庄河市朱隈水库大坝安全综合评价

刘桐渤

(庄河市水务事务服务中心，辽宁 大连 116400)

为提高大坝安全评价的准确度和可靠性，最大限度的发挥灰色分析法、模糊判断法和物元法等优势，考虑将物元模型与改进DHGF算法相耦合评价分析大坝安全水平。其中，综合集成了模糊评判法、AHP层次分析法、改进Delphi法和灰色关联统计法的模型即为DHGF四元评价法。对大坝安全评价的不确定因素利用改进DHGF-物元模型描述，由此提升安全评价的准确度和可靠性。

1 综合评价指标体系

结合水库大坝运行实际状况和安全评价导则有关要求，运用Delphi方法构建包含因素层、准则层和目标层的大坝安全性态评价体系，如表1。其中，大坝安全性态评价为第一层目标层的内容，工程质量评价、运行管理评价、防洪标准评价、结构安全评价、渗流安全评价、金属结构评价、抗震安全评价为第二层准则层有关参数；第三层共涉及24项代表性元素。采用两层评价结构组成的整个体系，可实现元素层对目标层以及大坝安全的综合评价。

表1 水库大坝安全性态评价体系

将大坝安全评价按照导则要求划分为V1、V2、V3级，其中V1代表A级安全、V2代表B级基本安全、V3代表C级不安全，从而构成评判标准集V={V1,V2,V3}。

2 水库大坝安全物元评价模型

2.1 评价量样本矩阵

结合水库大坝运行实际状况和工程建设目标要求，邀请水库除险加固设计和安全评估领域的专家对各项参评因子赋予相应的评分(表1)，依据专家评分值构造待评样本矩阵。通过对每个物理量观测资料的综合分析，由一定资质的评价单位按照大坝实际运行情况给予准确的评价和判断，该过程属于大坝安全评价的重要组成内容[1]。

设参与水库大坝安全评价的指标数和专家数为n、h，引入dij为关于评价因子j参评专家i给予的评价量样本，其中i=1，2，…，h；j=1，2，…，n；由此，构造的评价量样本矩阵D即为每个专家对所有参评因子的评分数据，其表达式如式(1)所示：

(1)

2.2 物元模型

一般情况下，物元方法运用特征量值U、特征值S和事物名称N构成基本物元，其表达式为：M=(N,S,U)。

水库大坝运行受运行管理措施、库盘地质形态、大坝环境条件和施工质量等诸多因素的影响，对其安全评价属于一项涉及多领域、多要素的复杂问题，针对此类问题可选用物元模型构造多因子、多特征矩阵如式(2)所示：

(2)

2.3 物元评价模型

将水库大坝安全评价的物元模型与灰色-模糊理论、改进DHGF算法相结合，从而构建综合评估模型如式(3)所示：

(3)

由于不同要素对安全评价的贡献率存在一定差异，由此构造的模糊判断矩阵如式(4)所示：

T=W·M=(t1,t2,t3)

(4)

式中：t1、t2、t3为模糊判断矩阵T中的元素。然后采用归一化公式处理判断矩阵T，最终获取大坝安全性态模糊综合评价值Z，其计算如式(5)所示：

Z=T·VT

(5)

Z值越大则大坝的安全运行性态越好，安全评价等级越高。然而实际运行过程中，水库大坝通常存在许多的安全隐患，为了能够及时准确的排除这些隐患还要进一步评估准则层各要素状况，从整体的角度系统评估大坝运行情况，从而为降低大坝运行风险和排除安全隐患提供科学依据。

3 物元模型实现过程

3.1 确定权重

选用熵权法改进DHGF算法中的权重，将主、客观权重系数利用变异系数法求解，从而确定各个因子的综合权重。

采用变异系数法求解组合权重的表达式如式(6)、式(7)所示：

(6)

(7)

3.2 实现步骤

水库大坝安全性态利用改进DHGF算法的物元模型评价的主要流程如下：

步骤一：结合评价单位对参评因子的模糊评分和表1建立的评价指标体系求解相应的权重，将模糊数学理论与灰色分析法结合确定权矩阵R。

步骤二：考虑水库大坝的工程特征构造物元矩阵，为简要说明模型的结构形式，以准则层B3为例其模型如式(8)：

(8)

其中，R13为准则层中的模糊权矩阵；然后利用公式T=W·M和构造的物元模型得到相应的判断矩阵T，以此类推构造准则层中各元素组成的判断矩阵T1，即：T1=(T11,T12,T13,T14,T15,T16,T17)。

步骤三：根据以上运算结果建立大坝安全评价综合物元模型M2，在此基础上完成模糊判断矩阵T1的求解。如式(9)

(9)

步骤四：将综合评价值和第一层评价结果相结合，通过分层逐项评价指标体系中的各项元素，最终实现大坝安全性态和安全等级的结果输出。

4 实例应用

4.1 工程概况

朱隈水库是一座集供水、排涝、灌溉、水产养殖、发电和旅游等功能于一体的大(2)型水利工程。水库控制面积260.1 km2，多年平均入库径流量9886万m3，校核和设计洪水为2000 a一遇、100 a一遇，最大和兴利库容16 562万m3、11 166万m3。水库现已服役运行60多年，水库大坝存在许多安全隐患。为充分发挥工程效益、确保水库工程安全及保障下游区域人民生命财产安全，有必要结合现场考察情况和大坝运行监测数据，准确的评价大坝安全形态，从而为太平水库除险加固设计及方案优化提供数据支撑[2-3]。

4.2 权重的计算

将熵权法计算结果与评价单位评分相结合，利用文中所述变异系数计算公式得到每个因子的组合权重如式(10)：

W11=(0.280,0.647,0.073)；

W12=(0.086,0.244,0.770)；

W13=(0.333,0.333,0.333)；

W14=(0.396,0.396,0.092,0.078,0.038)；

(10)

W15=(0.660,0.274,0.066)；

W16=(0.638,0.259,0.103)；

W17=(0.635,0.230,0.088,0.047)；

W2=(0.291,0.046,0.138,0.290,0.072,0.026,0.136)

4.3 灰色统计数和模糊权矩阵

根据评分数据构造的白化权函数，可确定大坝安全评价的模糊权矩阵R如式(11):

(11)

4.4 结果分析

根据求解的物元模型和模糊权矩阵，确定大坝安全评价第一层结果如式(12)：

(12)

结合以上运算值可获取大坝安全评价第二层值为：T2=W2M2=W2T1=(0.420，0.527，0.054)；最终可计算确定Z2=6.105。依据划分的评价等级和Z2=6.105，可判定为该水库大坝达到B级基本安全水平。通过对向量Z1运算结果的分析，安全性较好的有B1、B4、B5、B7因素，这几项评判因子可以达到良好水平满足安全性要求，因此除险加固设计时可不考虑此类要素影响；而准则层中B2、B3、B6因素达到一般水平，同时这些因子存在向下一等级转变的可能，为降低水库向病险状态的发展应加强日常巡查和监控。

5 结 论

(1)综合考虑物元方法和灰色模糊方法的优点，将物元方法与改进DHGF法相结合用于水库大坝安全形态的评价，从而保证了评价结果的客观性和准确度；物元分析与改进DHGF相耦合的评价模型较传统的评价方法存在运算简单、结果可靠等优点。该方法可分层逐级评价多目标复杂问题，通过评价准则层因素和综合分析大坝整体安全水平，为改善大坝运行管理措施及合理的评价大坝运行状态提供参考。

(2)水库大坝运行涉及到的范围广、因素多，且不同要素存在随机性和不可控性特征，为进一步提升评价结果的真实可靠度，要将定量评价与定性分析相结合系统评价大坝安全水平。