三河閘工程弧形鋼閘門安全性綜合評估分析

張 狀

（江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100）

1 工程背景

三河閘工程位于江蘇省淮安市洪澤區與盱眙縣交界處，于1952年10月動工興建，1953年7月建成放水，原設計流量為8 000 m3/s，加固后的三河閘設計行洪能力提高到12 000 m3/s，設計抗震烈度7度，屬大（1）型水閘。閘身為鋼筋混凝土結構，共63孔，每孔凈寬10 m，總寬697.75 m，底板高程7.5 m，寬18 m，共21塊底板，閘孔凈高6.2 m。閘門為鋼結構弧形門，每孔均設有2×100 kN低速弧門卷揚式啟閉機一臺，左右岸空箱內分別設有水電站一座，裝機容量均為200 kW[1]。

建成以來，三河閘工程抗御了1954年、1991年、2003年、2007年等大洪水，充分發揮了骨干水利工程效益。年均泄洪近200億m3，為保證里下河地區3 000萬畝農田和2 000多萬人民生命財產的安全作出了卓越貢獻。三河閘工程攔蓄淮河上、中游來水，使洪澤湖成為一個巨型平原水庫，為蘇北地區的工農業、人民生活用水提供了豐富的水源。

2 指標體系的建立

2.1 指標選取及分類

按照科學性、可操作性、目的性、層次性、相對獨立性以及定性與定量原則，參考《水庫大壩安全評價導則》對閘門安全狀態的評估[2-4]，將弧形鋼閘門安全性態評估A設定為目標層，在目標層下選擇制作安裝質量B1（包括零部件質量C1、預埋件質量C2、止水性能C3、焊縫質量C4、制作安裝評級C5等五個指標），運行管理情況B2（包括運行年限C6、操作管理C7、維修管理C8等三個指標），閘門強度B3（包括面板強度C9、主梁強度C10、支臂強度C11等三個指標），閘門剛度B4（包括主梁剛度C12和支臂穩定性C13兩個指標），啟閉能力B5（包括啟閉能力C14和閉門能力C15），腐蝕情況B6（包括腐蝕率C16、腐蝕最大深度C17、腐蝕速率C18等三個指標），工作狀況B7（包括閘門振動C19、閘門空蝕C20、上下游水流狀態C21等三個指標），構建弧形鋼閘門安全性評估指標體系見圖1。

2.2 安全等級劃分原則

圖1 弧形鋼閘門安全性評估指標體系

參照《水閘安全鑒定規定》對評價指標和安全性進行等級細分，劃分為：1良好，綜合評分得分區間[0,0.25]，表示該閘門滿足規范要求，未發生過異常狀況，只需定期維護；2合格，綜合評分得分區間（0.25，0.5]，表示該閘門滿足規范要求，且閘門未發生過較大異常狀況，只需加強維護；3基本合格，綜合評分得分區間（0.5，0.75]，表示該閘門基本滿足規范要求，閘門基本能正常運行，但需進行相關的維修養護；4不合格，綜合評分得分區間（0.75，1.0]，表示該閘門不滿足規范要求，閘門不符合正常運行規范，禁止使用， 需進行大修或報廢更換處理。在21個指標中，C1~C5，C7~C8，C20~C21等九個指標屬于現場定性評價指標，按照現場實際情況進行專家打分，根據專家打分情況進行等級劃分，劃分原則同上，其余指標為定量評價，各評價指標的等級標準見表1。

表1 各評價指標的等級劃分標準

3 基于TOPSIS安全性評估分析

3.1 TOPSIS簡介

理想點法（TOPSIS）最早誕生于20世紀80年代，作為一種評價函數，其基本原理是通過計算評估對象現狀值與理想化目標的最優解和最劣解的綜合測距來進行排列和分析，當現狀值與最優解越貼近時，表明目前狀態越好，反之則越差，是可以使各個目標值都逼近理想（最優）值的一種多目標規劃方法，具有計算簡單、高效的優勢，在工程管理等領域應用比較普遍[5]。TOPSIS 評估流程主要分為以下6個步驟：①構建指標評價體系；②通過層次分析法、熵值法以及變權法確定各指標的權重大小；③確定各指標的正負理想點；④計算綜合測度距離D；⑤計算貼近度T；⑥根據綜合測度距離和貼近度，對弧形閘門安全現狀進行評估， TOPSIS評估流程見圖2。

圖2 TOPSIS評估流程

正負理想點、綜合測度距離以及貼近度是理想點法應用時最重要的三個參數。正負理想點分別代表了評估對象的最優解和最劣解，由于弧形閘門所有指標從開始運行，所有指標都是呈劣化態勢，因而各評估指標也均為負向指標，故本文將“0”作為弧形閘門的正向理想點，將“1”作為弧形閘門的負向理想點。綜合測距度D表示評估對象的實際值與理想化目標值之間的距離差；貼近度T則表示評估對象正綜合測度距離與正、負綜合測度距離總和的比值，貼近度越小，表明評估對象目前狀態越接近于理想值，通過綜合測距度和貼近度來對弧形閘門當前狀態進行評估，評估準則見表2。

表2 閘門整體狀態評價標準

3.2 TOPSIS綜合評估分析結果

在建立好弧形鋼閘門安全性評估指標體系之后，需要對各個指標進行量化處理，在量化處理過程中，C1~C5，C7~C8，C20~C21等九個現場定性評價指標采用專家打分法進行賦值，其余指標按照實際值進行等級劃分，得到21個評價指標的取值匯總情況，見表5。

表5 評價指標取值匯總

通過層次分析法、熵值法以及變權法確定各評價指標和評價準則層的權重值，見圖3。從圖3中可知：在21個弧形閘門安全評價指標中，權重值最大的前三位分別是C13、C18和C10，表明支臂穩定性、腐蝕速率和主梁強度對弧形閘門安全性有比較重要的影響。在7個準則層指標中，B3的權重值最大，其次為B1和B4，表明制作安裝質量、閘門強度以及閘門剛度對弧形閘門的安全具有決定性作用。

圖3 權重值計算結果

通過各指標的正負理想點，計算當前狀態指標與理想指標值的綜合測度距離和貼近度，最終得到的本工程弧形閘門的正理想點綜合測度D1為0.459，負理想點綜合測度D2為0.594，貼近度T=D1/（D1+D2）=0.436，根據表1評價準則，可以判斷案例工程弧形閘門整體處于“良好”的安全狀態，利用TOPSIS綜合評估方法得到的評價結果與現場專家按照《水庫大壩安全鑒定》中弧形鋼閘門的安全鑒定結論基本一致，但可以最大程度上避免現場鑒定時專家主觀意見的影響，更能反映出弧形閘門當前所處的實際情況，表明基于TOPSIS法進行弧形閘門安全評價合理可行。

4 結語

（1）以三河閘工程弧形閘門為例，基于層次分析法構建弧形鋼閘門安全性評估指標體系，該體系包括7個準則層指標和21個評價指標，并制定了各評價指標的等級劃分標準。

（2）構建基于理想點（TOPSIS）的弧形閘門安全狀態評估流程，同時確定了以貼近度為計算結果的安全評價準則，將弧形閘門安全狀態劃分為良好、合格、基本合格以及不合格四個狀態。

（3）通過計算分析，得到正、負理想點綜合測度D1和D2分別為0.459和0.594，貼近度為0.436，閘門目前處于良好狀態，與現場專家鑒定結果基本一致，表明基于TOPSIS法進行弧形閘門安全評價合理可行。