三河闸工程弧形钢闸门安全性综合评估分析

张 状

（江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100）

1 工程背景

三河闸工程位于江苏省淮安市洪泽区与盱眙县交界处，于1952年10月动工兴建，1953年7月建成放水，原设计流量为8 000 m3/s，加固后的三河闸设计行洪能力提高到12 000 m3/s，设计抗震烈度7度，属大（1）型水闸。闸身为钢筋混凝土结构，共63孔，每孔净宽10 m，总宽697.75 m，底板高程7.5 m，宽18 m，共21块底板，闸孔净高6.2 m。闸门为钢结构弧形门，每孔均设有2×100 kN低速弧门卷扬式启闭机一台，左右岸空箱内分别设有水电站一座，装机容量均为200 kW[1]。

建成以来，三河闸工程抗御了1954年、1991年、2003年、2007年等大洪水，充分发挥了骨干水利工程效益。年均泄洪近200亿m3，为保证里下河地区3 000万亩农田和2 000多万人民生命财产的安全作出了卓越贡献。三河闸工程拦蓄淮河上、中游来水，使洪泽湖成为一个巨型平原水库，为苏北地区的工农业、人民生活用水提供了丰富的水源。

2 指标体系的建立

2.1 指标选取及分类

按照科学性、可操作性、目的性、层次性、相对独立性以及定性与定量原则，参考《水库大坝安全评价导则》对闸门安全状态的评估[2-4]，将弧形钢闸门安全性态评估A设定为目标层，在目标层下选择制作安装质量B1（包括零部件质量C1、预埋件质量C2、止水性能C3、焊缝质量C4、制作安装评级C5等五个指标），运行管理情况B2（包括运行年限C6、操作管理C7、维修管理C8等三个指标），闸门强度B3（包括面板强度C9、主梁强度C10、支臂强度C11等三个指标），闸门刚度B4（包括主梁刚度C12和支臂稳定性C13两个指标），启闭能力B5（包括启闭能力C14和闭门能力C15），腐蚀情况B6（包括腐蚀率C16、腐蚀最大深度C17、腐蚀速率C18等三个指标），工作状况B7（包括闸门振动C19、闸门空蚀C20、上下游水流状态C21等三个指标），构建弧形钢闸门安全性评估指标体系见图1。

2.2 安全等级划分原则

图1 弧形钢闸门安全性评估指标体系

参照《水闸安全鉴定规定》对评价指标和安全性进行等级细分，划分为：1良好，综合评分得分区间[0,0.25]，表示该闸门满足规范要求，未发生过异常状况，只需定期维护；2合格，综合评分得分区间（0.25，0.5]，表示该闸门满足规范要求，且闸门未发生过较大异常状况，只需加强维护；3基本合格，综合评分得分区间（0.5，0.75]，表示该闸门基本满足规范要求，闸门基本能正常运行，但需进行相关的维修养护；4不合格，综合评分得分区间（0.75，1.0]，表示该闸门不满足规范要求，闸门不符合正常运行规范，禁止使用， 需进行大修或报废更换处理。在21个指标中，C1~C5，C7~C8，C20~C21等九个指标属于现场定性评价指标，按照现场实际情况进行专家打分，根据专家打分情况进行等级划分，划分原则同上，其余指标为定量评价，各评价指标的等级标准见表1。

表1 各评价指标的等级划分标准

3 基于TOPSIS安全性评估分析

3.1 TOPSIS简介

理想点法（TOPSIS）最早诞生于20世纪80年代，作为一种评价函数，其基本原理是通过计算评估对象现状值与理想化目标的最优解和最劣解的综合测距来进行排列和分析，当现状值与最优解越贴近时，表明目前状态越好，反之则越差，是可以使各个目标值都逼近理想（最优）值的一种多目标规划方法，具有计算简单、高效的优势，在工程管理等领域应用比较普遍[5]。TOPSIS 评估流程主要分为以下6个步骤：①构建指标评价体系；②通过层次分析法、熵值法以及变权法确定各指标的权重大小；③确定各指标的正负理想点；④计算综合测度距离D；⑤计算贴近度T；⑥根据综合测度距离和贴近度，对弧形闸门安全现状进行评估， TOPSIS评估流程见图2。

图2 TOPSIS评估流程

正负理想点、综合测度距离以及贴近度是理想点法应用时最重要的三个参数。正负理想点分别代表了评估对象的最优解和最劣解，由于弧形闸门所有指标从开始运行，所有指标都是呈劣化态势，因而各评估指标也均为负向指标，故本文将“0”作为弧形闸门的正向理想点，将“1”作为弧形闸门的负向理想点。综合测距度D表示评估对象的实际值与理想化目标值之间的距离差；贴近度T则表示评估对象正综合测度距离与正、负综合测度距离总和的比值，贴近度越小，表明评估对象目前状态越接近于理想值，通过综合测距度和贴近度来对弧形闸门当前状态进行评估，评估准则见表2。

表2 闸门整体状态评价标准

3.2 TOPSIS综合评估分析结果

在建立好弧形钢闸门安全性评估指标体系之后，需要对各个指标进行量化处理，在量化处理过程中，C1~C5，C7~C8，C20~C21等九个现场定性评价指标采用专家打分法进行赋值，其余指标按照实际值进行等级划分，得到21个评价指标的取值汇总情况，见表5。

表5 评价指标取值汇总

通过层次分析法、熵值法以及变权法确定各评价指标和评价准则层的权重值，见图3。从图3中可知：在21个弧形闸门安全评价指标中，权重值最大的前三位分别是C13、C18和C10，表明支臂稳定性、腐蚀速率和主梁强度对弧形闸门安全性有比较重要的影响。在7个准则层指标中，B3的权重值最大，其次为B1和B4，表明制作安装质量、闸门强度以及闸门刚度对弧形闸门的安全具有决定性作用。

图3 权重值计算结果

通过各指标的正负理想点，计算当前状态指标与理想指标值的综合测度距离和贴近度，最终得到的本工程弧形闸门的正理想点综合测度D1为0.459，负理想点综合测度D2为0.594，贴近度T=D1/（D1+D2）=0.436，根据表1评价准则，可以判断案例工程弧形闸门整体处于“良好”的安全状态，利用TOPSIS综合评估方法得到的评价结果与现场专家按照《水库大坝安全鉴定》中弧形钢闸门的安全鉴定结论基本一致，但可以最大程度上避免现场鉴定时专家主观意见的影响，更能反映出弧形闸门当前所处的实际情况，表明基于TOPSIS法进行弧形闸门安全评价合理可行。

4 结语

（1）以三河闸工程弧形闸门为例，基于层次分析法构建弧形钢闸门安全性评估指标体系，该体系包括7个准则层指标和21个评价指标，并制定了各评价指标的等级划分标准。

（2）构建基于理想点（TOPSIS）的弧形闸门安全状态评估流程，同时确定了以贴近度为计算结果的安全评价准则，将弧形闸门安全状态划分为良好、合格、基本合格以及不合格四个状态。

（3）通过计算分析，得到正、负理想点综合测度D1和D2分别为0.459和0.594，贴近度为0.436，闸门目前处于良好状态，与现场专家鉴定结果基本一致，表明基于TOPSIS法进行弧形闸门安全评价合理可行。