基于灰色置信結構的FMEA的土石壩潰壩風險分析及應用

張振偉,申　思,彭高輝

(華北水利水電大學,河南鄭州450011)

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基于灰色置信結構的FMEA的土石壩潰壩風險分析及應用

張振偉,申思,彭高輝

(華北水利水電大學,河南鄭州450011)

摘要：為有效識別土石壩潰壩的關鍵風險事件,針對傳統的土石壩潰壩風險分析中選取風險因素單一和無法準確描述專家經驗信息的不確定性,運用置信結構和灰色關聯度理論,提出了基于灰色置信結構的故障模式和影響分析(FMEA)方法和土石壩潰壩故障模式清單,并運用在溝后水庫潰壩風險分析中。結果表明：風險分析結果與實際潰壩情況相符,灰色置信結構很好地描述專家經驗信息中的不確定性,改進了傳統FMEA方法風險排序部分的不足。

關鍵詞：土石壩潰壩；故障模式和影響分析(FMEA)；置信結構；灰色關聯度；

0前言

目前已有不少學者對土石壩潰壩風險進行了研究,例如：樓珍楨等[1]建立大壩漫頂風險分析模型,并利用蒙特卡羅方法進行計算分析,為大壩安全評價提供支持；王志濤等[2]基于模糊數學的理論,建立了土石壩風險綜合評模型,為土石壩的除險加固提供理論依據；李傳奇等[3]綜合考慮泄洪能力的不確定性及水庫調度規則,利用LHS-MS方法評估了洪水和風浪作用下大壩的漫頂風險,較全面地評價了洪水和風浪不確定性因素對大壩防洪安全的影響；廖井霞[4]結合貝葉斯網絡和事件樹方法進行的土石壩潰壩風險分析,可更加高效地進行土石壩失事概率分析。相關研究多是針對某個單一因素進行了風險分析,但由于土石壩潰壩的原因復雜且具有很強的關聯性,有的研究雖然對所有土石壩潰壩因素進行了綜合評價,但由于無法準確描述專家經驗信息的不確定性,使土石壩潰壩風險分析具有一定的局限。針對以上問題,本文采用改進后的故障模式和影響分析(FMEA,FailureModeandEffectsAnalysis)方法對土石壩潰壩因素進行綜合風險分析。該方法基于灰色置信結構,有效的處理風險評價信息并列出土石壩潰壩故障清單,提高FMEA方法風險評價的準確性。

1基于灰色置信結構的FMEA方法

1.1基本原理

1.2步驟

(1)將評價等級用模糊集合表示,即

V={V11,V22,V33,V44,V55}={很低,低,中等,高,很高}

(1)

(2)

(2)結合文獻[7]中運行中土石壩的潰壩原因及文獻[8]中提出的項目風險評點法中致命度評點法的評點要素的制定方法,制定運行中土石壩潰壩風險分析的評價要素：①F1為風險對大壩潰決造成的影響的嚴重程度；②F2為風險對大壩及附屬結構的滲流穩定造成的影響的嚴重程度；③F3為風險對大壩及附屬結構的結構穩定造成的影響的嚴重程度；④F4為風險對大壩及附屬結構的質量造成的影響的嚴重程度；⑤F5為風險發生的概率。

表1風險模糊評價等級

語言變量模糊數很低(0,0,1,2)低(1,2,3,4)中等(3,4,6,7)高(6,7,8,9)很高(8,9,10,10)

表2評價要素的模糊權重

語言變量模糊數很低(VL)(0,0,0.2)低(L)(0.1,0.3,0.5)中等(M)(0.3,0.5,0.7)高(H)(0.5,0.7,0.9)很高(VH)(0.8,1,1)

(3)

式中,vij為文獻[9]中提出的去模糊化公式得到的明確值；βij(fk,rm)為專家K對故障模式fk關于評價價要素rm的置信度。

(4)由式(4)計算每個故障模式的各個評價要素的灰色關聯度,即

(4)式中,X0(m)為參考矩陣,由各個評價要素的理想水平確定；Xk(m)為比較矩陣,由vij構成；γ(X0(m),Xk(m))為每個故障模式的各個評價要素的灰色關聯系數,計算公式見式(5)；ρ為分辨系數,取ρ為0.05[10]。

k=1,…,K;m=1,…,M

(5)

針對傳統FMEA方法無法表述相鄰評價等級與計算風險等級的缺陷,基于灰色置信結構的FMEA方法用置信結構表示專家對評點要素的評估,并對各故障模式的灰色關聯度進行風險排序。

2應用實例分析

2.1工程概況

溝后水庫[11]位于青海省海南藏族自治州,在黃河支流恰卜恰河的上游,控制流域面積198km2,多年平均流量0.4m3/s,為高原干旱地區。壩高71m,大壩為砂礫石面板壩。總庫容330萬m3,正常蓄水位3 278m,為四等小(1)型工程,大壩提高至3級建筑物設計。

2.2風險識別

根據文獻[11]中溝后水庫潰壩前的運行情況,針對土石壩各部分存在的風險,形成故障模式分析清單,見表3。由5個專家進行評分,每位專家的權重依次為0.30,0.25,0.20,0.15,0.10。本文選取有代表性的4個故障模式的評價要素的綜合評價信息,見表4。

表3故障模式清單

主要組成部分故障模式編號風險事件壩頂1超標準洪水入庫2壩頂高程不夠3設計考慮泄洪能力不足4防浪墻底座澆筑時發生裂縫且未處理徹底壩體5壩體不均勻沉降產生裂縫6壩體質量差存在裂縫7由于白蟻形成的漏水通道8大壩整體穩定性差,現狀強度指標不夠壩坡9壩坡過陡造成滑坡10浸潤線過高造成滑坡11運行中上游水位發生驟降排水設施與防滲體12排水系統損壞或缺少排水措施13防浪墻基與面板連接處止水失效14混凝土面板接縫止水處理不符合要求15防滲帷幕設計或施工不符合要求壩基16施工時清基不徹底或未處理17基巖固結灌漿質量不符合要求18地質勘探不夠準確隧洞19隧洞所在山體發生不均勻沉降20隧洞的洞身質量不達標或與壩體之間無可靠地阻水圈防滲21壩體和隧洞之間結合部位填筑質量差運行管理22監測技術落后或缺少監測設施23管理人員盲目蓄水,擅自抬高汛限水位24監測點設置不準確

表4置信結構的置信度

評價要素故障模式1212F1(V15,0.015),(V44,0.50)(V45,0.25),(V55,0.235)(V33,0.90),(V44,0.10)(V33,0.20),(V45,0.50),(V55,0.30)F2(V22,0.50),(V23,0.15),(V24,0.25),(V34,0.10)(V22,0.85),(V23,0.15)(V34,0.25),(V35,0.30),(V44,0.30),(V45,0.15)F3(V34,0.25),(V44,0.35),(V45,0.30),(V55,0.10)(V22,0.90),(V23,0.10)(V35,0.25),(V44,0.30),(V45,0.20),(V55,0.25)F4(V33,0.90),(V44,0.10)(V11,0.75),(V12,0.25)(V44,0.25),(V45,0.55),(V55,0.20)F5(V11,0.645),(V22,0.355)(V23,0.35),(V33,0.65)(V33,0.20),(V34,0.25),(V44,0.55)

將置信度進行去模糊后,可以得各評價要素的明確值。利用式(4)～式(5)得到每個故障模式的灰色關聯度,根據灰色關聯度進行風險等級排序,見表5。

由表5可以看出,改進后的FMEA方法分析得出的溝后水庫潰壩的高風險事件是：①防浪墻底座澆筑時發生裂縫且未處理徹底；②排水系統損壞或缺少排水措施；③防浪墻基與面板連接處止水失效；④混凝土面板接縫止水處理不符合要求。結果與文獻[11]中分析的引起溝后水庫的最終潰壩的原因一致,證明了在土石壩潰壩風險分析中運用改進的FMEA方法可行。

3結論

本文提出了將基于灰色置信結構的FMEA方法應用于土石壩潰壩風險分析,解決了傳統土石壩風險分析中選取風險因素單一和無法準確描述專家經驗信息的不確定性的問題,改進了傳統FMEA方法風險排序部分的不足,改進后的FMEA方法可根據土石壩運行情況,賦予評價要素不同權重,使得土石壩潰壩風險分析更實用,更具靈活性。

土石壩潰壩原因復雜,本文從將整個土石壩當作一個系統的角度,基于土石壩各組成部分,從滲流、壩體質量及壩體穩定性三個方面,建立了一套故障模式清單,實例應用中,運用改進的FMEA方法進行風險分析,找出了土石壩潰壩的關鍵風險,與實際潰壩情況相符。該清單也可以為不同地區土石壩的風險分析提供參考。

表5故障模式風險評價信息

故障模式F1F2F3F4F5灰色關聯度風險等級10.7510.3930.6990.5210.1880.328520.5210.3130.3060.1620.4770.4641430.5920.3580.4210.1980.1710.4401240.5990.5950.6010.6570.5900.268450.4870.3710.3750.3650.1900.421660.3730.3700.5170.4380.1710.426970.3410.4870.3410.3240.2850.4311080.4350.3000.5170.2520.3480.425890.2960.2350.3550.2870.1950.55021100.3550.3480.3690.2870.2680.45913110.2520.2300.3290.1790.1950.61724120.7320.6470.7300.7590.6310.2331130.6790.6360.6590.5930.7590.2472140.7540.6860.4390.7200.6350.2573150.2820.3940.3130.2030.1910.53218160.4590.2930.4560.3010.2480.43411170.3170.3130.3100.3710.2680.48715180.2890.3480.3410.3410.2270.49216190.3340.2970.3820.2870.1870.50017200.2710.2840.1950.2380.2500.60023210.2800.3240.3650.3230.1340.53320220.3070.2920.3130.2840.1820.53219230.3130.2660.2510.2270.1710.58122240.4280.3840.3200.2920.4220.4217要素權重0.320.260.220.110.09

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(責任編輯王琪)

收稿日期：2015- 04- 23

基金項目：河南省高校科技創新人才支持計劃資助(15HASTIT0-46)；河南省科技攻關項目資助(152102110095)；河南省高等學校重點科研項目資助(15A570008)；鄭州市科技人才隊伍建設計劃-科技創新團隊(131PCXTD595)

作者簡介：張振偉(1973—),男,河南周口人,副教授,從事于水資源可持續利用、區域水資源優化配置、工程管理等方面的研究．

中圖分類號：TV641

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0061- 04

RiskAnalysisofEarth-RockDamFailureBasedonanImprovedFMEAUsingGreyConfidenceStructureandItsApplication

ZHANGZhenwei,SHENSi,PENGGaohui

(NorthChinaUniversityofWaterConservancyandElectricPower,Zhengzhou450011,Henan,China)

Abstract:For indentifying the key risks of earth-rock dam failure effectively, and solving the selection of single risk factor and the uncertainty of expertise information in traditional risk analysis of earth-rock dam failure, an improved failure mode and effect analysis (FMEA) method based on grey confidence structure which combines with confidence structure and grey theory and a list of failure modes of earth-rock dam failure are presented. The method is applied in risk analysis of Gouhou Reservoir. The results show that the analysis is consistent with actual dam failure. The grey confidence structure can describe the uncertainty of expertise information and improve the risk ranking of traditional FMEA．

Key Words:earth-rock dam failure; failure mode and effect analysis (FMEA); confidence structure; grey correlation