基于未确知测度理论的土石坝施工安全风险评价

傅小孙，张秀琴，王会学

(1.新余市水利电力建筑工程有限公司，江西 新余 338000；2.江西国利工程项目管理有限责任公司，江西 南昌 330038；3.中国安能三局成都分公司，四川 成都 641000)

当前我国大坝总数约有10万座，其中土石坝约占大坝总数的90%[1-2]。土石坝作为大坝的一种重要坝型，无论数量还是分布范围都是最多的大坝。由于土石坝施工工期一般较长，并对上下游的社会经济稳定、民生发展、移民安排具有一定的影响。因此，为了保障土石坝的施工安全，对土石坝的施工风险进行评估则十分必要。目前，土石坝的风险评价主要集中在运行期，相关土石坝的安全风险评价的研究较多，如韩立炜等人采用FBWM-灰色聚类构建了土石坝安全评价模型[3]；罗日洪等人基于改进AHP-熵权法和群组决策对土石坝安全进行综合评价[4]；王亮等人则应用组合赋权-云模型完成了中小型土石坝的安全评价[5]。对土石坝施工期则主要集中在施工质量的控制和管理，如宗克强采用了组合赋权法分析计算各属性指标的权重，构建了安全风险-成本风险的综合评价模型，实现了度汛方案的决策优选目标[6]；黄龙等人从施工质量为切入点研究了碾压式土石坝的施工质量预警与决策体系[7]；葛巍基于WBS-RBS矩阵从知识维、逻辑维和时间维3个角度构建了土石坝风险动态评价指标体系[8]。

由上可知，土石坝的施工安全风险评价的工作涉及的因素比较多而且复杂，需要进一步深入研究。由于不同层级的土石坝安全评价指标比较难以统一刻画赋值，特别是定性指标。为了提高土石坝施工阶段的安全风险评价的结果精度，本文引入了未确知测度理论对评价指标进行赋值[9]。该理论可以较好地刻画评价指标的量值，已经较为广泛地应用在工程的风险评价[10]。如陈志强等人采用组合赋权和未确知测度理论研究了金矿采空区的安全性评价[11]；吴波等人基于未确知测度理论构建了公路隧道塌方风险评价模型[12]；王杰等人运用未确知测度理论提出了矿山边坡稳定性评价方法[13]。这些研究案例说明未确知测度理论具有较高的工程可靠度和适应性。特别地，在施工阶段不同层级下的各评价指标的权重较难确定。为了满足施工管理的快速变化的动态属性，需要一种高效快速确定权重的方法。在众多主客观权重的方法，专家打分法是较为简洁高效的方法，而且该方法在大坝评价中应用较多[14]。因此，本文采用多位专家进行打分综合确定指标的权重。综上所述，本文采用未测度理论对影响施工安全的定性指标和定量指标进行赋值；根据土石坝的施工性态，构建土石坝施工安全评价体系，采用专家打分法确定各指标的权重，从而可以计算土石坝施工安全风险等级，并对风险评价结果进行置信判定。该评价模型可以给类似工程提供新的研究思路。

1 建立土石坝施工安全风险评价模型

1.1 未确知测度理论

为了解决工程中对不同变量的描述和赋值的难题，王光远提出了未确知测度理论[9]。该理论能够较好地对定性指标进行刻画。由于土石坝施工是一个较为复杂的体系，需要对各个影响因素进行赋值。因此，可以采用未确知测度理论对影响土石坝施工安全的指标进行赋值。

(1)

(2)

1.2 土石坝的施工安全评价指标体系

综合考虑影响土石施工安全的风险因素，建立土石坝施工安全的评价指标体系及其对应的风险等级，见表1。

1.3 土石坝施工的安全评价风险等级

对土石坝施工安全的风险等级取5个等级，各风险等级及其取值范围见表2。

对于影响土石坝施工安全的二级指标的权重，采用专家打分法进行确定。由于专家打分法具有一定的主观性，为了提高专家打分法的准确度，邀请多位专家分别对各指标的权重进行打分，对专家打分的结果进行归一化取平均值后为各指标的权重。

1.4 评价等级的置信判别方法

1.5 土石坝安全风险评价的基本流程

综上所述，土石坝施工的等级评价的实现基本流程为：

步骤①：收集土石坝施工的基本资料，根据现场施工情况，确定施工安全的评价指标；

步骤②：构建土石坝安全施工的评价体系；

步骤③：应用未确知测度理论，对评价指标进行赋值；

步骤④：多位专家对评价指标进行综合打分，确定指标权重；

步骤⑤：判别施工安全的风险评价结果的置信度；

步骤⑥：判定土石坝施工安全的风险等级。

2 工程实例

2.1 工程概况

某土石坝处于施工阶段，该工程位于华南地区，工程等级为三等，水库大小为中型，坝体结构为沥青混凝土心墙土石坝。上下游围堰采用土石坝方式，防渗方式采用土工膜，大坝的施工进度已经到最大坝高的40%。

2.2 未确知测度函数及指标赋值

由未确知测度函数理论可知，土石坝施工安全的风险评价指标的测度函数如图1所示。

图1 土石坝施工安全评价指标的测度函数

根据土石坝施工的现场报告和情况，土石坝施工安全评价指标的量值见表3。

表3 土石坝施工安全各评价指标的量值

将表3中的评价指标的量值代入对应的测度函数，可以得到该土石坝施工安全的风险评价矩阵：

由3位专家根据该坝的运行情况和监测资料对各项影响指标进行打分，取3位专家的权重的平均值得到各评价指标的平均权值，再进行归一化得到指标权重，具体结果见表4。

表4 大坝各评价指标的平均权值及权重

2.3 土石坝施工风险等级的评价结果

由3.2的评价矩阵和表4土石坝施工安全的各评价指标的权重，能够得到大坝风险等级的评价矩阵{0.238，0.475，0.275，0.012，0}，各风险等级的概率见表5。

表5 土石坝安全风险评价结果

根据置信准则对该土石坝施工安全的风险等级进行校核。本文取λ=0.5，由此风险等级从低到高0.238+0.475=0.713>λ=0.5，该坝的施工安全风险的等级定为Ⅱ级；风险等级从高到低为0+0.012+0.275+0.475=0.762>λ=0.5；故该坝的施工安全风险的等级确定为Ⅱ级。此外，现场该大坝的施工质量及安全鉴定结果为施工质量合格，总体安全，和本文的风险等级评价结果相一致，说明该评价方法的结果能够满足工程的需要。

3 结语

本文结合未确知测度理论构建了土石坝施工安全风险的定级方法，结论如下。

(1)未知测度理论能够对土石坝施工安全的因素指标进行刻画和赋值，土石坝施工安全风险评价体系能够较为全面地描述大坝的施工状况，可以进一步提高土石坝施工安全评价的准确度。

(2)由工程案例可知，该土石坝施工安全风险评价结构与大坝安全鉴定的结论相一致，说明该评价方法具有较好的工程应用价值，可以对同类土石坝施工安全进行风险评价。

(3)由于监测数值可以直接表征大坝的安全水平，在大坝建设后期可以根据监测仪器的数据设定客观权重，使评价结果更贴合大坝实际情况。