量化評價模型在萬家屯水庫除險加固效果評價中的應(yīng)用

任書軍

(葫蘆島市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

“75·8”大洪水后，針對病險水庫我國政府開展實(shí)施了一系列的防洪加固項(xiàng)目，隨后在全國范圍內(nèi)對大中型病險水庫分批次實(shí)施了除險加固工程。水庫除險加固在1998年大洪水后引起政府部門的高度重視，截止2010年已通過竣工驗(yàn)收或投入使用的大中型、重點(diǎn)小型病險水庫約6235座，大大降低了自然災(zāi)害損失和水庫的病險率，對于提升水資源利用效率和保障庫區(qū)下游安全發(fā)揮著重要作用[1-5]。當(dāng)前，關(guān)于加固效果量化模型和評價方法的研究較少，導(dǎo)致無法客觀合理的評估加固工程效果，甚至有些水庫在加固工程實(shí)施不久后就出現(xiàn)了潰壩事故，如山西曲亭和新疆聯(lián)豐等發(fā)生的潰壩事故。為保證水庫功能效應(yīng)的正常發(fā)揮及全面消除水庫安全隱患有必要科學(xué)評價加固效果，通過對經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的總結(jié)分為水庫加固方案的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)[6-7]。

水庫除險加固效果評價不僅包括可持續(xù)性、社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)等內(nèi)容，還要考慮技術(shù)安全等方面因素，因此屬于一個綜合性復(fù)雜的系統(tǒng)工程。當(dāng)前，關(guān)于病險水庫加固效果的評價一般側(cè)重于加固方法和工程技術(shù)措施，考慮各方面因素的評價研究還鮮有報道。結(jié)合功能指標(biāo)變化程度和預(yù)定治理目標(biāo)進(jìn)行加固效果評價，其基本流程為：①從多個不同方面選擇能夠體現(xiàn)加固效果的評價因子，從而構(gòu)建較為系統(tǒng)、完善的評價體系；②對各定量和定性質(zhì)保選取合適的量化方法，依據(jù)各評價因子的治理效果重要度賦予相應(yīng)的權(quán)值；③根據(jù)定量計算結(jié)果和評價標(biāo)準(zhǔn)，確定水庫加固效果等級。

1 水庫加固效果影響因素

水庫除險加固效果覆蓋工程效益、施工技術(shù)、加固方案以及水庫本身功能等因素，在時間尺度上應(yīng)體現(xiàn)水庫功能在加固工程實(shí)施前后的變化狀況，即功能康復(fù)程度。另外，加固工程質(zhì)量還受人為因素的影響，在評價過程中應(yīng)考慮此類因素。所以，文章從4個不同方面選取影響加固效果關(guān)鍵因素，采用“積木模型”反映各因素間的作用關(guān)系，如圖1所示。

圖1 水庫加固效果各因子“積木模型”

2 除險加固效果量化模型

通過對定量評價方法的系統(tǒng)研究構(gòu)建水庫加固效果量化模型，其關(guān)鍵內(nèi)容有確定指標(biāo)綜合權(quán)重、專家權(quán)重、數(shù)值量化和等級劃分等。

2.1 評價等級的劃分

當(dāng)前，還未形成科系統(tǒng)科學(xué)、普遍適用的加固效果評價等級劃分方法，結(jié)合水利部頒發(fā)的水庫大壩安全鑒定辦法和相關(guān)文獻(xiàn)資料將評價標(biāo)準(zhǔn)劃分為V1-V5級。為便于專家評分等級劃分遵循可行性、簡潔性和準(zhǔn)確性原則，考慮水庫加固工程實(shí)際狀況設(shè)定各項(xiàng)評估值為0-100，評價值越高則加固整治效果越好，治理成功程度越高，不同評價等級下各項(xiàng)指標(biāo)的評價值及判別標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 水庫加固效果評價等級劃分

2.2 指標(biāo)量化處理

2.2.1 非時效指標(biāo)

根據(jù)定性指標(biāo)評分表和專家工程經(jīng)驗(yàn)，直接確定可量化且量綱相差較大的非時效定性指標(biāo)值。對于灌溉、防洪效益等非時效定量指標(biāo)，以加固前、后病險水庫各指標(biāo)值的提升倍數(shù)予以量化，由此量化計算加固工程效果。

2.2.2 時效指標(biāo)

通過比較加固前、后水庫各指標(biāo)狀態(tài)提升程度，確定時效指標(biāo)的參數(shù)值，其具體計算步驟如下。

步驟一：水庫除險加固時效因子評分。采用下式計算確定加固效果效益型、成本型指標(biāo)的安全度評分值x，表達(dá)式為：

(1)

(2)

式中：a、b為雙曲線函數(shù)參數(shù)，依據(jù)評價指標(biāo)或工程實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整，一般情況下a取1/165、b取1/100；t為水庫安全評價參數(shù)值與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值之比。各項(xiàng)評價指標(biāo)值在水庫加固后為2.54，則認(rèn)為加固工程為成功。

步驟二：安全度評價模型。通過分析發(fā)現(xiàn)，S形曲線特征與水庫安全形態(tài)演化相吻合，采用下述表達(dá)式反映Logistic曲線特征，即：

(3)

式中：S、x——為評價指標(biāo)安全度及其評分；S值越大，則水庫大壩的安全性越好。

步驟三：水庫除險加固安全等級提升模型。根據(jù)下式求解水庫加固工程安全等級提升系數(shù)，計算式為：

(4)

其中，S1≥S2且S1,S2∈[0,1]；S1、S2為病險水庫加固前、后的安全度；C為水庫安全等級提升系數(shù)；Smin、Smax為水庫加固安全度最小與最大值，取0.0191、0.9886。

步驟四：因子評價值。依據(jù)等級判別準(zhǔn)則確定時效因子評價值時，呈現(xiàn)出的性質(zhì)特征為：加固后的S2或提升系數(shù)C值越大，則水庫安全評價等級越高；加固前后S1、S2值在時效指標(biāo)中的貼近程度越高，則價值越小；加固前后S1、S2的貼近程度相等時，S2評分值越小。據(jù)此，可利用下式確定時效指標(biāo)值，即：

(5)

式中：Xmin、Xmax為區(qū)間范圍內(nèi)S2的最小與最大值；m、n為待求解參數(shù)。若S1、S2值取0.3115和0.6886，則X值取70；若S1、S2值取0.0191和0.9886，則X值取100，m、n值取0.7502、1.50。

2.3 專家賦權(quán)法

專家權(quán)重的計算既要考慮不同專業(yè)知識的局限性，又要在水利工程領(lǐng)域中具有一定的權(quán)威性。所以，專家權(quán)威性測定矩陣的構(gòu)建應(yīng)先分析擬邀請專家的背景，依據(jù)各專家意見和模糊優(yōu)選理論確定主觀權(quán)重，各專家確定的因素集客觀權(quán)重采用乘次分析法計算，為保證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性將主、客觀權(quán)重相耦合，依據(jù)最小信息熵原理確定最終的綜合權(quán)重。水庫加固效果評價的最小信息熵目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式如下：

(6)

對于以上優(yōu)化問題的求解考慮選用拉格朗日乘子法，由此可計算各評價因子的組合權(quán)重，即：

(7)

2.4 靜態(tài)權(quán)重

根據(jù)專家給出的判斷矩陣與HS-AHP和聲搜索層次分析法，計算確定專家靜態(tài)權(quán)重為：ω=(ω1,ω2,…,ωn)；考慮靜態(tài)權(quán)重受評價因子值X=(X1,X2,…,Xn)的影響作用，依據(jù)靜態(tài)權(quán)重計算值構(gòu)造動態(tài)權(quán)重表達(dá)式為：

(8)

式中：Xi、ωi為因素層i下的評價指標(biāo)值及其靜態(tài)權(quán)重值。由于不成功和基本成功等級關(guān)于評價指標(biāo)的界限值為70，所以因素集的動態(tài)權(quán)重以70為基準(zhǔn)進(jìn)行求解。

3 實(shí)例分析

萬家屯水庫位于葫蘆島市南票區(qū)，所在河流為女兒河的二級支流，壩址以上集雨面積為1.95km2，河道比降27.99‰，河長2.19km。水庫屬于小(2)型水庫，工程等級為Ⅴ等，本次復(fù)核設(shè)計和校核標(biāo)準(zhǔn)為10、20年一遇，相應(yīng)的設(shè)計洪水位為88.40、88.82m，庫容為24.96萬m3，溢洪道下泄流量為16.29m3/s。

經(jīng)過長期的服役運(yùn)行，該水庫存在各種各樣的問題，尤其是服役年限的增加和部分水利設(shè)施的超期服役，使得安全隱患問題較為突出。通過對整個樞紐工程進(jìn)行勘查，發(fā)現(xiàn)的主要問題如下：①大壩存在的問題：上游素混凝土護(hù)坡風(fēng)化破損嚴(yán)重，失去功能；下游護(hù)坡坡面風(fēng)化破損嚴(yán)重，樹木、雜草叢生，坡面無排水，壩腳無排水棱體；防浪墻在鉆孔ZK2左側(cè)及右側(cè)15m范圍內(nèi)坐落在碎石層上，與壩體粉質(zhì)黏土沒有形成防滲整體，且防浪墻多處開裂；根據(jù)庫管員及南票區(qū)水庫管理部門介紹，大壩背坡坡腳(自輸水洞起右側(cè)10m范圍內(nèi))，逢大雨時有清水自路面淌出。經(jīng)壓水試驗(yàn)可知，壩體壩基無滲漏，壩肩處存在強(qiáng)風(fēng)化區(qū)域，存在繞滲。②溢洪道存在的問題：溢洪道兩岸為山體，巖石裸露，凹凸不平，風(fēng)化嚴(yán)重，整體無襯砌；溢洪道無消能設(shè)施，出口處漿砌石工程部分損毀；溢洪道表層為0.00-7.90m厚的強(qiáng)風(fēng)化層。③輸水洞存在的問題：啟閉塔及啟閉設(shè)施已不能使用；輸水洞出口無啟閉設(shè)施；輸水洞進(jìn)出口鋼管破損嚴(yán)重。④其它存在的問題：無系統(tǒng)水位、雨量觀測等設(shè)施[8-14]。

在時間和區(qū)間尺度上，水庫加固效果評價較傳統(tǒng)的大壩安全評價體系復(fù)雜，既要包括加固整治前的預(yù)評估階段、評估過程、群眾滿意度和加固效益等因素，還涉及工程管理、質(zhì)量、大壩滲流、水庫防洪以及抗震等后評估階段。所以，有必要結(jié)合工程實(shí)際情況綜合評價水庫加固效果，從加固效益、工程施工、指標(biāo)康復(fù)程度和除險加固方案4個方面選擇61項(xiàng)基礎(chǔ)性評價指標(biāo)，如表2所示。

表2 病險水庫加固效果評價

表中，D1-1-D1-3為施工設(shè)備、工藝技術(shù)、項(xiàng)目工期；D3-1-D3-3為加固技術(shù)的先進(jìn)性、適用性和安全性；D4-1-D4-2為防洪高程、下泄流量；D5-1-D5-6為防滲體滲透系數(shù)、出逸點(diǎn)高程、出溢坡降、最大滲透坡降、滲透流量、反濾體性能；D6-1-D6-2為大壩穩(wěn)定、近壩庫岸穩(wěn)定；D7-1-D7-5為金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形、腐蝕、運(yùn)行質(zhì)量及電氣設(shè)備保障；D8-1-D8-4為工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)、外觀質(zhì)量、工程加固質(zhì)量；D9-1-D9-4為管理制度與人員配置、水庫運(yùn)行環(huán)境、維修環(huán)境、安全監(jiān)測；D11-1-D11-4為防洪、灌溉、供水和養(yǎng)殖效益；D14-1-D14-3為領(lǐng)導(dǎo)層、管理層、操作層；D15-1-D15-3為組織機(jī)構(gòu)、安全管理制度、事故預(yù)防與應(yīng)急；D16-1-D16-3為周邊及自然環(huán)境、現(xiàn)場施工環(huán)境、工人作業(yè)環(huán)境；D17-1-D17-4為施工現(xiàn)場用電、大型施工設(shè)備安全運(yùn)行、施工運(yùn)輸、危險品存放使用。

加固效果評價時應(yīng)注意區(qū)分定量和定性指標(biāo)，為獲取各個指標(biāo)的數(shù)據(jù)信息保證評估結(jié)果的科學(xué)合理性，必須詳細(xì)分析加固相關(guān)資料和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果。依據(jù)各評估指標(biāo)特性和水庫大壩安全評估及調(diào)查方法，對各項(xiàng)指標(biāo)利用不同的手段與方法調(diào)查。文章對各項(xiàng)評價指標(biāo)邀請5位權(quán)威專家參照指標(biāo)量化方法進(jìn)行量化，專家組合權(quán)重依據(jù)上節(jié)方法進(jìn)行計算，根據(jù)評分值和較低層次的動態(tài)權(quán)重獲取高一層次的評價值。同理，計算確定各層次與最高層次所屬要素的動態(tài)權(quán)重及除險加固效果綜合評價值，如表3所示。

表3 各層次因子評價值

根據(jù)表3可知，萬家屯水庫綜合評價值為65.87，依據(jù)評價等級集處于“不成功”狀態(tài)，即整治后的工程效益、水庫功能接近預(yù)期目標(biāo)，部分指標(biāo)的改善程度不明顯，其原因?yàn)椋簻?zhǔn)則層中功能康復(fù)程度B2的動態(tài)權(quán)重、靜態(tài)權(quán)重分別為0.7661、0.7172，但該指標(biāo)的評價值較低為62.38，這是引起加固工程不成功的關(guān)鍵因素；下一層評價體系中，工程質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全和滲流安全康復(fù)程度的指標(biāo)權(quán)重較大，所對應(yīng)的評價值分別為49.67、39.85、55.41，處于較低水平。深入分析發(fā)現(xiàn)，權(quán)重較大的最大滲透坡降、出逸點(diǎn)高程、大壩穩(wěn)定的評價值較大，分別為54.22、33.27、34.85。

綜上分析，部分除險加固設(shè)計內(nèi)容未實(shí)施或加固工程參照舊的規(guī)范為造成萬家屯水庫除險加固不成功的主要原因未能顯著改善結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)和滲流穩(wěn)定性，綜合評價值處于較低的水平。另外，該評價結(jié)果與水庫大壩驗(yàn)收結(jié)論、實(shí)際運(yùn)行情況保持較高的一致性，可認(rèn)為所構(gòu)建的評價體系和評價模型滿足科學(xué)合理性要求。

4 結(jié)論

水庫除險加固效果評價的重要條件是構(gòu)建系統(tǒng)、完善的綜合評價體系，文章結(jié)合體系構(gòu)建原則和指標(biāo)選取方法，考慮加固工程特點(diǎn)和項(xiàng)目目標(biāo)要求建立評價體系，運(yùn)用量化評價模型分析了萬家屯水庫加固工程狀況，主要結(jié)論如下：

1) 通過對加固效果主要影響因子的分析，從加固效益、工程施工、康復(fù)程度和加固方案4個方面選取評價指標(biāo)，運(yùn)用“積木模型”反映各評價因子之間的作用關(guān)系。

2) 綜合考慮評價指標(biāo)動態(tài)、靜態(tài)、主客觀權(quán)重以及非時效、時效指標(biāo)量化方法提出水庫加固效果評價模型，并以實(shí)例驗(yàn)證了該模型的科學(xué)有效性。結(jié)果顯示，評估體系和指標(biāo)值獲取方法具有較強(qiáng)的可行性，可為消除水庫安全隱患，完善水庫管理體系和加固效果評價方法提供科學(xué)的依據(jù)。