基于量化评价模型的水库除险加固稳定性研究

曹利军，魏 平

(水发规划设计有限公司，济南 250014)

0 引 言

水库工程建设利国利民，在国民经济与社会发展上起到了重要的推动作用，但水库年久失修、功能退化等也为水利工程的正常运转带来较大的安全风险。随着大规模的水库除险加工程逐渐增多，通过除险加固处理不仅能够改善水库大坝现状，而且在促进经济、社会可持续发展等方面有着重要的作用。因此，采取科学有效的方法准确评价水库除险加固稳定性，是病险水库治理工程需要解决的一个重要问题。当前，有较多学者开展了关于水库除险加固稳定性评价的研究。沈振中、甘磊、徐力群等研究了病险水库除险加固效果的量化评价模型[1]，该模型预先构建除险加固效果影响因素集，并对指标量化处理，包括评价指标等级划分、指标静态与动态权重处理等，建立了加固效果评价模型，以对加固稳定性进行评价。孙玮玮、龙智飞、周克发等对小型水库除险加固绩效评估指标体系[2]进行了研究，主要构建除险加固绩效评估指标体系，通过分析不同指标描述对象以及特点，制定相应的信息获取方法，以对加固效果进行评估。虽然上述研究获得了一定的评价效果，但是评价准确性较差。为此，本文设计一种基于量化评价模型的水库除险加固稳定性研究方法。

1 水库除险加固稳定性评价指标体系

影响水库加固稳定性效果的因素较多，影响因素是相互作用、相互联系的。因此，为了实现对水库除险加固稳定性进行评价，就需要根据水库加固治理效果的层次性与动态性特点，对各种因素采用定性和定量指标进行描述[3]。预先分析水库结构，水库简单结构图见图1。

图1 水库简单结构图

因此，建立水库除险加固稳定性评价的指标体系。指标体系见表1。

表1 水库除险加固稳定性评价指标体系

2 基于量化评价模型的指标量化处理

在水库除险加固稳定性评价指标建立的基础上，需要对指标进行判分，通过上述步骤可知，水库除险加固稳定性评价指标设计信息特征，加固前后效果评价，因此指标属性划分为时效指标与非时效指标，通过量化评价模型确定属性指标评估值[4]。量化评价模型是指把数理统计学应用于科学数据，以使数理统计学构造出来的模型得到经验上的支持，获取相应的数值结果。基于量化评价模型的指标量化处理过程主要包含两部分，即非时效指标量化处理与时效指标量化处理[5]，详细内容如下。

1) 非时效指标量化处理。这部分指标内容处理主要以治理前指标数值为基准[6]，计算加固后稳定指标参数增长倍数。其相应计算公式如下：

(1)

式中：x为指标安全度分数；t为指标安全度与指标标准范围值的比值，假定加固处理后指标与指标标准范围值的比值达到2.54倍及以上，则表示加固成功；a、b为公式系数，通常取a=1/170，b=1/105。

2) 时效指标量化处理。这部分指标的处理是根据加固前后指标参数变化程度以确定量化值。其表达式为：

S=a/[1+e-k(x-xe)]

x∈[0,100]

(2)

式中：S为加固稳定性程度，S越大代表稳定性越优；a、k、x均为计算系数。

在此基础上，依据量化评价模型确定指标权重。为评判指标量化值对指标权重的影响，引入直线型隶属度函数。见图2。

图2 直线型隶属度函数

对于正指标，其指标值越大越好，表达式如下：

(3)

对于逆指标，即指标越小越好，表达式如下：

(4)

式(3)与式(4)中：y为指标评价值；x为有量纲指标实际值；xmax为有量纲指标最大值；xmin为有量纲指标最小值。

依据上述计算，首先对层级较低的指标权重进行赋分，再依次对上一层级指标进行赋分，最终得到各个指标的权重。

3 水库除险加固稳定性评价模型构建

在上述建立评价指标与指标量化处理后，需要对评价指标体系进行数学处理，以得到效果综合评价结果，从而定量直观反映加固稳定性。因此在数学处理过程中，需要对稳定性评价等级划分。综上所述，将上述加固治理效果评价等级数确定为5级，将其构成评价集集合为Q={Q1,Q2,Q3,Q4,Q5}，其对应的是稳定性极好、稳定性较好、稳定性好、稳定性一般与稳定性差。加固稳定性评价等级集及其含义见表2。

表2 水库除险加固稳定性评价等级

在建立加固稳定性评价等级后，对水库风险评价，采用故障树分析方法进行评价。故障树分析方法是一种逻辑因果关系图，即顶上事件为根节点，中间事件为中杆点，基本事件为叶基点。故障树基本结构见图3。

该方法既能够对单一事件分析，又能够对多个事件分析。根据上述树形图，建立故障树的结构函数，公式如下：

(5)

图3 故障树树形图

式中：p为故障树中底层基本事件发生的概率。

在此基础上，根据评价目标值在评价等级中对应的位置以确定其应属的等级，从而对水库除险加固稳定性作出真实有效的评价。

为对水库除险加固稳定性客观评估，建立稳定性提升模型，其提升模型的表达式如下：

(6)

式中：C为稳定等级增加倍数；S1、S2分别为加固前后指标稳定度；Smax为指标稳定性最大值；Smin为稳定度最小值。

根据表2指标稳定等级以及判断标准可知，S2或者C的等级越高，稳定程度越高；S1和S2越接近，稳定性等级越低；当S1和S2接近度相同时，S2越小则指标评价值越小。基于上述分析，建立加固前后稳定性计算公式：

X=[(Xmax-Xmin)C+Xmin]S

(7)

式中：Xmax为最大评价值；Xmin为最小评价值。

因此，依据上述过程完成基于量化评价模型的水库除险加固稳定性的研究。

4 实验对比

为验证所设计的基于量化评价模型的水库除险加固稳定性研究方法的有效性，以某地区水库为例进行分析研究。该水库防洪保护人口约为20万人，是一座以防洪、灌溉为主的综合性水库。水库坝顶长400 m，顶宽6.50 m，顶高程17.20 m，坝顶防浪墙顶高程为18.30 m。由于受到主观条件的限制，该水库建设标准低、质量差、配套不全与工程遗留问题较多。该水库坝体土体物理学参数统计特性见表3。

表3 实验坝体物理力学参数统计特性

依据上述统计资料作为实验数据，同时为保证实验严谨性，将传统的病险水库除险加固效果的量化评价模型、小型水库除险加固绩效评估指标体系与所研究的方法进行对比，对比3种研究方法的评价准确性。

4.1 库水位评估结果对比

此次设计的基于量化评价模型的水库除险加固稳定性研究方法与传统病险水库除险加固效果的量化评价模型、小型水库除险加固绩效评估指标体系的库水位-渗流量评估结果见图4。

图4 库水位评估结果对比

分析图4可知，此次研究的结果与实际结果相差较小，库水位最高为249 m左右。将传统的评估方法与实际值对比可知，病险水库除险加固效果的量化评价模型评估的最高水位为245 m左右，相差较大。小型水库除险加固绩效评估指标体系评估的最高水位为242 m左右，与实际值相差较大。对比可知，此次研究的基于量化评价模型的水库除险加固稳定性方法在库水位评估上准确性比传统方法评估准确性高。

4.2 渗流量评估结果对比

传统的病险水库除险加固效果的量化评价模型、小型水库除险加固绩效评估指标体系与所设计的基于量化评价模型的水库除险加固稳定性研究方法在渗流量上的对比结果见图5。

图5 渗流量评估结果对比

由图5可知，加固后，水库坝后渗流量渗漏流量较小。此次研究的基于量化评价模型的水库除险加固稳定性研究方法获得的结果与实际的渗流量相差较小，基本能够准确评估。由传统的病险水库除险加固效果的量化评价模型、小型水库除险加固绩效评估指标体系获得的结果可知，与实际结果相差较大，代表传统病险水库除险加固效果的量化评价模型、小型水库除险加固绩效评估指标体系的评估准确性较低。

综上所述，此次研究的基于量化评价模型的水库除险加固稳定性研究方法在水库水位与渗流量评估上准确性比传统方法评估准确性高，由此能够证明此次研究的方法在水库除险加固稳定性研究上也能够获得较高的准确性。原因是此次研究的基于量化评价模型的水库除险加固稳定性研究方法建立了水库除险加固稳定性评价指标体系，并采用量化评价模型对指标量化处理，对水库除险加固稳定性进行了评价，从而保证了较高的准确性。

5 结 语

本文设计了一种基于量化评价模型的水库除险加固稳定性研究方法，该方法明确提出综合评价指标体系，在实际的评价中可以根据实际评价目标选取指标体系，具有较高的指导意义与实际应用价值。并通过实验验证了此次研究的方法的有效性，能够为其他水库除险加固稳定性评估上提供一定的帮助。

但是水库除险加固治理工程是一个复杂系统，系统内部各种因素相互作用与影响，因此水库加固稳定性评价涉及范围广、难度大，此次研究仅针对其中一部分进行了研究，还存在一定的不足。在后续研究中，将继续研究更加有效的评价方法，完全实现水库除险加固效果的定量评价，最大限度地减少人为因素对最终评价结果的影响。