基于改進層次分析法的遼寧某水閘安全性評價研究

王 震

(大石橋市財政事務中心，遼寧 大石橋 115100)

1 概述

水閘是水利工程中常見的建筑物，主要用來調控水位，實現防洪排澇、灌溉農田等功能，當前我國水閘分布較廣，為我國的農業水利經濟、電力發展提供了重要的保障[1]。但不可忽視的是，部分水閘建設運營周期較長，已出現水位調控不穩定、結構滑移等問題，因而及時排查病患水閘，對其作出修繕、拆除重建的舉措，是當前水利工程領域中一個較為突出的課題。針對水閘安全性評估排查，國內外已有諸多學者進行過相關研究[2-5]，極大豐富了水閘安全性評估研究領域。層次分析法作為一種定量評估方法，亦在眾多領域中得到應用，例如地質普查、能源行業、土木工程等行業[6-8]。同樣，水利工程領域中，引入層次分析法理論，定量描述工程性質，準確評估項目性能，可為經濟社會的發展提供重要保障。本文基于改進層次分析法理論，對某水閘工程開展安全性評估研究。

2 改進層次分析法的水閘安全評價理論

2.1 改進層次分析法理論

傳統層次分析法主要聚焦于不同矩陣系列下的差異化判別，采用1～9為權重比例，常常會出現較為難以掌控的差異性結果，操作及比較分析存在一定的困難。筆者將針對傳統層次分析法進行改進，利用簡化后的0.1～0.9為權重分配標準[4-5]，標準矩陣采用模糊歸一化矩陣作為評判計算式，獲得各個指標最優化后的權重解。

2.1.1權重分配

0.1～0.9的權重分配區間可以避免在矩陣解無法找到的情形下，更好進行歸一化，獲得各指標之間的對比方案。筆者認為針對不同指標數量，進行0.1～0.9權重區間劃分是很有必要的，依據工程實際，考慮采用0.1、0.5、0.9的單行值進行指標權重分配，0.5作為中間值，表征了兩個指標處于同等重要位置，0.1與0.9分別指代了其中一個指標更重要的狀態。

2.1.2模糊歸一化矩陣

模糊矩陣作為指標權重進行計算的重要工具，首先需要構建起適用于各指標下的評判矩陣，依據改進層次分析法的權重比例[9-10]，獲得評判矩陣W：

W=(wij)m×m

(1)

(i，j=1，2，…，m)

式中wij為權重比值。

再對評判矩陣W求解平均值，得到第m行代表的指標參數的平均解，如下式：

(2)

式中Wi為矩陣W的第i行元素平均值，wij為矩陣W的第i行元素，i，j=1，2，…，m。

模糊歸一化是為了將各指標參數從定性角度轉變成定量評價，且各指標參數基于同一評價基準線對比，模糊化處理各指標參數的平均值，得矩陣G：

(3)

G=(gij)m×m

(4)

式中gij為矩陣G的元素，i，j=1，2，…，m。

列向量的歸一化處理，得到:

(5)

矩陣的歸一化需要一個和向量，根據各指標參數的分布，采用模糊矩陣的行向量為求和體，得到下式：

(6)

(7)

進而，獲得各權重向量的歸一化矩陣:

r=(r1，r2，…，rm)T

(8)

(9)

式中r為權重向量矩陣，ri為權重向量矩陣中的元素。

2.1.3確定指標參數權重值

由于進行某項工程項目的的安全性評價時，會包括各個專業方向的專家進行獨立評估，因而，需要將各專家權重向量進行求和加權，最終獲得指標參數的權重值。

r′=λr

(10)

(11)

式中λ為權重比例系數，r′為綜合權重矩陣，t為評估專家人數。

2.2 水閘安全指標

水閘安全指標主要可以分為三個大類：表征水閘設計參數的穩定性指標N、表征水閘功能正常使用的適用性指標、表征水閘結構材料使用壽命的耐久性指標。

水閘穩定性指標N涉及到抗洪性能N1、抗滲性能N2、抗滑性能N3、抗傾覆性能N4、承載力性能N5、結構完整性能N6、閘頂結構穩定性能N7、消能防沖性能N8。根據不同性能參數分別劃分出所占大類指標的權重區間。以抗洪性能N1為例：

(12)

式中Mr為實際洪潮最大疊加期；Md為設計洪潮最大疊加期。

另一方面，依據抗洪性能參數N1劃分出水閘抗洪性能等級，并獲得針對抗洪性能參數的權重比(見表1所示)。

表1 抗洪性能參數的權重比

依據二次函數插值法L=x2獲得各個性能等級下的評分值，如正常性能與病變性能下評分值分別可用下式計算：

(13)

式中 3、0.16、2.65、0.35為二次插值計算系數，0.95、0.9為表1中抗洪性能參數權重邊界值。

因而可獲得三大安全指標中各個子指標的具體評分值，這些子指標評分值分別是三大安全指標在各自控制范圍內的權重體現。

2.3 水閘安全評價

三大安全指標分別聯系各自控制的子指標評分值與子指標所占權重，即可獲得三大安全指標的評分值，聯系三大安全指標自身占水閘安全評價的權重比，即可獲得水閘安全評分值，采用函數形式表達如下：

(14)

表2 安全評價等級

依據所得的安全評分值結果，結合表2中安全等級劃分，即可獲得水閘的安全性評價結果。

3 工程概況

某水閘工程位于遼寧省某濱海城市的擋潮海堤，閘頂設計高程為4.85 m，寬為3.75 m，涵閘材料采用的是C30混凝土，與海堤連接構成穩固的水閘上下游護閘墻，閘墩墻厚達0.55 m，設置水閘孔尺寸為1.8 m×2.1 m矩形。在水閘底板處設置有擋潮的可旋轉式門板，尺寸為1.5 m×1.8 m，根據水閘頂長度共均勻劃分24個擋潮門板。水閘兩側臨海與臨江，坡度均為1:1.1，坡面采用綠色護坡，植被網交錯在鋼筋網格中，設計進水流量為267 m3/s，以10年一遇水位標準設防，最高潮水位為1996年的3.7 m，屬中型水閘Ⅲ等工程施工設計。該水閘作為濱海區域的擋潮閘，保護附近農田面積為280.66 km2，控制河流水位長為10.2 km，閘頂整平填土夯實后，作為鄉村公路，聯通著河流兩岸村民之間的往來，是一座名副其實的功勛水閘。

但近幾年，濱海線往內陸慢移，水閘受海水沖刷侵蝕，涵閘混凝土材料受損嚴重，水閘防洪能力大大減弱，在日積月累的海潮沖刷下，涵閘穩定性能及正常功能大打折扣；另一方面，水閘安全穩定性對閘頂的鄉村公路安全行駛也是巨大的威脅。根據本項目實地勘察發現，該水閘抗滲性能、涵閘結構穩定性、兩翼護坡墻、擋潮門板性能等部分均出現問題，為了更好了解水閘具體的修繕方向，首先需要對該水閘安全性開展評估。

4 改進層次分析法在某水閘安全評價中的應用

4.1 構建評價指標

根據改進層次分析法理論，筆者將水閘安全性定為第一層面指標，用Q指代；將水閘安全性指標涵蓋的穩定性指標、適用性指標及耐久性指標視為第二層面指標，分別用N、S、F指代；將第二層面的三大類指標各自所涉及的基礎指標視為第三層面指標，其中穩定性指標包括的基礎指標已在前文指出，適用性指標包括水閘相對過水能力S1、相對漏水情況S2、系統控制能力S3，耐久性指標包括水閘材料砂漿強度F1、平均碳化深度F2、材料損失率F3、水閘管理維護能力F4，這些均視為第三層面指標。基于思維導圖模型，獲得評價指標的組織示意(如圖1所示)。

圖1 安全性指標組織示意

4.2 指標評分計算

確定水閘安全性評價各個指標后，項目組引進7個行業專家進行基礎指標打分，參照改進層次分析法的簡化“0.1～0.9”配比法，對每一個矩陣中的指標元素進行配比，獲得第二層面的3個指標判斷矩陣N、S、F及第一層面指標判斷矩陣Q，如下：

(15)

(16)

(17)

(18)

基于式(2)～(5)，將上述判斷矩陣進行模糊歸一化處理，先后獲得第一層、第二層指標的模糊矩陣，如下為第一層安全性指標與第二層指標模糊歸一化后矩陣：

(19)

(20)

(21)

(22)

在獲得歸一化矩陣后，進行矩陣元素求和，得第一層、第二層指標的行元素和，如下：

IN=(1.21，0.74，1.00，0.95，1.15，1.10，1.10，0.74)T;

Is=(0.86，0.86，1.28)T;

IF=(0.79，0.79，1.11，1.32)T;

IQ=(1.28，1.00，0.72)T。

根據改進層次分析法指標權重配比理論，分別計算7位專家各自評判指標的權重解，并綜合各專家的評判結果，計算綜合權重結果：

IN′=(0.13，0.11，0.12，0.12，0.14，0.14，0.14，0.10)；

Is′=(0.29，0.31，0.40)；

IF′=(0.21，0.21，0.25，0.33)；

IQ′=(0.42，0.33，0.25)。

根據水閘安全性指標權重結果W可看出，適用性指標權重值在三者二層指標中最大，達0.42，即水閘安全性評判很大程度取決于水閘適用性指標；耐久性指標最低，即影響水閘安全性指標權重最小值。而在水閘適用性指標中，以承載力性能、結構完整性能、消能防沖性能三者為最重要指標。

4.3 水閘綜合評價

根據水閘基礎指標的評判標準，7位專家對3個二層指標包含的基礎指標進行量化評分，計算出各個基礎指標的評分值，以抗滑穩定性、體積損失率基礎指標為例：

(23)

(24)

式中Kc為工程計算抗滑穩定安全系數；[Kc]為規范要求安全系數值。

0.01

(25)

式中P1為損失體積；P0為原體積。

表3為三個第二層指標分別包括的基礎指標評分值計算結果。

表3 水閘各基礎指標評分值結果

綜合表3中結果，并根據式(14)計算該水閘安全性評價綜合評估分：

(26)

根據表2中安全等級劃分可知，該水閘安全類別屬于失效水閘，需要拆除進行重新修建，此為根據改進層次分析法綜合獲得的水閘安全性評判結論。

5 結語

基于改進層次分析法理論，對遼寧某地區水閘安全性評價開展研究，主要獲得以下幾點認識與結論：

1) 改進層次分析法以0.1～0.9為權重分配比，簡化計算，權重值分配更具有實際工程意義，定量表征水閘安全性指標更為恰當。

2) 從三個層面劃分水閘安全性指標，以水閘安全性為第一層面，穩定性指標、適用性指標及耐久性指標視為第二層面指標，以第二層面指標包括的基礎指標為第三層面。

3) 獲得水閘安全性指標中，適用性指標權重值在第二層面指標中最大，達0.42，而適用性指標包括的基礎指標中，以承載力性能、結構完整性能、消能防沖性能三者為最重要指標參數。基于綜合評估指標分值，該水閘安全性綜合分為3.301，安全類別屬于失效水閘。