观音阁水库大坝安全健康状态评价

龚 祖

(昌图县水利勘测设计有限公司,辽宁 铁岭 112500)

我国是拥有水库数量和水库溃坝数量最多的国家,并且绝大多数水库修建于20世纪50～70年代,受限于当时经济发展和施工技术条件大多存在工程质量差、防洪不达标等问题,加之后期运行管理和维修不当,,一旦失事必然导致严重后果[1]。因此,调查评估水库大坝的风险问题及其安全状态,对于水库除险加固和资源的合理分配、利用具有重要意义。

为了规范鉴定工作的标准、方法、内容及保证鉴定质量,有关部门综合考虑防洪能力、运行管理和安全系数复核等因素制定了《水库大坝安全评价导则》,使评价水平得到了明显提升[2]。然而,在实际鉴定过程中该导则还存在一些不足,如评价方式主要是定性判断,决策易出现分歧或争议;决策时没有突出各部分的重要程度,未考虑权重因素。此外,影响大坝安全的许多复杂因素存在较大的模糊性,难以用确定性方式分析其输出输入关系。为解决以上问题,工程界和学术界使用风险评估法、模糊数学法、专家评分法及层次分析法等评价安全状况[3-5]。其中,层次分析法作为辅助手段,主要侧重于指标权重的计算和排序,通过定量判断相对重要性和数学表达人的主观判断,实现决策过程及其定性判断的数量化,现已广泛应用于多因素系统问题研究[6]。模糊综合评判主要是考虑数学计算和指标权重实现复杂系统问题的线性模糊化处理,从而反映整体状况[7]。有学者利用多层次的目标体系和模糊理论评价了监测指标体系,优化改进判断矩阵的一致性检验方法,选用熵权法改进权重以保证评价结果的客观性等[8-10]。这些研究为水库大坝安全鉴定领域中模糊数学理论和层次分析法的推广应用奠定了基础,但是在具体使用时还存在深度较浅、广度不足等问题[11]。另外,采用模糊数学理论确定隶属函数缺少依据,由于定性因素较多计算的隶属度无法客观真实反映实际情况。因此,文章从社会经济和结构安全等方面建立评价体系,将模糊数学理论与层次分析法相结合评价观音阁水库大坝的健康状态,该方法既考虑了主观判断的不确定性又避免了一致性检验计算,保证了权重计算的有效科学性,计算的隶属度体现了不确定性和模糊性,使得计算结果更加客观合理,更真实地反映水库大坝安全实际情况。

1 建模分析

1.1 综合评价体系

总体上,可以将水库大坝安全的影响因素划分成社会经济和结构安全2类,遵循系统性、代表性、简约性和可操作性等原则进一步细化各类因素,如表1所示。

表1 水库大坝安全评价体系

1.2 建模流程

步骤1:设影响大坝安全的因素有m个,可采用合适的评语描述每一种因素,从而构建相应的评语集U:

U={u1,u2,…,uj…,um}

(1)

式中:uj为第j个评语,采用专家咨询法和主观经验判断法确定每一个评语。为反映优劣程度将其划分成n个等级,从而构建等级评语集V:

V={v1,v2,…,vi…,vn}

(2)

式中:vi为第j个评价等级,每个评语uj对任一等级vi都存在一个隶属度rij,可以将该评语的所有等级隶属度构成模糊向量Y′,其表达式为:

Y′={r1j,r2,j…,rij…,rnj}

(3)

(4)

(5)

式中:aj为第j个评语权重。

(6)

2 实证研究

2.1 工程概况

观音阁水库建于太子河干流上,总库容21.68亿m3,控制面积2 795km2,并与下游葠窝水库形成梯级开发。观音阁水库承担着防洪、灌溉、城市供水、水产养殖及水力发电等多种任务,水库大坝按设计任务要求,由挡水(共分65个坝段,坝顶长1040m)、溢流(BL15#～27#,总长208m)、底孔(13#、14#坝段,全长32m)及电站坝段组成(8#、9#坝段,全长35m),拦河坝为碾压混凝土重力坝,坝体剖面为“金包银”型式,坝体内共设有三层廊道及隧洞。根据太子河流域水库工程的实际情况,确定葠窝、汤河和观音阁三座大型水库除直接供水给本溪、鞍山、辽阳和营口等市部分工业及城市生活用水外,尚应联合运用,共同补偿区间供水。观音阁水库作为补偿水库,除直接供给本溪、鞍山、辽阳三市工业及城市生活用水外,再补农业灌溉用水的联合运用方式较优[13-15]。

2.2 等级划分

为了反映每个评语的优劣程度,结合水库大坝的具体情况将评判结果划分成5个等级,对于不同等级每项评语的优劣程度如表2所示。

表2 各项评语的优劣程度

2.3 结果分析

采用相关公式定量计算评价体系中可以量化的指标权重,对难以定量预测的指标可以选用层次分析法、专家小组集体讨论投票表决法、专家征询法以及主观经验判断法等确定指标权重。为保证水库安全评价的公正、科学和客观性,研究选用层次分析(AHP)与专家征询相结合的方法,通过集中统计多位专家打分值和意见计算确定指标权重,具体流程如下:

1)结合各层次和指标间的关系建立判断矩阵,由层级A与B中的2个参数可已建立判断矩阵A,由系统层B中的2个指标和指标层C中的10个指标构造两个判断矩阵B1、B2,如表3所示。

表3 判断矩阵

2)总权重集。研究选用方根法计算上、下层次中的指标权重,总权重利用上下层权重的乘积确定,并考虑技术员和专家意见确定正常工况下各指标权重集,如表4所示。

表4 水库大坝安全评价指标权重及隶属度

3)计算隶属度。采用下式计算关于等级vi评语uj的隶属度rij,即:

(7)

式中:∈为评语uj隶属于等级i的次数;n为样本数量,可见隶属的样本数量越多则rij的代表性越好。通过调查统计专业技术人员的评价结果和领域内专家意见,合理确定大坝安全各项指标隶属度如表4所示。

3 结 论

本研究从社会经济和结构安全等方面选择10个指标构建评价体系,将模糊数学理论与层次分析法相结合评价观音阁水库大坝安全状态。结果表明,观音阁水库大坝总体处于良好状态,这与二类坝的安全鉴定结论相一致。该水库大坝整体质量和运行状况较好,工程结构安全稳定,未发现明显不利影响因素,评价结果可以客观真实地反映水库大坝实际运行情况,所构建的评价体系和多层次模糊评价法表现出较强的可行性及可靠性。