基于多層次多目標(biāo)模糊綜合評估法的水閘安全評價研究

余定金 彭幼林

(江西省潦河工程管理局， 江西 宜春 336000)

基于多層次多目標(biāo)模糊綜合評估法的水閘安全評價研究

余定金 彭幼林

(江西省潦河工程管理局， 江西 宜春 336000)

本文基于水閘安全問題，提出采用多層次多目標(biāo)模糊綜合評估法的水閘安全評價方法，通過對比多種評價方法論述了其可行性，介紹了多層級的模糊綜合評估模型，建立了適合水閘的評估指標(biāo)體系及評語集，進(jìn)行安全評價。結(jié)果表明：基于多層次多目標(biāo)模糊綜合評價法適合于水閘的安全評估。

模糊綜合評價； 水閘； 安全評價

作為水利建設(shè)工程中最常見、最重要的建筑物，水閘依靠閘門的升降啟停控制水面水位，調(diào)節(jié)水流流量，不僅可以起到擋水作用，還能起到泄水功能，因此被廣泛應(yīng)用于平原地區(qū)。水閘工程可優(yōu)化配置水資源并作為防洪工程體系的重要部分，被廣泛應(yīng)用于水資源分配及防洪減災(zāi)中，其排澇、防洪、養(yǎng)殖、供水等功能顯得越來越重要。特別是在江河湖泊防洪過程中，水閘的安全狀態(tài)日益重要，因此有必要對水閘的安全狀態(tài)進(jìn)行評價，以更好地了解水閘的安全水平[1-4]。

1 評估方法的可行性分析

水閘的安全評估工作具有較復(fù)雜、準(zhǔn)則多的特點，因此其研究方法也比較多，主要包括層次分析法、加權(quán)遞階評估法、灰色評估法、專家系統(tǒng)法、標(biāo)準(zhǔn)比照評估法、專家評估法等。

關(guān)于水閘的可靠度，國內(nèi)外學(xué)者們已經(jīng)做了大量的研究[5-8]。前人的研究對于一些問題的解決方法沒有達(dá)成一致，主要表現(xiàn)在以下三個方面：?對于水閘可靠度的評估指標(biāo)體系來說，其總目標(biāo)一般為建筑物的可靠度，其子目標(biāo)一般為適用性、安全性以及耐久性，子目標(biāo)以下另包括其他子項指標(biāo)，以往的研究對這幾項評估指標(biāo)的研究方法不盡相同；?課題研究脫離現(xiàn)場實際情況，未能按照國內(nèi)水閘的實際情況進(jìn)行鑒定;?以往的可靠度都將評估指標(biāo)劃為4個層次等級，這4個層次等級的劃分差異卻較大。雖然存在一些不足之處，但是以往的研究仍然為該研究做出良好的思路借鑒。

水閘的可靠度具備“模糊性”的特點，即不能夠劃分出明確的限定范圍，當(dāng)客觀事物存在區(qū)別時，區(qū)別之間的跨越帶不夠清晰分明[9-10]。水閘可靠度評估時，這種“模糊性”體現(xiàn)為不同的專家在判定一個指標(biāo)的級別時極有可能得出不同的結(jié)果。因此各個專家對各項指標(biāo)老化程度評估之前，應(yīng)了解有關(guān)現(xiàn)狀的調(diào)查資料，熟悉復(fù)核計算和安全檢測結(jié)果，此外，還要依據(jù)專家的以往經(jīng)驗，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并結(jié)合項目現(xiàn)實情況; 然后對于專家們的評估結(jié)果，采用的處理方式有層次分析理論與模糊數(shù)學(xué)方法，經(jīng)過科學(xué)的分析后才能明確水閘類別以及其可靠度級別[11-12]。

2 多層級的模糊綜合評估模型

由于涉及到的指標(biāo)因子較多，各個指標(biāo)屬性、種類和層級不同，因此在許多領(lǐng)域進(jìn)行實際的評判時，必須建立多個層級模型。

按各個因子不同的屬性、種類和層級，將M分解為m個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)里面有m1,m2,…,mm個評估指標(biāo)因子，符合以下公式：

(1)

M代表所有評估指標(biāo)因子集的數(shù)量，多個層級與單個層級綜合模型可以采用相同的綜合評判模型以及分析、計算方法。與單個層級模型不同的是，多個層級的綜合評判模型代表了研究對象所包含指標(biāo)因素的不同層級，這就避免了單個層級系統(tǒng)中各個因素權(quán)重不便分配的不利之處。因而無論是在社會科學(xué)領(lǐng)域還是在自然科學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)明確的研究結(jié)果都具有科學(xué)性、可靠度的特點，同時也普遍應(yīng)用到了各個實際領(lǐng)域中。

2.1 評估指標(biāo)體系及評語集

評估的目的是判斷整個水閘是否安全可靠，因此設(shè)定安全評估的三個子目標(biāo)(適用性、安全性、耐久性)，假定適用性指標(biāo)為V(1)，α(1)是適用性指標(biāo)的權(quán)系數(shù)；假定安全性指標(biāo)為V(2)，α(2)是安全性指標(biāo)的權(quán)系數(shù)；假定耐久性指標(biāo)為V(3)，α(3)是耐久性指標(biāo)的權(quán)系數(shù)。

將建筑物及各個指標(biāo)的老化程度分為四個等級：最差的等級為“嚴(yán)重”，第三等級為“很差”，第二等級為“一般”，第一等級為“很好”。

(2)

式中Tτ——水閘當(dāng)前所能抵御洪水再次出現(xiàn)的時間；

Td——當(dāng)前規(guī)范所要求的設(shè)計洪水再次出現(xiàn)的時間。

(3)

該項指標(biāo)是在考慮防沖消能設(shè)施是否發(fā)生破壞的同時，通過比較兩個單寬流量求得，其中qd表示的是消能防沖設(shè)施實際能抵御的單寬流量，qτ表示的是水閘實際的單寬流量。

(4)

式中Jτ——閘基當(dāng)前的滲透坡降；

Jd——當(dāng)前規(guī)范要求的滲透坡降。

此外，還要需要將閘基有無存在止水失效、排水失效、滲流破壞等情況，以及閘基的滲透坡降、防滲等考慮在內(nèi)。

(5)

式中Kτ——結(jié)構(gòu)或構(gòu)件穩(wěn)定安全系數(shù)的事實計算結(jié)果；

Kd——目前規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)。

第五項為承載性指標(biāo)，代表結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載性。計算該指標(biāo)時必須了解各個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件能否到達(dá)混凝土強(qiáng)度的相關(guān)要求。

2.2 指標(biāo)隸屬程度的確定

可以用評估對象對某個級別的隸屬程度代表其老化程度，各位專家提出的權(quán)重以及專家對評估指標(biāo)等級的判定決定了指標(biāo)的隸屬程度。

假如某個水閘工程進(jìn)行評估前請的專家人員共8人，利用前面的公式可以明確各位專家的權(quán)重系數(shù)為λ，λ=(0.154,0.130,0.106,0.130,0.130,0.106,0.122,0.122)。

以安全性子目標(biāo)分類下的“防洪標(biāo)準(zhǔn)”作為研究案例，來確定這項指標(biāo)相對應(yīng)的不同老化等級的隸屬程度。

假設(shè)初始矩陣為M0:

(6)

按照相關(guān)的指標(biāo)參考內(nèi)容、工程的切實情況及專家的自身經(jīng)驗，選用5個不同程度值的語言來對各個指標(biāo)進(jìn)行描述，分別為賦值0的“完全不符”、賦值0.25的“不太符合”、賦值0.5的“有些符合”、賦值0.75的“基本符合”以及賦值1 的“完全符合”，假設(shè)該專家認(rèn)為指標(biāo)“防洪標(biāo)準(zhǔn)”基本符合2級，但是與1級和4級不一致，不太符合3級，那么所評估的指標(biāo)“防洪標(biāo)準(zhǔn)”對各個等級的隸屬程度就為(0，0.75，0.25，0)。

(7)

“防洪標(biāo)準(zhǔn)”這項指標(biāo)對各老化級別的隸屬程度為

=(0.03,0.04,0.50,0.07)

(8)

同理，采用同樣的方法也求得四個不同的老化級別中，安全性的子項指標(biāo)隸屬于哪個。

(9)

(10)

(11)

(12)

3 水閘安全評價

3.1 構(gòu)建下一層級的評估模型

(13)

(14)

3.2 構(gòu)建可靠度的綜合評價模型

(15)

(16)

則：

(17)

以最大隸屬程度為準(zhǔn)則，可以得出水閘的可靠度可以劃歸為第三等級。

4 結(jié) 論

本文通過對水閘可靠度的已有研究進(jìn)行分析，找到當(dāng)前研究中尚未解決的難點，因此如何解決水閘實際工程中的問題是本文的研究重點。

本文依照《水閘安全鑒定規(guī)定》，并結(jié)合了普遍性的水閘安全評估工作，參照已有的水閘可靠度評估的方法，構(gòu)建關(guān)于水閘可靠度多層級模糊專家評估模型。在工作人員長期監(jiān)測和審核的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了水閘安全評估指標(biāo)體系及參考標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，該模型對每項指標(biāo)的老化劃分成四個層級；專家依照自身對水閘可靠度評估已有的經(jīng)驗，參考實際情況來對每項指標(biāo)進(jìn)行再次評估。該方法在水閘安全評估階段應(yīng)用的比較多，但仍有許多需要完善和調(diào)整的地方。

[1] 金初陽，柯敏勇，洪曉林，等.水閘病害檢測與評估分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報，2000(1):73-77.

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[3] 牛其光，孫桂枝.河南省大型水閘老化病害評估與分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報，1998(3):217-223.

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[5] 張志俊.水閘老化狀態(tài)的整體評估方法[J].中國農(nóng)村水利水電，1998(4):34-37.

[6] 張志俊，吳太平.水閘老化的加權(quán)遞階評估方法[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報，1998(3):238-243.

[7] 張志俊，崔德密,鄭繼.水閘老化的灰色評估法[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報，1998(3):244-248.

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[10] 牛其光，孫桂枝.河南省大型水閘老化病害評估與分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報，1998(3):217-223.

[11] 劉柏青，周素真，雷聲隆，等.灌區(qū)混凝土建筑物老化病害評估指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)的研究[J].中國農(nóng)村水利水電，1998(5):16-18.

[12] 張志俊，唐新軍.水閘老化病害狀態(tài)的結(jié)構(gòu)可靠性理論評估方法[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999(3):224-228.

Research on water gate safety evaluation based on multi-level multi-objective fuzzy comprehensive evaluation method

YU Dingjin, PENG Youlin

(Jiangxi Liaohe River Engineering Administration, Yichun 336000, China)

In the paper, the sluice safety assessment method of multi-level multi-objective fuzzy comprehensive evaluation method is adopted based on the sluice safety. The feasibility is discussed through comparison among many evaluation methods. A multi-level fuzzy comprehensive evaluation model is introduced. Suitable sluice evaluation index system and evaluation set are established for safety evaluation. Results show that the fuzzy comprehensive evaluation method based on multi-level and multi-objective is suitable for safety evaluation of sluices.

fuzzy comprehensive evaluation; sluice; safety evaluation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.08.008

TV222

A

1005-4774(2017)08- 0026- 04