基于模糊理論的堆石壩檢測質(zhì)量分析

張 黎

(遼寧省水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督中心站，遼寧 沈陽 110000)

我國是水利工程大國，筑壩數(shù)量高居世界第一，尤其是土石壩數(shù)量最多，但由于其土石壩堆積質(zhì)量不一，造成壩體失事實(shí)際較多，壩體質(zhì)量的保證對經(jīng)濟(jì)發(fā)展及居民安全十分重要[1- 2]。堆石壩是目前水利工程應(yīng)用較廣泛的壩型之一[3]，其具有就地取材、投資小、安全穩(wěn)定、施工工藝簡單、運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)[4]。堆石壩的質(zhì)量，尤其是堆筑質(zhì)量直接決定了壩體安全性和使用壽命[5]。由于影響堆石壩壩體質(zhì)量的因素較多，因此，如何選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建科學(xué)的評(píng)價(jià)體系，如何利用科學(xué)方法綜合評(píng)價(jià)堆石壩的質(zhì)量是現(xiàn)如今急需解決的重要問題。合理評(píng)價(jià)堆石壩質(zhì)量可為堆石壩施工過程中常見問題的解決提供理論依據(jù)[4]。

目前，現(xiàn)有的壩體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)多集中在單一目標(biāo)最優(yōu)化的問題上，為從施工質(zhì)量、安全穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響等多個(gè)方面對壩體質(zhì)量進(jìn)行全方位綜合評(píng)價(jià)。隨著現(xiàn)如今社會(huì)的發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略深入人心，壩體的建設(shè)不應(yīng)僅僅考慮其施工質(zhì)量及運(yùn)行可靠，還要綜合考慮其對經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及生態(tài)環(huán)境的影響，因此，在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，應(yīng)綜合考慮壩體施工質(zhì)量、安全穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)的影響，全方面綜合評(píng)價(jià)壩體質(zhì)量及運(yùn)行水平。同時(shí)，關(guān)于壩體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法國內(nèi)已有了部分研究。李宗坤等[5]利用改進(jìn)的突變評(píng)價(jià)法對土石壩施工綜合安全風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，將初始評(píng)價(jià)值映射到底層指標(biāo)隸屬度上，得出改進(jìn)突變值，可更清晰反映評(píng)價(jià)結(jié)果；秦鵬等[6]利用經(jīng)驗(yàn)判別法、速率比較法和壓縮模量法3種方法評(píng)價(jià)了面板堆石壩的施工質(zhì)量，指出了3種方法的適用條件，綜合合理使用3種方法可提高整體施工質(zhì)量；彭輝等[7]通過多層次模糊評(píng)判模型對土石壩安全運(yùn)行進(jìn)行了評(píng)價(jià)，指出了該方法的可行性。

現(xiàn)如今評(píng)價(jià)壩體綜合質(zhì)量的方法多采用AHP法或模糊評(píng)價(jià)理論，這種方法主要根據(jù)相關(guān)專家對指標(biāo)的認(rèn)識(shí)來制定權(quán)重，忽略了指標(biāo)本身存在的客觀聯(lián)系，因此，結(jié)論主觀性較強(qiáng)。為避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，本文在采用模糊評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，在計(jì)算權(quán)重時(shí)綜合考慮指標(biāo)的主觀性和客觀性，同時(shí)選擇壩體施工質(zhì)量、安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益3個(gè)大方面綜合評(píng)價(jià)壩體質(zhì)量，保證評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的科學(xué)性和全面性。

1 評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

綜合考慮影響壩體質(zhì)量的施工質(zhì)量、安全運(yùn)行及社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益影響3個(gè)方面，每個(gè)方面選擇4項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)建出壩體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的2個(gè)層面，12項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系。具體指標(biāo)體系分布圖見圖1。

表1 第三層指標(biāo)相對隸屬度矩陣

表2 第三層指標(biāo)初始綜合權(quán)重

表3 第三層指標(biāo)最終綜合權(quán)重

圖1 水資源綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.2 模糊評(píng)價(jià)方法

1.2.1 熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

本文基于改進(jìn)信息熵理論對江蘇省滆湖水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)發(fā)出100份問卷調(diào)查，調(diào)查不同專家學(xué)者對水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重的評(píng)定，將信息熵權(quán)重(客觀權(quán)重)與專家權(quán)重(主觀權(quán)重)進(jìn)行綜合，得出綜合權(quán)重，該權(quán)重既可以反映客觀事實(shí)，也可反映主觀專家意見，具有一定的代表性[10]，客觀權(quán)重與綜合權(quán)重計(jì)算過程如下：

假設(shè)有m個(gè)對象，n個(gè)被評(píng)價(jià)指標(biāo)，熵定義為：

(1)

(2)

式中，Hj—計(jì)算的信息熵；m—評(píng)價(jià)對象個(gè)數(shù)；n—待評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)；bij—計(jì)算的相對隸屬度；fij—相對隸屬度所占比例。

對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，得出相對隸屬度：

(3)

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的變異度：

Dj=1-Hj

(4)

式中，Dj—所求的變異度；Hj—指標(biāo)的信息熵。

計(jì)算該指標(biāo)所對應(yīng)的熵權(quán)重(客觀權(quán)重)：

(5)

式中，ωbj—所求的客觀權(quán)重；Dj—某項(xiàng)指標(biāo)的變異度。

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)得出的主觀權(quán)重與計(jì)算得出的客觀權(quán)重，得出綜合權(quán)重：

(6)

式中，ωj—所求的綜合權(quán)重；ωa—通過問卷調(diào)查所得的主觀權(quán)重；ωbj—所求的客觀權(quán)重。

1.2.2 模糊評(píng)價(jià)理論

首先建立所要評(píng)價(jià)的的對象組成的因素集合U={u1，u2un}，通過熵權(quán)法計(jì)算各因素所占權(quán)重，形成權(quán)重集合ω={ω1，ω2ωn}，一般規(guī)定權(quán)重求和為1。對第i個(gè)因素形成的在模糊評(píng)價(jià)中的模糊子集定義為Ui={ui1，ui2uin}，由全部的評(píng)價(jià)因素構(gòu)成的模糊評(píng)價(jià)矩陣U可由下式表示：

(7)

2 堆石壩壩體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

按照圖1所示的壩體質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，對某堆石壩壩體質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。首先采用熵權(quán)法的步驟計(jì)算不同指標(biāo)的權(quán)重。首先發(fā)出100份調(diào)查問卷，調(diào)查第三層指標(biāo)的重要性，確定第三層指標(biāo)的主管權(quán)重，然后結(jié)合對堆石壩質(zhì)量的3次現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)式(3)計(jì)算第三層指標(biāo)的相對隸屬度矩陣，結(jié)果見表1。通過式(1)～(5)，可得出第三層指標(biāo)的客觀權(quán)重，客觀權(quán)重與主觀權(quán)重的計(jì)算結(jié)果見表2。

據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，綜合得出第二層指標(biāo)的相對隸屬度矩陣，從而計(jì)算出第二層指標(biāo)的計(jì)算權(quán)重，其中施工質(zhì)量指標(biāo)的權(quán)重為0.43，安全運(yùn)行指標(biāo)的權(quán)重為0.30，社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益的指標(biāo)權(quán)重為0.27。根據(jù)第二層指標(biāo)權(quán)重與第三層指標(biāo)的初始綜合權(quán)重，求得第三層指標(biāo)的最終權(quán)重，結(jié)果見表3。

將壩體質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中的12項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)作為模糊評(píng)價(jià)的基本因素，權(quán)重向量集合選擇表3中的熵權(quán)法最終計(jì)算結(jié)果。將壩體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)分為(優(yōu)秀、良好、合格、較差)4個(gè)等級(jí)來綜合評(píng)判堆石壩綜合質(zhì)量，聘請10位專家組成評(píng)判小組，對壩體質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，形成模糊評(píng)價(jià)矩陣U，其結(jié)果如下：

(8)

模糊綜合評(píng)價(jià)集合可用下式計(jì)算得出：

B=A×U=[0.086，0.12，0.086，0.138，0.09，0.072，0.081，0.057，0.1，0.043，0.076，0.051]

3 結(jié)語

本文基于模糊評(píng)價(jià)理論，通過專家咨詢得出指標(biāo)的主觀權(quán)重，通過熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重，最終得出綜合權(quán)重后，結(jié)合模糊評(píng)價(jià)理論，對堆石壩質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，該堆石壩評(píng)價(jià)46.35%為良好，與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了該方法具有一定的合理性，為今后的堆石壩綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了一定的理論思路，同時(shí)將該方法應(yīng)用于其余壩型中的研究有待進(jìn)一步研究討論。