基于層次分析法的王法溝水庫病險嚴重程度分析

王 興

(北票市水利規劃勘測設計院，遼寧 朝陽 122100)

1 水庫病險程度

1.1 病險成因分析

我國現有的水庫工程大多修建于二十世紀六七十年代，由于建國初期行業標準、設計規范不夠健全，水文地質等基礎資料較少、施工和設計力量比較缺乏，致使建設初期就給水庫正常運行帶來隱患，并發展形成病險水庫[1]。

受水庫管理重視程度不足、管理技術缺乏等限制，水庫觀測手段和設施在建成初期就比較缺少。此外，由于管理人員少、維護經費不足，無法及時有效的掌握水庫的真實運行狀況，水庫病險問題未能有效處理，對下游防洪安全及區域發展造成安全隱患。

1.2 常見的病險問題

壩體夯實與填筑質量整體較差，致使壩土結構松散，大壩滲漏問題突出；溢洪道無消力池，渠系兩側雜草叢生，土渠損壞、坍塌嚴重，大多無法保證泄洪安全；因質量差、涵洞結構不完整、壩體年久變形等因素，涵洞具有接觸沖刷、漏水的隱患；水文地質、大壩沉降、位移變形等觀測設備缺乏，通訊設備缺少，未修建水庫管理房；防汛搶險道路凹凸不平，大多為土路，未達到搶險道路標準。

1.3 水庫加固工程措施

經過長期運行，水庫大壩已出現明顯的沉降變形，因此要對壩頂高程是否符合設計要求進行校核。如果大壩需要加高，可以直接增加壩頂高程或在壩頂增設防浪墻；若泄洪、調洪能力需要提升，可新建溢洪道或擴寬、加深原溢洪道。

水庫大壩出現滲漏問題時，比較常用的防滲處理措施有劈裂灌漿、混凝土防滲墻、壩基帷幕灌漿、壩體充填灌漿等。為更好加固大壩壩體，可以采取削坡、培厚等減緩壩坡的方法，其中培厚減緩壩坡時要利用比原壩坡大的透水性材料，加固整治上下游壩坡。混凝土板、堆石及干砌石護坡等多用于上游護坡，而簡化型式的護坡一般用于下游。針對存在接觸沖刷與漏水隱患的輸水涵洞，可以采取新建、加內襯或回填灌漿處理等措施[2]。

此外，提高管理水平也是保證水庫安全運行的重要方法。例如，新建防汛搶險道路、新增水文與大壩監測設備、增設水庫通訊設備及管理房，對水庫的日常管理安排專門的管理人員等。

1.4 病險水庫現狀認定

目前，安全系數法和分析法為評價水庫大壩安全的常用方法。以大壩安全為目標，運用合適的方法研究相關的若干專題，并以此確定大壩安全等級。其中，一類、二類和三類壩的等級劃分為各專題安全性等級全部達到A級、全部達到B級或部分達到A級、有一級及以上為C級。

一般地，通過判定是否為病險水庫以及病險嚴重程度兩個方面，完成水庫的安全評價。然而，將水庫大壩按照現行評判法則分級較為籠統，無法準確評定其病險嚴重程度。例如，兩座大壩均判定為C級時，其各項專題可能存在明顯的差異，即所有專題項同為C級和僅有一項為C級的大壩等級相同。顯然，對于同為三類壩的兩座大壩，僅有一項判定為C級的大壩病險嚴重程度要遠遠低于所有項均判定為C級的大壩。

2 層次分析法的應用

隨著相關法規體系的不斷完善及病險水庫加固整治研究的持續深入，評價分析水庫病險嚴重程度的方法越來越引起關注[3-4]。對此，本文利用層次分析與傳統大壩安全評價有效結合的方法，通過定量計算和定性分析準確判定水庫的病險嚴重程度。

2.1 工程概況

王法溝水庫位于遼寧省北票市馬友營鄉，建設在大凌河三級支流王法溝河上，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養殖等綜合利用的小(2)型水庫。該水庫于1974年建成并投入使用，屬于典型的“三邊工程”，當時按20年一遇洪水標準設計、300年一遇洪水標準校核，設計總庫容34.68萬m3。水庫集雨面積2.75 km2，河流長度4.12 km，河道比降為25.85‰。水庫現狀設計洪水位248.76 m，校核洪水位250.05 m，正常高水位247.50 m，死水位245.42 m，壩前淤積高程為243.81 m。

目前，水庫存在的病險隱患：大壩壩基滲漏、護坡石風化嚴重、壩體遍布雜草、溢洪道底板未完全襯砌且無消能設施、溢洪道邊墻基礎未坐落于基巖上、輸水洞洞體腐蝕嚴重、出口處無閘閥影響了工程安全[5]。左壩肩建設標準低存在安全隱患，現有上壩公路為鄉村土路，雨天泥濘不堪，車輛無法行駛，一旦汛期水庫遇到險情，施工機械無法及時進入水庫搶險。此外，王法溝水庫擔負著極為重要的防洪任務，直接保護下游0.14萬口人，26.7 hm2耕地及國道305線。

2.2 AHP法的實現

(1) 構造梯階層次結構。通過研究、調查、分析決策目標，明確各因素之間的關系及其與目標體系有關的因素，并按照一定的準則劃分各層次結構，從而生成梯階層次評價體系，如表1。

表1 水庫大壩安全評價體系

依據已構造的梯階結構體系，通過兩兩比較每層級的下屬因子相對于上一層因素的相對重要度，按照1～9標度準則從上而下逐層構造判斷矩陣。實際應用時，充分考慮領域內有關專家意見和水庫運行的實際情況，經比較分析直觀、準確的確定各因素之間的特定關系，標度含義如表2。

(2) 層次單排序。利用數學方法求解特征向量及其最大特征值，經歸一化處理確定層次單排序權向量。采用判斷矩陣定量化、數字化轉換決策者的定性思維，該過程具有一定的客觀隨意性，為保證結果的科學合理性有必要檢驗其一致性。若不符合檢驗要求，要適當修正判斷矩陣，直至符合最終的檢驗要求。

表2 1～9標度含義

采用不考慮最大特征根的其他特征值平均指標準確反映判斷矩陣的偏離一致性，表達式如式(1)：

(1)

式中：n為矩陣的階數；λmax為最大特征值。矩陣符合一致性檢驗的評定基準為CR<0.10，即CR=CI/RI，其中RI、CI為不同階數的平均隨機一致性指標和矩陣的離散一致性程度指標，利用表3選擇不同階數矩陣的RI值。

表3 離散一致性指標值RI

(3)層次總排序。關于目標層各層因素的合成權重，按照從上而下的次序逐級計算，從而確定對于總目標決策各個指標因素的影響排序。為保證邏輯關系的科學合理性，還要檢驗層次總排序的一致性，在層次單排序、總排序符合一致性要求的條件下，確定水庫病險嚴重程度各參評因子權重，即CR<0.1時所求解的特征向量W的分項。

2.3 水庫安全評價應用

將水庫大壩病險程度利用綜合評分法分析，總體上可劃分為3個階段，即分解、判斷、綜合，具體如下：

(1) 分解。考慮領域內有關專家意見，運用層次分析法求解梯階結構體系中各參評因子權重，結合工程實際情況逐層分解安全評價相關內容。然后利用專家調查法比較分析參評因子相對重要度，并按照標度準則構造判斷矩陣，經一系列運算轉化確定指標權重。

(2) 判斷。科學判斷結構體系中因素層各項因子，并對大壩安全評價指標利用A、B、C3個等級評判。然而，對所有參評因子利用層次分析法量化時，還要考慮專家意見確定各項因子評分，不同等級的評分標準如表4。

(3) 綜合。關于總目標決策計算最底層因素權重，經一致性檢驗確定符合要求的各因子權重。然后利用加權求和法綜合處理各個因子權重及其專家評分值，由此確定反映水庫安全現狀的綜合評分，并按照等級劃分標準確定水庫病險程度。綜合評分越低則病險問題越嚴重，水庫越迫切需要加固整治。

表4 各等級評分標準

2.4 病險嚴重程度分析

采用1～9標度準則，通過兩兩比較梯階結構體系中各因素的相對重要度，考慮專家意見構建各層級判斷矩陣。本文借助Matlab軟件求解判斷矩陣的最大特征向量，經一致性檢驗獲取層次單排序權值，如表5。

經加權運算確定因素層所有參評因子權重W：W=[0.072 0.030 0.011 0.020 0.008 0.040 0.016 0.025 0.081 0.042 0.090 0.196 0.032 0.058 0.046 0.120 0.017 0.012 0.033 0.004 0.031 0.011 0.005]。

邀請領域內的相關專家對反映水庫病險嚴重程度的23項因子打分如表6，考慮各因子權重確定水庫安全綜合評分。從表6可知，王法溝水庫整體屬于三類壩，汛期水庫極易發生潰壩或漫壩事故，下游防洪安全以及經濟發展受到潛在威脅。

表5 單排序權值與一致性檢驗

表6 水庫大壩安全評分

結合相關調查資料，該水庫大壩存在的問題有：大壩壩頂高程不能滿足防洪要求，大壩迎水坡局部有不均勻塌陷，護坡塊石風化嚴重，且遍布雜草；背水坡坡面為碎石，護坡碎石顆粒大小不均，坡面已凹凸不平且長滿雜草，無排水體；壩基及壩體兩側存在滲漏問題，大壩左壩肩為編織袋裝土臨時加高；壩頂為碎石鋪設，有凹陷、突起，兩側花崗巖路緣石已經破損。溢洪道存在的問題有：基礎較淺且未坐落于基巖上，溢洪道寬窄不一，只有進口處為混凝土襯砌，長約9 m，已經損毀嚴重，其余底板均無襯砌；兩側護墻墻體保存比較完好但水泥抹面已經脫落，無消能設施；輸水洞洞身已經嚴重腐蝕，出水口未設閘閥，輸水洞出口未達到壩腳外，放水時對壩體及壩背水坡造成沖刷，威脅壩體安全。此外，上壩公路為土路，雨天泥濘不堪，通行困難；水文、水情觀測設施過于簡易。

綜上分析，該水庫現存著多處病險隱患，已經影響水庫的安全運行，且防洪位置比較重要，為保證地方經濟發展及維護社會穩定，實施水庫除險加固工程十分必要。將層次分析法與傳統大壩安全評價法相結合，評價結果能夠客觀、真實的反映水庫大壩的運行情況，該方法具有較強的實用性與可靠性。

3 結 論

通過分析病險水庫常見的問題及其成因，指出傳統的評價法無法反映水庫大壩病險嚴重程度的缺陷，在此基礎上構建定量評價水庫病險程度的層次分析模型。相對于現行規程，該方法能夠給出反映水庫病險程度的量化結論，從而為水庫加固方案設計提供科學依據。另外，考慮評價準則及專家意見構造的判斷矩陣符合科學合理性要求，保證了該模型的實用性及可靠性，為病險水庫安全評價提供一種新的思路。