改进的AHP-Fuzzy在水库大坝安全鉴定中的应用

杨奎

（浙江省水利水电勘测设计院惠州分院，广东 惠州 516000）

1 工程概况

白盆珠水库（西枝江水利枢纽工程）位于东江支流西枝江上游惠东县境内，坝址以上集雨面积856 km2，控制西枝江全流域面积的20.80%，是一座以防洪、供水为主，兼顾灌溉、发电、改善航运及生态水环境等综合利用的水利枢纽工程。混凝土大坝是水库主要挡水建筑物之一，位于西枝江上游白盆珠峡谷入口处，为宽缝重力坝，坝顶高程88.20 m，最大坝高66.20 m，坝顶宽5 m，坝顶长240 m，共分11个支墩坝段和5个实体重力坝段。

混凝土坝安全监测项目现主要有变形监测和渗流监测。其中变形监测设置了水平位移监测、挠度监测和裂缝监测三项，渗流监测设置了浅层坝基扬压力监测、深层坝基扬压力监测和渗流量监测三项。相关观测有坝前、坝后水位观测及降雨量观测。坝体坝基渗流量监测采用三角量水堰法。土坝原设有3 座，其中1#堰位于土坝下游左侧坝脚，渗流量直接排入2#堰，但从1993年12月15日至今已无渗流通过；4#堰距离坝址较远，受外来客水注入影响较大，监视土坝总渗流量意义不大，已停测；现只有位于土坝坝后集水池出口处的2#堰观测正常。条形山副坝贴坡反滤尾部设置三角量水堰一座，编号为3#。

2 评价指标体系

水库大坝的安全运行具有重要意义，具备防洪、灌溉等多种功能，一旦发生安全问题会造成不可挽回的损失。在当下的理论研究基础及案例的分析下，指标体系准则层包括防洪能力、结构安全等，并在此基础上分出多项二级指标，具体见表1。

表1 水库大坝安全评价指标体系表

3 模型构建

评价指标过程中，由于模糊不确定性的存在，所以需要利用改进的AHP-Fuzzy，实现对指标权重的确定，在计算过程中按照下面的方法进行确定。

3.1 模糊判断矩阵

互补型模糊判断矩阵的确立是利用改进的三标度法实现的，具体如下：

互补型模糊判断矩阵E=（fij）n×n，式（1）中，C（i）、C（j）分别为fi的相对重要程度、fj的相对重要程度。

对矩阵E进行改造，这样就可以得到新的模糊一致性判断矩阵R=（fij）O„O，在对公式进行转化时，需利用下面两个公式：

3.2 权重计算与模糊关系矩阵的构建

3.2.1 权重计算

权重向量的计算可以使用和行归一法，即：

3.2.2 构建模糊关系矩阵

在对评价对象的因素集进行确定时，需构建总的因素集，也就是U={u1、u2、u3、u4、u5}，同时需依次确定u1、u2、u3、u4、u5的单因素评价集，以u1为例，u1={u11、u12、u13}。对评语等级进行确定，即V={v1、v2、v3、v4、v5}，分别代表安全可靠、基本可靠、安全性差、不安全及极不安全。

模糊关系矩阵最终可以表示为：

量化评价对象中的每个因素：ui（i=1，2，…，m），确定R1为各个评价因素对各个等级模糊子集的隶属度。模糊评价结果的合成，可以用下式表示：

式中，a1为被评价对象从整体上看对vj等级模糊子集的隶属程度。

4 实际应用分析

白盆珠水库混凝土主坝级别为1级，监测类别应包括现场检查、环境量监测、变形监测、渗流监测等，目前缺少部分规范规定的监测项目，如近坝岸坡变形监测等；部分项目的监测测次，如扬压力，也不满足规范规定。为对大坝的安全性与可靠性进行判断，需通过改进的AHP-Fuzzy进行鉴定。

4.1 指标权重的确定

在对权重指标进行确定时，所使用的方法为文中所构建的大坝安全评价指标体系，在计算时利用的软件为Matlab。通过8 次迭代计算，最终确定各级指标权重。具体如下：u11、u12、u13的相对权重分别为0.28、0.13、0.60；组合权重分别为0.07、0.03、0.15。通过计算，各个准则层指标层的相对权重与组合权重也都已计算出来，文中不再一一罗列。

4.2 模糊关系矩阵

通过调查分析，在专家组的综合打分下，得到各评价指标的隶属度关系，然后确定u1、u2、u3、u4、u5的二级隶属度模糊关系矩阵，依次对应为R1、R2、R3、R4、R5。

4.3 综合评价

通过改进的AHP-Fuzzy 最终确定指标权重以及二级隶属度矩阵，实现对水库大坝安全的有效鉴定，做好多级模糊综合评价工作。下面在分析时以防洪能力为例，对其他指标也可以使用同样的方法进行计算。

在模糊评价分析后，对结果进行分析，专家对于水库大坝安全鉴定得出结论：认为安全可靠、基本安全、安全性差、不安全及极不安全的分别为34%、29.80%、26.50%、9.70%。

5 存在的问题建议

5.1 存在问题

5.1.1 混凝土坝存在问题

①混凝土坝安全监测设施陈旧，观测手段落后，监测值误差较大。②有些扬压力测压管压力表工作不正常，灵敏度较差，造成漏测现象，不能很好反映实际扬压力变化情况。③正倒垂线和引张线观测误差较大，不能很好反映大坝微变形现象。

5.1.2 土坝及条形山副坝存在问题

①由于第二期混凝土防渗心墙未建，绕第一期混凝土心墙两端集中渗流在水库高水位（超正常高水位）运行时较明显，对土坝坝体渗流稳定具有一定的影响。②位于0+152.7横断面坝前坡的a39、a40管水位常年高于库水位，此现象至今存在。③个别测压管（如a3、A6、A28、A29、a21、A22等）存在陡涨陡落现象，测压管附近可能有便于渗流通过的路径。④土坝安全监测手段较落后，汛期安全监测工作量大，资料收集分析迟缓。

5.2 建议

①在混凝土坝现有安全监测设施的基础上，提高观测精度，减少观测误差的产生，为安全鉴定提供可靠支持。②按照《混凝土坝安全监测技术规范》的规定，补全混凝土坝未设置的监测项目，并满足规范要求的监测频次。③对混凝土坝安全监测系统进行自动化改造，提升监测整体质量与效率，以满足现代大坝安全管理的需要。④对混凝土坝裂缝进行加固处理，避免裂缝继续扩大，提升混凝土坝的安全性与可靠性。⑤按照《土石坝安全监测技术规范》的规定，补全土坝未设置的监测项目，并满足规范要求的监测频次。⑥按原设计尽快续建第二期混凝土防渗心墙，彻底解决土坝渗流稳定问题，以提高工程运行可靠度。⑦对个别可疑漏水点做进一步的无伤探明，并进行灌浆处理。⑧高库水位时加强土坝及条形山副坝下游坝坡、坝脚及与岸坡接合处的巡视检查和观测。

6 结语

水库大坝的安全是中国工农业发展中的重要环节，一旦水库大坝出现安全问题，会严重影响工农业生产。在对水库大坝安全鉴定中，需使用先进的技术与方法，这样才能及时发现问题并处理问题。改进的AHP-Fuzzy 在水库大坝安全鉴定中的应用，能判断各指标层的影响程度，通过指标权重的确定，以及模糊关系矩阵的构建，最终计算出此次安全鉴定为安全可靠。但是依然要对安全鉴定中发现的问题进行重视，及时处理问题，确保水库大坝的安全、可靠运行。