水利堤防工程安全预防体系模型的建立和应用

陈 钟 周星宇 陆泳君

(1.江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230000)

堤防工程是保安澜、防洪水的重要工程，是保护居民和工农业生产的重要措施[1]。堤防工程管理战线长，存在环境多变、管理人员缺少、巡查条件差等问题，使堤防工程管理具有很大的不确定性和安全风险，需要堤防管理人员能够准确地辨识危险源和加强安全评估工作，并能在巡查和检查中排查出隐患，找到堤防工程管理漏洞进行管控。现阶段，堤防安全风险评估工作根据《水利部办公厅关于印发水利水电工程(堤防、淤地坝)运行危险源辨识与风险评价导则(试行)的通知》(苏水转〔2021〕49号)中的LS法(风险矩阵法)进行评估，该方法只能评估出单个危险源的风险等级，而不能对堤防整体的风险进行评估，不能客观地体现堤防安全管理水平，需要引进方法对堤防工程进行综合评价。

风险评估方法虽然已被广泛应用于各个领域的安全管理中[2]，但堤防综合风险评估却处于刚刚起步阶段。20世纪70年代美国管理学者Saaty[3]提出层次分析法(AHP)，这是一种层次权重决策分析方法；汪应洛等[4]首次把AHP法应用到我国煤炭决策分析中，具有重要实践意义；沈斐敏[5]首次把AHP法运用到工程技术方案的选取中，对工程管理工作具有实践意义；陈昌仁等[6]对洪泽湖流态生态风险进行研究，采用AHP法—熵权法对整个洪泽湖生态风险进行综合评估，对评价结果提出了针对性措施；王伟等[7]对安全标准化创建工作进行动态评估，运用AHP法对施工企业进行动态评价，构建出层次结构模型，分析出关键因素和失效因素，进行打分评估，确定等级。根据水利部提出的“双预防”机制，堤防工程预防体系模型需要基于隐患排查治理和风险评估进行构建，为堤防安全管理人员的风险决策和隐患治理提供研究方法。

1 综合风险评估方法

基于层次结构模型的综合风险评估的方法包括体系构造、方法设计和综合风险分析3部分，主要靠以下4个步骤来实现(见图1)：

图1 综合风险分析的框架结构

a.体系构造。根据ISO 13824关于风险评估的一般原则，风险的定义为：R(风险)=P(失效概率)×H(失效后果)，结合堤防安全管理实际，则体系构造为：R(综合风险)=Y(隐患失效率)×F(风险后果)。

b.专家挑选。金远征等[8]提出利用专家权重改进LEC法，解决了在评估过程中主观性较强、风险容忍度考虑不充分的问题，据此，在管理单位三个层级(分管责任人、部门责任人、运行管理人员)中挑选专家，并计算出权向量M。

c.风险因素分析。利用挑选出的专家对堤防进行危险源辨识和风险评价(风险评价方法为LS法)，根据风险等级表，分析堤防风险因素。

d.层次模型建立及综合风险分析。基于专家经验、风险因素及《堤防工程安全评价导则》(SL/Z 697—2015)等建立层次结构模型并分析，根据年度隐患统计及数据分析，得出隐患失效项目，结合层次结构分析，采用MATLAB软件计算出综合风险评估值，确定堤防风险等级，辅助管理人员进行风险决策，并采取有效措施加以解决。

1.1 专家权重

在三个层级中挑选专家，分成3组，分别为三个层级分管负责人A、部门负责人B、运行管理人员C，各层级选取专家，并利用专家权重[9]来挑选专家，综合从事专业年限、专业技术水平、从事安全生产工作经验、堤防工程管理工作技术水平等4方面因素确定，见表1，一级、二级、三级专家的可信度δ分别为1.0、0.8、0.6。

表1 专家分级标准

根据专家分级标准来确定某专家i(i=1,2,…，n)可信度δi，专家组综合可信度αn按下式计算：

αn=Q(δ1,δ2,…,δn)=1-(1-δ1)(1-δ2)…

(1-δn)

(1)

Q为相关函数，与可信度δi有关，αn越接近1，则专家组可信度越高，权威程度越大。某专家可信度在专家组内的权重θi按下式计算：

(2)

权向量M=[θ1,θ2,…,θn]，其中n为专家总数。

1.2 风险因素分析

根据堤防工程管理实际，利用挑选出的专家组，依据水利部堤防导则，对堤防工程进行危险源辨识和风险评估，危险源风险评估采用LS法，LS法的数学表达式为

R=L×S

(3)

其中R为风险值，L为事故发生的可能性，S为事故造成危害的严重程度。针对危险源评价值，根据一般危险源风险等级划分标准表——风险矩阵法(LS法)，判断出危险源风险等级，见表2，根据较大以上风险等级危险源，分析出堤防工程风险因素，作为层次结构模型建立的辅助决策作用。

表2 一般危险源风险等级划分标准——风险矩阵法(LS法)

1.3 层次模型建立及综合风险分析

1.3.1 层次模型建立

AHP分析法是一种定性和定量分析的决策方法[10]，根据问题性质和要达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，形成一个多层次的分析结构模型，采用数理化形式，对多因素进行分析评价，最终得出综合性决策。其优点为计算简单，便于理解，可应用到具体工程安全管理过程中。采用AHP分析法，首先需要建立层次结构模型，本文研究方法为：ⓐ专家组根据《堤防工程安全评价导则》(SL/Z 697—2015)建立堤防层次结构模型；ⓑ对堤防工程进行风险评估，分析出的风险因素用于辅助决策。建立的层次结构为目标层(E)、评价层(F)、因素层(G)等3个层次框架结构，层次结构模型见图2，图中m、n为大于2的整数。

图2 层次结构模型

1.3.2 综合风险分析

a.构造判断矩阵。构造判断矩阵的目的是以上一层因素作为比较准则，下一级层次中的因素与上一级因素存在隶属关系，对本层各因素之间相对重要性进行表示，各因素之间的相对重要性会随着所采用比较标度方法的不同而改变。根据层次结构模型，评价层中F1、F2、…、Fn以目标层Ek作为比较准则，以此类推，因素层Gnn以上一层Fn对应因素作为比较准则，用ρij来表示同一层次的第i、j个因素的相对权重，若ρij=1，则ρji=1/ρij，而同一层次两因素相对重要度采用1～9标度法[11]进行赋值，判断矩阵标度定义见表3。

表3 判断矩阵标度定义

用1～9标度法将各因素之间的相对重要度以量化形式表示，构成判断矩阵，构造的判断矩阵如下：

(4)

由判断矩阵计算被比较元素的权重ρij，计算公式为

(5)

(6)

式中,Li为判断矩阵中同一行数的乘积。

b.层次单排序及其一致性检验。引入一致性指标CI和RI，计算检验系数CR，当CR<0.1时，一般认为此判断矩阵通过一致性检验，否则需调整[12]，验证公式为

(7)

(8)

(9)

式中,λmax为判断矩阵的最大特征根，其中(Lρ)i为向量Lρ的第i个元素。平均随机一致性指标RI取值见表4。

表4 平均随机一致性指标RI

c.综合风险评估。针对层次分析法单一取值主观性较强、容忍度考虑不充分的问题，本文提出对层次分析法进行赋权，挑选出的专家用1～9标度法分别对层次模型评价层、因素层给出判断矩阵，并对判断矩阵做一致性检验，利用MATLAB软件计算[13]，分别计算出各层次中相关因素权重ωmn，则专家m(m=i=1,2,…，n)的权重赋分为[ωm1，ωm2，…，ωmnT](此向量为列向量)，权向量M按照1.1节中公式计算，则修正后的权重按下式计算：

(10)

各评价层项目赋分值不同，将各项目的得分值转化为百分制，并与因素层权重相结合，则综合风险值计算公式为

(11)

式中，R为堤防工程综合风险值，μ为评价项目得分，把上一年发生隐患的失效项目作为扣分项目，根据表5，把堤防工程划分为优秀、良好、一般、较差、差5个等级。

表5 综合风险等级划分

2 工程实例

洪泽湖大堤为1级水工建筑物，有效吹程为30km，正向风速为10级(v=26.5m/s)，波高采用2.2m，防浪林台及防浪林一起消能70%，湖底平均高程为10.5m，大坝土质以粉质黏土为主，占60%～70%，其次为重粉质壤土及黏土和粉质土层，高程10～10.5m以上为人工填土，而历史险工段有6段，经过多次加固处理，已消险，本文研究其省管段工程，江苏省洪泽湖堤防管理所为工程管理单位。

2.1 模型建立

2.1.1 专家挑选

根据表1，在洪泽湖堤防管理单位三个层级中挑选专家，每个层级挑选2名专家，判断各专家可信度δi，分别为1、1、0.8、0.8、0.8、0.6，根据式(1)计算，则这三个层级的综合可信度αn分别为1、0.96、0.92，选取的三组专家可信度高，权威性较大，再根据式(2)计算出各专家的权重θi，则权向量M=[0.2,0.2,0.16,0.16,0.16,0.12]。

2.1.2 风险因素分析

专家对洪泽湖堤防工程进行危险源辨识，采用由LS法对辨识出的危险源进行风险评估，根据式(3)计算出各危险源的风险值，依表2判断出风险等级，而根据洪泽湖堤防工程较大以上的风险等级，分析出洪泽湖堤防工程有管涌、渗流、溃堤、流土、坍塌、失稳、工程破坏等风险因素，用于辅助决策。

2.1.3 层次模型建立

收集洪泽湖堤防工程设计、施工、管理以及与安全评价相关的社会经济、水文、气象、地形、地质等资料[14]，依据上文分析的风险因素种类，再根据洪泽湖堤防工程特点，结合《堤防工程安全评价导则》(SL/Z 697—2015)建立洪泽湖堤防工程层次结构模型，目标层即为堤防工程综合风险评价指标(E)，评价层为工程质量(F1)、运行管理(F2)、防洪安全(F3)、渗流安全(F4)和结构安全(F5)等5项指标，因素层为评价层进一步分解的若干指标，如防洪安全(F3)可分解为防洪标准(G31)和堤顶高程(G32)等2个评价指标，见图3。

图3 洪泽湖堤防工程综合风险评价层次模型

2.2 综合风险分析

2.2.1 层次权重计算

6位专家根据表3分别对评价层和因素层构建判断矩阵，应用MATLAB软件计算，根据式(7)～式(9)，分别对判断矩阵进行一致性检验，RI值根据表4取值，分别为1.12、1.12、0.58、0、0.58、1.12，经计算，CR值均小于1，满足一致性要求。根据式(5)～式(6)计算出6位专家的权重，再根据式(10)对各专家权重结果进行修正，最终得到权重计算结果见表6～表11。

表6 目标层权重E

表7 因素层权重F1

表8 因素层权重F2

表9 因素层权重F3

表10 因素层权重F4

表11 因素层权重F5

经过6位专家的分析研究，洪泽湖堤防工程评价层中结构安全(F5)权重最大，为0.248，因素层中防浪林台质量G15、维养管理G23、堤顶高程G32、渗透比率G43、堤岸防护强度G55相对于评价层指标F中权重最高，堤防管理人员应把这几项指标作为日常安全管理的重点，提升堤防工程安全管理水平。

2.2.2 洪泽湖堤防工程综合风险分析

综合风险分析，首先收集上一年工程专项、综合性、自查等安全检查方式排查出的隐患数据，进行分析评估，梳理出出现频次较多的隐患作为失效项目，并作为最后数理分析的扣分项。如根据2021年洪泽湖堤防工程安全管理实际情况，结合水利部网上填报数据，主要存在的隐患为：ⓐ52～54km段一级平台存在风浪冲刷上岸的水草；ⓑ管理所院内施工现场杂乱，人员未佩戴安全帽；ⓒ堤防部分段视频监控光纤被破坏；ⓓ周桥大塘部分石工墙倒塌；ⓔ堤身存在猪獾等害堤动物。根据以上主要隐患判断洪泽湖大堤2021年堤防失效项目扣分项为G13、G21、G23、G54、G55，结合上文权重计算，根据式(11)，洪泽湖堤防工程在2021年综合风险值为82，根据表5，判断等级为良好。

3 结论与建议

本文基于层次分析法对洪泽湖堤防工程安全风险进行了综合分析和评价，加入专家权重，充分考虑风险容忍度，根据综合评价结果，洪泽湖堤防工程2021年安全风险等级为良好。尽管堤防工程还面临高水位、大风等环境因素影响，但整体安全管理现状良好。本文基于洪泽湖堤防工程风险因素分析、隐患排查治理数据，构建层次分析模型，运用层次分析法对整个堤防工程进行综合风险评价，针对堤防工程运行管理和存在的结构安全风险，提出相关措施。

a.深入推进安全生产标准化建设。洪泽湖堤防工程在2018年创建安全标准化二级单位，逐步推进标准化建设，应在满足条件的情况下提档升级，管理所需加强制度建设、教育培训等工作，提升理论基础和人员管理能力，加强堤防除患消险能力，建立健全预防应急能力，根据发现的隐患及时整改，实行“五落实”，针对危险源进行源头管控，做好季节性、极端天气等预防措施，采用PDCA模式进行闭环管理[15]，有效做到洪泽湖堤防工程安全生产态势稳定。

b.加强堤防查险排患管理水平。落实洪泽湖堤防工程段格化[16]、网格化巡查方式，加强人员查险查患能力，进一步升级堤防自动化、信息化监控设备水平，针对堤防防洪安全、结构安全、渗流安全出现的问题能及时发现，编制重大危险源、重大隐患等预案，并报主管部门备案，落实防汛防旱预报预警工作，加强防汛抢险队建设工作，提高堤防管理所防汛抢险人员除险水平，做好基础性抢险能力培训，保证洪泽湖周边地区居民安全。