基于未確知測度及層次分析法的土石壩安全綜合評價

費小霞，李 乾，李 鋒

(1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州450002；2.華北水利水電大學，河南鄭州450011)

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基于未確知測度及層次分析法的土石壩安全綜合評價

費小霞1，李 乾2，李 鋒2

(1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州450002；2.華北水利水電大學，河南鄭州450011)

從決策者的主觀角度考慮，針對決策者在土石壩的風險因素間比較判斷中的主觀性和未確知性，建立了基于未確知測度及層次分析法的土石壩安全綜合評價模型，并以洪河水庫土石壩工程為例，驗證了該模型在評價過程中的合理性及有效性，為土石壩安全管理決策提供了一種新的方法。

土石壩；安全綜合評價；未確知測度；層次分析法

我國是世界筑壩大國，在已建成的水庫大壩中，土石壩所占比例達90%以上[1]。受不同時期技術、經濟、環境等不確定性因素的影響，相當一部分運行多年的土石壩產生了各種病險隱患。近年來，我國開始對病險水庫分批次地進行除險加固工作。為了保證除險加固資金的合理分配及有效使用，必須對水庫病險狀況進行科學準確的判斷，區分清輕重緩急，分期分批合理投入。因此，必須全面了解大壩安全現狀及存在的問題，對大壩進行科學、合理的安全綜合評價，采取相應措施保障大壩的安全運行，以降低或消除水庫潰壩的風險。梅亞東、談廣鳴[2]從防洪安全、防洪風險標準等方面對大壩的防洪風險進行了研究；李玉欽[3]利用ANP建立了水電工程綜合評價模型，討論了基于費用、進度、質量的安全綜合評價體系；劉亞蓮、周翠英[4]將模糊數學運用到了水庫的安全綜合評價中；王仁鐘、李雷等[5]通過對多個水庫的調查分析，在潰壩風險標準方面提出了見解。由于許多風險因素難以用定量方法計算，各個因素的權重受人為因素的影響較大，往往由于決策者的風險偏好而改變評價結果，使現有的安全綜合評價方法的應用受到限制。

王光遠院士從決策者的主觀偏好出發，提出了未確知性這種數學分析方法[6- 7]，認為事物本身是客觀存在的，但由于決策者受自身認知能力的限制，不能完全把握事物真實狀態和數量關系，產生純主觀認識上的不確定性即為未確知性。本文利用未確知理論和層次分析法，建立土石壩工程安全綜合評價模型，以期對土石壩進行客觀評價。

1 土石壩安全綜合評價指標體系

1.1 評價指標體系建立

影響土石壩安全運行的風險因素復雜多樣。就壩體本身來說，有材料性能、量測信息、幾何尺寸及荷載等多種影響因素；就工程運行而言，還有問題反饋、信息傳遞等主客觀影響因素。這些因素都會對決策的正確性有所影響。安全評價指標體系是土石壩系統安全評價成果科學、合理、可靠的關鍵，需要遵循科學性、代表性、可操作性及定性定量相結合的原則擬定安全評價指標，由此建立安全評價指標體系。本文結合SL 176—2007《水利水電工程施工質量檢驗與評定規程》和SL 258—2000《水庫大壩安全評價導則》，建立了土石壩安全綜合評價指標體系，其框架結構見圖1。

圖1 土石壩安全綜合評價指標體系框架結構

1.2 評價指標等級劃分

依據SL 258—2000和能源電[1988]37號文《水電站大壩安全檢查實施細則》，大壩綜合評價結果分為正常壩、病壩、險壩3類，并且均有相應說明。由于相關規范中正常壩的劃分范圍很寬，有時會將能夠正常運行但局部存在風險因素的大壩涵蓋進去。考慮到土石壩安全綜合評價結果的可靠性，本文參考文獻[8]，將安全評價集分為正常、基本正常、輕度異常、重度異常、惡性異常等5級，相應的安全評價等級向量T=(t1、t2、t3、t4、t5)。

2 實例分析

鞏義市洪河水庫位于伊洛河支流，屬小(1)型水庫，控制流域面積13.2 km2，總庫容258萬m3，現狀壩頂高程39 m，至今已運行50余年。現場調查發現存在壩體滲漏，庫區嚴重淤積，防洪標準不足，輸水渠道老化坍塌，無水文預報系統，水位、流量觀測設施陳舊落后等一系列問題。

2.1 劃分指標并確定指標權重

采用層次分析法(AHP)確定指標權重。層次分析法依據直接優勢度原則獲得判斷矩陣，即在同一準則下元素間兩兩比較，一般采用風險因素兩兩比較并賦分的1～9標度法來估計因素之間的相對重要性。B層的判斷矩陣A為

式中，aij為以A層為判斷準則，B層要素i對要素j的相對重要度。為了避免風險因素兩兩比較時存在a>b,b>c,c>a這樣的邏輯錯誤，排序完成后需要進行一致性檢驗。

上述步驟完成后，求出判斷矩陣的特征值及特征向量，公式如下

式中，wi(i=1,2,…,nb)即為所求權重值。

根據以上步驟，計算得到各指標權重(見表1)。

表1 各指標權重

風險因素權重風險因素權重壩基質量0054防洪能力0093壩體填筑質量0069壩體變形0062生物隱患0025背水坡滑坡0056壩坡完整性0063庫岸穩定0037泄洪建筑物質量0066異常滲流0059防滲體等級0024排水設施0090調度管理0039滲流坡降0016現場檢查0042暴雨0044養護維修0055金屬結構0033泄洪安全0060地震0013

2.2 單指標測度確定

土石壩安全綜合評價指標分為定性指標和定量指標2種。其中，定量指標可以按照實測值及計算分析值，依據未確知測度函數進行計算；定性指標則是對土石壩的運行情況進行現場調研，由專家打分而得，打分值需要帶入未確知測度函數進行處理。

定量指標以滲透坡降風險因素為例加以分析。采用實際出逸坡降與允許出逸坡降之比k=J實/J允。滲透坡降安全等級評價準則見表2。

表2 滲透坡降安全等級評價準則

評價系數K評價等級Tk≥13(k1)惡性異常(t5)k=12～13(k2)重度異常(t4)k=11～12(k3)輕度異常(t3)k=10～11(k4)基本正常(t2)k≤10(k5)正常(t1)

依照SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規范》中滲流計算的方法，對洪河水庫進行滲流計算。從計算結果看，壩坡最大出逸比降在大壩填土允許值范圍內。滲透坡降單指標未確知測度函數見圖2。滲透坡降的單指標測度向量為(0.95，0.05，0，0，0)。

圖2 滲透坡降未確知測度函數

定性指標以養護維修風險因素為例。養護維修是依據相關規范及水庫管理部門的規章制度，對水工建筑物、閘門、機電設備、照明設施等進行經常性的養護工作，并定期進行檢修，以保持工程完整和設備完好。養護維修單指標測度評價等級見表3。

表3 養護維修安全等級評價準則

管理現狀X評價等級T大部分沒有按要求執行20%(x1)惡性異常(t5)有較多部分沒有按要求執行40%(x2)重度異常(t4)有少數幾個沒有按要求執行60%(x3)輕度異常(t3)上述內容基本能按要求執行80%(x4)基本正常(t2)上述內容均健全執行>80%(x5)正常(t1)

洪河水庫工程維修養護和閘門啟閉設施維護實行定崗、定人、定責的目標責任制管理。依據相關規范及規章制度，定期對大壩進行檢查，對存在的隱患及時分析研究，并制定有針對性的解決方案。養護維修單指標未確知測度函數見圖3。養護維修的單指標測度向量為(0.8，0.2，0，0，0)。

圖3 養護維修未確知測度函數

通過對各個元素層每個風險因素的分析，最終得到洪河水庫土石壩安全綜合評價單指標未確知測度(見表4)。

表4 各個風險因素單指標未確知測度

風險指標惡性異常重度異常輕度異常基本正常正常壩基質量0901000壩體填筑質量007502500生物隱患0000307泄洪建筑物質量003506500壩坡完整性035065000防滲體等級0002080調度管理0000208現場檢查情況0005050養護維修0000208泄洪安全0070300防洪能力00754024600壩體變形006603400背水坡滑坡10000庫岸穩定007502500異常滲流045055000下游沖刷015085000滲透坡降000005095暴雨006403600金屬結構033067000地震0000208

3 安全綜合評價

土石壩安全綜合評價未確知層次分析法模型是在滿足歸一性要求，同時評價空間有序分割的基礎上判斷土石壩安全等級，在一定程度上解決了模糊綜合評價中最大隸屬度原則會使評價結果有失真的可能性的問題，評價結果合理可信。

進一步有針對性的進行單個風險因子分析可知，大壩工程、溢洪道工程存在較大風險，其他因素風險相對較小。針對所存在的風險因素給出如下建議：

(1)建議盡快對主壩及溢洪道進行除險加固，對存在的問題進行處理，完善水庫建筑物安全監測設施并加強觀測。

(2)對金屬結構進行維修或更新改造。

4 結 語

基于未確知測度及層次分析法的土石壩安全綜合評價模型，將決策者對評價模型中的定性化風險因素的主觀判斷用數量及百分比的形式表達出來，并且評價空間的設置也滿足“歸一性條件”及“可加性原則”，評價過程及結果更加科學、合理，為土石壩工程的安全綜合評價提供了一種新的方法和途徑，具有一定的理論意義及實用價值。

[1]麻榮永. 土石壩風險分析方法及應用[M]. 北京： 科學出版社， 2004．

[2]梅亞東， 談廣鳴. 大壩防洪安全評價的風險標準[J]. 水電能源科學， 2002， 20(4)： 8- 10．

[3]李玉欽. 基于網絡分析法的水電工程風險分析方法研究[D]. 天津： 天津大學， 2007．

[4]劉亞蓮， 周翠英. 土石壩安全的模糊層次綜合評價及其應用[J]. 水力發電， 2010， 36(5)： 38- 40．

[5]李雷， 王仁鐘. 潰壩后果嚴重程度評價模型研究[J]. 安全與環境學報， 2006， 6(1)： 8- 10．

[6]王光遠. 未確知信息及其數學處理[J]. 哈爾濱建筑工程學院學報， 1990， 23(4)： 1- 9.

[7]萬玉成. 基于未確知性的預測與決策方法及其應用研究[D]. 南京： 東南大學， 2004．

[8]李清富， 龍少江. 土壩壩坡失穩風險分析[J]. 水利水電技術， 2006， 37(5)： 41- 44．

(責任編輯 楊 健)

Safety Comprehensive Assessment of Earth-rock Dam Based on Unascertained Measure Theory and Analysis Hierarchy Process

FEI Xiaoxia1, LI Qian2, LI Feng2

(1. Henan Water & Power Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450002, Henan, China; 2. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, Henan, China)

In view of the subjective and uncertainty of decision makers in risk evaluation of earth-rock dam, a safety comprehensive assessment method of earth-rock dam based on unascertained measure theory and analytic hierarchy process is established to evaluate the safety of earth-rock dam. Taking the earth-rock dam of Honghe Reservoir as study case, the rationality and effectiveness of model in evaluating dam safety risk are verified. This new model provides a new approach to the security management decisions of earth-rock dams．

earth-rock dam; safety comprehensive assessment; unascertained measure; analysis hierarchy process

2016- 04- 13

國家自然科學基金資助項目(51379192)

費小霞(1975—)，女，吉林通榆人，高級工程師，主要從事水利工程規劃設計工作；李乾(通訊作者)．

TV641；X913

A

0559- 9342(2016)09- 0046- 04