭设施已不能使用；输水洞出口无启闭设施；输水洞进出口钢管破损严重。④其它存在的问题：无系统水位、雨量观测等设施[8-14]。

在时间和区间尺度上，水库加固效果评价较传统的大坝安全评价体系复杂，既要包括加固整治前的预评估阶段、评估过程、群众满意度和加固效益等因素，还涉及工程管理、质量、大坝渗流、水库防洪以及抗震等后评估阶段。所以，有必要结合工程实际情况综合评价水库加固效果，从加固效益、工程施工、指标康复程度和除险加固方案4个方面选择61项基础性评价指标，如表2所示。

表2 病险水库加固效果评价

表中，D1-1-D1-3为施工设备、工艺技术、项目工期；D3-1-D3-3为加固技术的先进性、适用性和安全性；D4-1-D4-2为防洪高程、下泄流量；D5-1-D5-6为防渗体渗透系数、出逸点高程、出溢坡降、最大渗透坡降、渗透流量、反滤体性能；D6-1-D6-2为大坝稳定、近坝库岸稳定；D7-1-D7-5为金属结构强度、变形、腐蚀、运行质量及电气设备保障；D8-1-D8-4为工程地质与水文地质、质量控制标准、外观质量、工程加固质量；D9-1-D9-4为管理制度与人员配置、水库运行环境、维修环境、安全监测；D11-1-D11-4为防洪、灌溉、供水和养殖效益；D14-1-D14-3为领导层、管理层、操作层；D15-1-D15-3为组织机构、安全管理制度、事故预防与应急；D16-1-D16-3为周边及自然环境、现场施工环境、工人作业环境；D17-1-D17-4为施工现场用电、大型施工设备安全运行、施工运输、危险品存放使用。

加固效果评价时应注意区分定量和定性指标，为获取各个指标的数据信息保证评估结果的科学合理性，必须详细分析加固相关资料和现场调查结果。依据各评估指标特性和水库大坝安全评估及调查方法，对各项指标利用不同的手段与方法调查。文章对各项评价指标邀请5位权威专家参照指标量化方法进行量化，专家组合权重依据上节方法进行计算，根据评分值和较低层次的动态权重获取高一层次的评价值。同理，计算确定各层次与最高层次所属要素的动态权重及除险加固效果综合评价值，如表3所示。

表3 各层次因子评价值

根据表3可知，万家屯水库综合评价值为65.87，依据评价等级集处于“不成功”状态，即整治后的工程效益、水库功能接近预期目标，部分指标的改善程度不明显，其原因为：准则层中功能康复程度B2的动态权重、静态权重分别为0.7661、0.7172，但该指标的评价值较低为62.38，这是引起加固工程不成功的关键因素；下一层评价体系中，工程质量、结构安全和渗流安全康复程度的指标权重较大，所对应的评价值分别为49.67、39.85、55.41，处于较低水平。深入分析发现，权重较大的最大渗透坡降、出逸点高程、大坝稳定的评价值较大，分别为54.22、33.27、34.85。

综上分析，部分除险加固设计内容未实施或加固工程参照旧的规范为造成万家屯水库除险加固不成功的主要原因未能显著改善结构的安全状态和渗流稳定性，综合评价值处于较低的水平。另外，该评价结果与水库大坝验收结论、实际运行情况保持较高的一致性，可认为所构建的评价体系和评价模型满足科学合理性要求。

4 结论

水库除险加固效果评价的重要条件是构建系统、完善的综合评价体系，文章结合体系构建原则和指标选取方法，考虑加固工程特点和项目目标要求建立评价体系，运用量化评价模型分析了万家屯水库加固工程状况，主要结论如下：

1) 通过对加固效果主要影响因子的分析，从加固效益、工程施工、康复程度和加固方案4个方面选取评价指标，运用“积木模型”反映各评价因子之间的作用关系。

2) 综合考虑评价指标动态、静态、主客观权重以及非时效、时效指标量化方法提出水库加固效果评价模型，并以实例验证了该模型的科学有效性。结果显示，评估体系和指标值获取方法具有较强的可行性，可为消除水库安全隐患，完善水库管理体系和加固效果评价方法提供科学的依据。