水閘安全評價體系與模型構建

樓力律 王 瑜 朱 晗

(1.河海大學機電工程學院，江蘇常州 213022;2.云南經濟管理職業學院工程學院，云南昆明 650106;3.昆明三維建設工程有限公司，云南昆明 650224)

0 引言

到目前為止我國擁有水庫大壩8.7萬余座，是世界上水庫大壩最多的國家之一[1]。這些工程大多數修建于二十世紀六七十年代，由于工程的自然老化及運行管理不當，水庫險情不斷涌現。在水庫的安全鑒定工作中，閘門及啟閉機的安全作為金屬結構安全鑒定的一項主要組成部分，是水庫安全鑒定中的重要環節。然而目前就水閘及啟閉機的鑒定方法仍以現場檢驗及專家評判為主，尚未形成一套較為全面的評價體系及評判模型，不能就水閘及啟閉機的實際安全狀態做出合理的安全評價。通過篩選與水閘安全關系緊密多項指標，采用定量與定性方法為各指標評分，并結合G1法進行賦權，最終建立了水閘安全性態評價模型，對水閘的安全性態作出了較為合理評價。

1 評價體系構建

1.1 評價指標的選取

閘門與啟閉機系統比較復雜，危及其安全質量的因素眾多，內外因交錯。針對閘門與啟閉機系統的破壞機理，在分析眾多實際工程項目影響因素及參考部分文獻的基礎上，深入分析各主要因素指標對閘門與啟閉機安全的影響，初步建立了一套評價較為全面且可操作性較強的體系[3]，見圖1。

1.2 評價指標定量化

從相應的規范、人的心理活動和實踐經驗來看，將評價指標的評價等級確定為五級:

V={V1，V2，V3，V4，V5}={正常，基本正常，輕度異常，重度異常，惡性失常}。

對應五級指標采取[0，1]區間量化評價指標，可以采用系統工程中的等區間劃分法來劃分等級:

V={V1，V2，V3，V4，V5}={[0.8，1.0]，[0.6，0.8)，[0.4，0.6)，[0.2，0.4)，[0，0.2)}，量化評價指標值最大取 1。

圖1 評價指標體系圖

1.2.1 結構穩定指標量化評價

結構穩定指標包括:防洪能力標準C11、消能防沖能力(過流能力)C12、閘基滲流穩定性評價C13、結構或構件的穩定評價C14和結構或構件的承載能力評價C15。各指標的計算和參數的含義見表1。

表1 結構穩定指標公式及參數含義

1.2.2 運轉狀況指標量化評價

閘門與啟閉機運轉狀況指標包括閘門過水能力C21、閘門的擋水能力C22、閘門及啟閉機的控制能力C23和管理養護水平C24。

指標C21和C22的計算和參數的含義見表2。

表2 運轉狀況指標公式及參數含義

閘門及啟閉機的控制能力指標C23在評定時應綜合檢測閘門及啟閉裝置銹蝕深度、門槽側軌磨損度、啟閉力增大程度等多項指標進行考量。而管理養護水平C24應綜合考慮水閘定期維護及保養，管理規章制度編制是否全面合理，人員培訓及管理水平能否滿足要求進行評價。

1.2.3 耐久性指標量化評價

耐久性指標包括混凝土強度指標C31、混凝土老化病害指標C32、設計、制造、安裝缺陷度指標C33和壽命指標C34。其中指標C31可取現場檢測混凝土實際強度和原混凝土設計強度的比值。指標C32在評價時，需要根據實際工程老化病害的主要因素，對混凝土結構的裂縫、碳化深度、鋼筋銹蝕程度進行現場檢測;對水下結構的氣蝕、侵蝕與剝蝕程度進行測量，進行量化評價。指標C33的評價要檢查閘門和啟閉機在設計、制造與安裝過程中是否存在缺陷，要對缺陷的嚴重程度進行量化評價。指標C34取實際能夠運行的年限和設計年限的比值。

1.2.4 水利因素指標量化評價

水利因素指標包括效益指標C41和設備的有效利用率指標C42。其中指標C41取目前已經獲得的效益和原設計預期效益的比值。指標C42的評價要考慮各個設備是否已經得到充分利用，并根據利用程度進行評分。

1.3 評價指標的權重分配

對指標權重采用G1法賦值:指標集中選出m個指標中最重要的一個指標，記為X*1;余下的m－1個指標中選出最重要的一個指標，記為X*2;依次類推，經過m－1次挑選剩下的評價指標記為Xk。專家對相鄰指標Xk－1與Xk之間的重要程度之比用rk=Wk－1/Wk來表示，其中，Wk為第k個指標的權重，k=m，m－1，…，3，2。rk首先由各個專家獨自判定，然后取其平均值。當指標數量m較大時，可以取最次要指標rm=1[4]。

此外，易知:

rk的賦值可以參考表3。

顯然有:

1.4 最終綜合評分值

通過G1法賦值，可求得各級評價指標權重。將二級評價指標評分值通過加權求和，可以計算出一級指標的各項評分值A。用一級指標中的各項權重ω與其評分值進行加權求和，可求出最終的水閘綜合評價值。其計算公式為:

其中，ωs，ωr，ωd，ωw分別為一級指標結構安全、運轉狀況、耐久性及水利因素的權重，相應的A值表示該項的綜合得分。

表3 賦值參考表

2 實例應用

以某水庫大壩泄水閘門為例，閘門已運行15年，現場檢查閘門銹蝕、磨損，銹蝕厚度2 mm～4 mm，磨損厚度達1 mm～5 mm。閘門啟閉不靈活且閘門存在漏水，放水十分困難，經濟效益難以充分實現。

按文中所提方法分別對第二層指標評分并賦權求得第一層指標的評分值分別為:As=0.37，Ar=0.48，Ad=0.51，Aw=0.67。相應的一級指標權重分別為 0.52，0.15，0.25 和 0.08。按照式(4)計算得到其綜合得分S=0.45。按評價等級五級劃分，該計算值處于區間[0.4，0.6)，故最終認定為“輕度異常”。

3 結語

在篩選水閘實際工作中與其安全狀態關系緊密的指標基礎上，采用定量與定性方法為各指標評分，并結合G1法進行賦權，最終建立了水閘安全性態評價模型，對水閘的安全性態進行了合理評價。

通過實例計算表明該評價模型計算結果與《水庫大壩安全評價導則》的鑒定結果一致，說明該評價體系及模型能夠較為合理的對水閘的安全性態作出評價。

[1]孫繼昌.中國的水庫大壩安全管理[J].中國水利，2008(20):10-14.

[2]胡友安，樓力律，顧文斌.水工啟閉機設計及工程實踐[M].北京:中國水利水電出版社，2011.

[3]郭 慶.在役水利水工閘門與啟閉機的安全評價[D].武漢:武漢大學，2005.

[4]遲國秦，祝志川，張玉玲.基于熵權——G1法的科技評價模型及實證研究[J].科學研究，2008，26(6):1210-1220.