铁岭县范家屯水库大坝安全性分析

王 杰

（铁岭县现代农业发展服务中心，辽宁 铁岭 112000）

风险分析法是水电工程安全评价应用最为普遍的方法之一[1]。然而，在评定水库大坝安全性时风险分析法存在许多不足之处，如传统的风险分析法未考虑各隐患之间的相互影响，直接分析水库安全风险；专业技术人员利用风险分析法评分时具有明显的人为差异性，即评价结果受人为主观判断及随机性影响较大[2-5]。因此，本文利用模糊层次法改进传统的风险分析法，并利用改进后的方法分析铁岭县范家屯水库大坝安全性，以期为保证评判结果的科学合理性提供一定参考。

1 水库大坝安全性分析

1.1 安全隐患分析体系

充分风险分析法特点、工程实际和水库大坝(以土石坝为例)可能遇到的各种情况，系统分析导致土石坝隐患发生的因素和各种安全隐患，遵循科学性、系统性、层次性和可获取性等原则构建安全隐患分析体系，如表1。

1.2 划分评分标准

风险分析法是一种从最低层逐步向上一层总结归纳的定量分析方法，依据表2确定检测难度DDDR、故障发生概率OOPR和影响严重程度EESR各因素值，利用下式计算风险优先数RRPN，即：

表2 风险分析评分标准

1.3 模糊层次分析流程

对各安全隐患影响严重程度和发生频率利用模糊层次法进行分析，结合评分标准（表1）和风险矩阵权重计算方法构造判断矩阵，以系统层中内部安全隐患P为例，模糊层次分析流程如下[6-8]：

①构造因素集合P。根据表1中准则层所包含的结构异常破坏P1、坝基异常渗漏P2、材料变质老化P3三项因素，构造内部安全隐患因素集P：P=｛P1，P2，P3｝。

表1 水库大坝安全隐患分析体系

②构造评语集V。针对隐患发生概率OOPR和影响严重程度EESR构造内部安全隐患评语集V1、V2，其中V1=｛V11，V12，V13，V14，V15｝对应于极少、很少、偶然、时有和总是发生，V2=｛V21，V22，V23，V24，V25｝对应几乎无影响、轻微影响、功能损失、重大损失和严重后果。

③建立模糊评判矩阵R。依据实际情况和专家评价表确定各因素Pi评分pj：pj=nj/5，其中nj代表出现评语次数。针对因素集合P中的Pi，利用评语集V构造相应的评判向量ri=（p1，p2，p3，p4，p5），最终评判矩阵R的列和行为各个因素Pi及其评判向量ri。

④计算各因素权重。邀请领域内专家按照1～9标度准则（如表3）确定各安全隐患的相互影响程度，从而构造判断矩阵A=（aij）n×n。

为保证计算结果的科学性还要检验矩阵的一致性，利用下式计算除最大特征根以外其它特征值的平均值指标，以此反映矩阵的偏离一致性，即：

式中：CI、RI——矩阵的离散一致性程度指标值和平均随机一致性指标值，按表4确定RI值，以CR<0.10作为通过一致性检验的判定标准[9]。

表4 离散一致性指标值RI

⑤模糊综合评判。采用合成算子处理各因素权重矩阵W=｛ω1，ω2，ω3｝与判断矩阵R，从而确定水库大坝安全性评价子集B：

其中，bj=（ω1r1j+ω2r2j+ω3r3j）。

⑥确定水库大坝安全等级。结合《水库大坝安全评价导则》、安全隐患影响严重程度和发生频率评判结果，最终依据表5合理确定内部安全隐患等级[10]。

表5 安全等级评判标准

表31 —9标度准则

2 实例应用

2.1 工程概况

范家屯水库位于铁岭县凡河流域福利河中游，是一座以防洪、灌溉为主，兼旅游、养鱼等综合利用的小（I）型水库，控制集水面积27km2，坝址以上河长8.0km，平均比降4‰。水库总库容950万m3，兴利库容422万m3，拦河坝为均质土坝，保护下游2.19万人口和1.5万亩耕地安全。

2.2 安全隐患分析

该水库工程始建于1958年，属“三边”“三无工程”，通过现场检查以及对勘察资料和运行管理中出现问题的综合分析，范家屯水库大坝、输水洞、溢洪道在运行中已暴露出不同程度的质量问题，如大坝护坡块石风化严重、输水洞底板长期受水流冲刷，破损严重，输水洞闸门和启闭机不能正常工作且漏水严重、溢洪道进口两侧翼墙、消力池需维修等问题。从范家屯水库在运行中已暴露出的质量问题看，有的已影响工程安全的运用，故急需科学分析水库大坝安全性，为后期除险加固整治提供一定支持。

2.3 构造判断矩阵

根据水库大坝安全隐患分析体系（表1），对范家屯水库邀请水利工程领域内的5位专家进行评分，统计整理专家评分如表6。

表6 专家评分表

根据公式pj=nj/5和专家评分表，可以构造评语集V1所相应的评判向量ri和评判矩阵R1：r1=（0.3，0.5，0.2，0，0）、r2=（0.5，0.5，0，0，0）、r3=（0.5，0.2，0.3，0，0）。

同理，可以构造评语集V2所相应的评判向量ri和 评 判 矩 阵R2：r1=（0，0，0.6，0.4，0）、r2=（0，0.3，0.4，0.3，0）、r3=（0，0.4，0.6，0，0）。

2.4 计算因子权重

结构异常破坏P1、坝基异常渗漏P2、材料变质老化P3三项因素的相对重要度邀请5位专家评分，按照其中1位专家评分构造的内部安全隐患判断矩阵A如下：

采用前文所述公式计算（2）—（4）计算矩阵最大特征根，经一致性检验确定最终的权向量。同理，计算确定其他4位专家赋予的权重值和算数平均权重，如表7。

表7 内部安全隐患指标权重

2.5 模糊数学分析

采用合成算子处理各因素权重矩阵W=｛ω1，ω2，ω3｝与判断矩阵R，从而确定内部安全隐患发生频率和影响严重程度评判结果B1、B2，所对应的分布特征如图1。

从图1可以看出，针对铁岭县范家屯水库大坝内部安全隐患发生概率，认为极少发生、很少发生、偶然发生和时有发生的专家占比依次为36.5%、46.6%、10.2%、6.7%，认为总是发生的专家数为0，遵循最大隶属度原则可以认为很少发生内部安全隐患；针对铁岭县范家屯水库大坝内部安全隐患影响严重程度，认为几乎无影响、轻微影响、功能损失、重大损失、严重后果的专家占比依次为0%、26%、50%、24%、0%，遵循最大隶属度原则可以认为安全隐患会造成功能损失。综合考虑安全隐患影响严重程度和发生频率评价结果，依据等级评判标准最终评定铁岭县范家屯水库大坝达到B安全等级，该评价结果与安全鉴定结论保持高度一致。

图1 水库大坝内部安全隐患评判结果

3 结论

本文利用模糊层次法改进传统的风险分析法，有效解决了传统方法忽视各安全隐患之间相互影响以及存在一定主观性等问题，保证了评估结果的客观性和科学性，经权重计算使得评判结果具有更强的说服力。

采用改进的模糊层次风险分析法评价铁岭县范家屯水库大坝安全性，结果显示该水库大坝达到B安全等级，该评价结果与安全鉴定结论保持高度一致，对于水库大坝安全性分析该方法具有较强适用性与可行性。