江西省信江水壩安全性狀評價分析研究

趙 月

(江西省水利水電建設有限公司，南昌 330200)

1 概 述

水壩作為我國水利工程中重要一項設施，水壩安全影響著水利工程的運行安全及能效發揮作用。水壩安全與否是決定水庫后期維護策略方案的關鍵因素，如何及時快速準確地對水壩安全情況進行評價是水利工程運營維護人員最為關心的問題。

關于評價對象的安全性評價方法大致可以概括為以下6類：層次分析法、模糊評價法、集對分析法、神經網絡分析法、可靠度理論分析法、物元可拓模型分析法[1-3]。每種方法各自擁有不同優缺點，物元可拓模型分析法作為新興方法備受推崇，但它無法針對分段函數造成的指標之間不相容的缺陷作出很好的評價。因此對其合理改進，若能避免該情況的發生在理論上還是值得研究嘗試。

本文以江西省上饒市余干縣水電站為研究對象，對其安全性狀進行評價。針對物元可拓模型的不足進行有利改進，并建立相應的評價指標體系與劃分安全等級，計算各個指標的關聯程度，最終得到綜合關聯度數值，對水壩運營安全安全等級對應，為后期運營維護提供理論依據與導向。

2 評價指標選擇

為了能夠比較全面準確地概括水壩安全性，充分結合相關規定[7]，綜合考慮評價指標的獲取難易程度，建立評價指標體系。其中主要由工程質量評價、運行管理評價、防洪標準評價、結構安全評價、滲流安全評價、抗震安全評價、金屬結構評價共7個一級安全評價指標。各一級安全評價指標依照實際情況細分成多個二級評價指標。具體評價指標體系及分級見圖1。

3 評價模型建立

針對水壩安全性評價主要選擇物元可擴模型進行評價。在該模型內，設定被評價對象為A，其特征用B表示，并且該特征數值為C。A，B，C這3個元素按照順序構成三元組R=(A,B,C)，該三元組是描述被評價對象的基本元，又稱物元。換句話說，被評價對象的名稱A、被評價對象的特征B、被評價對象特征數值C是構成物元R的3個基本要素。當物元R含有多個特征時，可以選擇用向量方式表達B=(B1,B1,…,Bn)形成評價指標體系，與之對應的特征值選擇向量C=(C1,C1,…,Cn)，此時物元R是n維物元。物元可拓模型具有很多優勢，尤其針對具有多種矛盾且各矛盾間不相容的評價對象尤為適用。結合評價指標體系建立的實際情況，利用物元可拓性與可拓集的關聯函數從定性分析和定量計算兩個方面依次完成對水壩安全性的評價工作。

圖1 水壩安全評價指標體系

3.1 明確經典域Ro與節域物元Rp

根據被評價對象的特性與其對應的統一標準化數值范圍構成的物元矩陣規定為經典域Ro；節域Rp主要是由經典物元、被評價對象、被評價對象的特征、被評價對象特征對應的數值范圍4部分組成，每個部分不可缺少。兩者的數學表達式如下：

Ro=(Po,B,C)=(Po,Bi,Ci)

Ci=[xi,yi]

(1)

Rp=(P,B,Cp)=(P,Bi,Cpi)

Cpi=[xpi,ypi]

(2)

式中：Bi(i=1,2,…,n)是被評價對象A若干個評價指標體系(表示其特征)；Ci(i=1,2,…,n)為被評價對象A關于評價指標B對應的數值變化范圍，即C=[x,y]，其數值變化的上下限即為x，y；Cpi為被評價對象A關于評價指標B的數值變化范圍，即Cpi=[xpi,ypi]。依據定義及數學知識，顯然Ci?Cpi。

3.2 標定被評價對象物元矩陣

綜合考慮被評價對象的特征選擇與之對應的特征量數值Cei，構造被評價對象的物元矩陣Re，具體表達式如下：

Re=(Pe,B,ce)=(Pe,B,cei)

(3)

式中：cei為Pe與其評價指標Bi對應的實際數值，同理與對應的向量ce=(ce1,…,cen)為B=(B1,…,Bn)實際檢測數值。

3.3 標定關聯函數與關聯度數值

本文設定距表示在實數軸的點c距離指定區間co=(x,y)的長度值。根據上述物元可拓模型描述，被評價對象A的評價指標Bi的實際測量數值為cei、經典域量值范圍與節域量值范圍，通過三者計算，得到距的計算公式如下：

(4)

式中：ρ(cei,Ci)為cei和Ci之間的長度，即距；同理ρ(cei,Cpi)為cei和Cpi之間的距。

依據高等數學知識，關聯函數是指被評價單元與某一標準規定之間的隸屬程度的函數關系式，其數值大小表明兩者關聯程度的高低，具體的關聯程度函數關系表達式如下：

(5)

3.4 綜合關聯度數值計算

在計算出個評價指標的關聯度值后，依照其重要程度賦予一定的權重因子，計算各關聯度的加權和，計算公式如下：

(6)

式中：K(Pe)為準備評價單元Pe所對應的區間關聯程度數值；wi為第i項評價指標給定的權重因子。

當Kj=max(K(Pe))(j=1,2,…,m)，此時Pe等安全評價等級是j級。

4 模型改進

經典物元可拓模型計算出來的關聯函數為分段函數，因為水壩安全性狀評價指標區間長度均等、節域端點確定等因素，當利用經典關聯函數公式獲得各評價指標的關聯度時，同一指標量值對應的評價區間位置一致時對應多個關聯度數值，或者節域端點對應不同的評價等級時有可能出現關聯程度數值一致的情況。對其關聯程度計算公式結合實際評價情況進行改進，具體公式如下：

K(cei)=-ρ(cei,Ci)/|Ci|

(7)

當關聯度數值大于零時，則量值處于該區間內，表明被評價對象達到標準對象的規定；當關聯度數值小于零時，則此時量值在該區間之外，表明被評價對象未達到設定標準對象的規定；當關聯度數值等于零時，此時量值在該區間的兩端臨界點。關聯度數值的大小表示量值與該區間中間點的遠近，數值越大，距離中間的越近，反之亦然。

5 指標權重分析

(8)

(9)

6 水壩分析

本文以江西省上饒市余干縣信江水電站的水壩為研究對象，利用改進的物元可拓模型對該水壩的安全性進行評價。水庫的樞紐建筑物主要有主壩、副壩、泄洪道、輸水涵洞、壩后電站等，該水電站定位是以灌溉為主，防洪發電為輔，設計常年蓄水量為85.5×104m3。結合水壩實際運營情況，將水壩安全評價指標劃分成5個安全等級：I(非常安全)，II(安全)，III(較為安全)，IV(不安全)，V(非常不安全)，與之對應的評價指標規定范圍依次是[0.75,1],[0.5,0.75],[0.3,0.5],[0.15,0.3],[0,0.15]。充分考慮該水利工程實際運轉情況，給定各個評價指標數量值，具體見表1。

表1 各評價指標給定的標準數值

將結構安全評價指標作為具體案例，對其一級指標評價進行確定。重點明確其經典域、節域、被評價物元3個部分，具體見如下矩陣。

利用計算式(4)求出結構安全評價指標對于上述劃分的5個安全等級各自的距，再利用式(7)依次計算得到每個評價指標的關聯度數值，具體數據見表2。

表2 所有指標對評價等級的關聯度數值表

同理，與上述步驟一致，依次計算求出其它一級評價指標的綜合關聯程度數值，具體數據見表3。

表3 一級評價指標對應計算出的綜合關聯度數值

7 結 論

本文以江西省上饒市余干縣信江水電站為研究對象，結合實際情況建立相應的評價指標體系并將安全等級劃分為5個等級。改進物元可拓模型，計算各個指標的關聯程度，利用熵權法給定權重因子數值，計算綜合關聯度數值，對水壩運營安全進行合理評價。評價結果顯示，與實際運行情況相符，即證明改進物元可拓模型的適用性。水壩安全威脅主要是因為運行管理欠缺、金屬結構存在安全隱患，為后期運營維護提供了思路導向。