改進層次分析法在土石壩安全評價中的應用

陳 誠,花劍嵐

(1.黃河水利職業技術學院水利系,河南 開封 475003;2.南京市水利規劃設計院有限責任公司,江蘇 南京 210022)

1 土石壩潰決模型的建立

傳統的水庫安全評價方法一般包括工程質量評價、大壩運行管理評價、防洪標準復核、結構安全評價、滲流安全評價、抗震安全復核、金屬結構安全評價、大壩安全綜合評價等內容[1]。這些評價方法到目前為止仍具有比較好的可靠性,但是在評價過程中涉及大量的計算問題,評價過程較復雜。影響水庫安全的因素是復雜的、隨機的,如一般洪水條件下在溢洪道閘門意外卡槽的情況下,也可能發生漫頂而潰壩的事件,因此水庫安全評價應該采用動態的風險評價方法。筆者試圖應用改進層次分析法結合概率分析方法,建立土石壩安全綜合評價方法。

土石壩破壞的基本原因有漫頂、漏水、管涌破壞、滑坡、裂縫、護坡破壞、壩基破壞、施工質量差等[2]。為了分析土石壩潰決的事故模型,對上述土石壩潰決的原因進行分析歸類,分析各原因之間的關系,層層分解,最后建立土石壩潰決的事件關系模型。一般土石壩潰決分為4大類,分別為水流漫頂潰決、滑坡破壞、滲漏破壞及管理不當[3]。對這4類破壞因素逐層分解便可得到影響土石壩潰決的基本事件X。土石壩潰決的事件關系模型如表1所示。事件超標準洪水X 1、溢洪道斷面不足X2、啟閉設備失靈X 3,3者之間是事件積的關系,當發生超標準洪水時,如溢洪道斷面不足,可增加輸水洞、泄洪洞泄洪,但如果輸水洞、泄洪洞閘門失靈,可能因溢洪道斷面不足而發生洪水漫頂事件。其他事件一旦發生就可能引發相應的中間事件,事件間的關系為事件和的關系。

2 土石壩潰決概率計算

2.1 土石壩潰決概率計算公式

根據土石壩潰決事件關系,模型再利用概率計算方法即可得出潰決概率為

表1 土石壩潰決事件關系模型

不同的水庫樞紐,同一基本事件,發生的概率不同,概率的權重也不盡相同?？紤]概率權重后,土石壩潰決概率為

式中:qi為基本事件發生的概率;pi為基本事件概率的權重。

在上述模型中各事件之間的層次關系清楚,不同事件對潰壩作用的程度不同,采用改進層次分析法可求出各事件在潰壩概率分析中的權重大小。由于事件權重的大小取決于專家評委會對中間事件的相對重要性評估值,該評估值與大壩實際狀況、水文狀況變化有關,概率權重具有動態性,因此評價結論也只能反映大壩某一歷史階段的安全程度[4]。

2.2 用層次分析法計算土石壩潰決概率權重

2.2.1 構造判斷矩陣B

層次分析法是美國著名運籌學家T L Saaty創立的一種新的多準則決策方法,已被廣泛應用于許多難以完全用定量方法來分析的復雜系統。層次分析法通過分析復雜系統所包含的因素及其相互關系,將問題分解為不同的要素,并將這些要素分為不同的層次,從而形成一個多層次的分析結構模型[5]。計算中最關鍵的步驟就是構造判斷矩陣,判斷矩陣表示針對上一層次某一單元(元素),本層次與之有關單元之間相對重要性的比較,寫成判斷矩陣的形式。假定P1,P2,…,Pn個方案以準則C1來進行兩兩對比,評比結果用判斷矩陣B表示,則

判斷矩陣B具有如下特性:①bii=1;②bij=1/bij(i,j=1,2,…,n);③bij=bik/bjk(i,j,k=1,2,…,n)。bij表示第i個方案與第j個方案比較其重要程度的標度值。bij值應根據資料數據、專家意見和系統分析人員的經驗經過反復研究后確定。只要矩陣中的數據符合上述特性,就說明判斷矩陣具有完全的一致性。

2.2.2 構造最優傳遞矩陣O

根據Oij=(bik+bkj),計算最優傳遞矩陣如下:

2.2.3 確定一致性矩陣K

利用kij=exp(oij)可求出一致性矩陣如下:

2.2.4 求權重矩陣PT

利用方根法求出特征向量:

其中pi=再將特征向量規一化,pTi=,得到權重矩陣:

3 以陸渾水庫為例進行大壩安全評價

3.1 陸渾水庫潰壩基本事件

陸渾水庫潰壩的主要基本事件有超標準洪水、壩基管涌、主壩和西壩頭存在滲流穩定問題、大壩上游坡滑坡等21種,這里僅對主要事件做簡要分析。

3.1.1 超標準洪水漫頂

超標準洪水是當暴雨中心在水庫上游造成庫水位猛漲時可能出現的一種漫溢險情。根據歷史資料的不完全統計,從公元前184年到1949年新中國成立之前的2133年間共發生大洪水13次,給伊洛河流域兩岸人民的生命財產均造成了巨大的損失。公元271年,洛陽等地發生特大洪水。公元223年的洪水洪峰流量最大,據推算,伊河龍門流量達20000m3/s。洪水屬于尖瘦型洪峰類型,陡漲陡落。

陸渾水庫建庫以來,發生過“75?8”和“82?7”2 次較大洪水,1975年8月上旬水庫遭遇了建庫以來最大的暴雨洪水,最大120 h流域平均降雨量為322.6mm,最大入庫流量為5640m3/s。1982年 7月底至8月初,水庫遭遇了建庫以來的第2次大洪水。陸渾站5 d累計雨量為766.2mm,其中7月29日最大日雨量達528.7mm。該次洪水是個復峰,第1個峰的洪水最大入庫流量為5280m3/s,第2個峰的洪水東灣站實測洪峰流量為3500m3/s。

3.1.2 壩基管涌破壞

由于水庫壩基基巖構造復雜,有6條順河斷層(其中最大的F5斷層寬40m),且基巖裂隙也比較發育,原設計未對基巖采取灌漿處理,加之河床底部2m厚的砂卵石中粒徑2cm以下的細粒少,截水槽黏土與砂卵石之間30cm厚的反濾層是否能夠滿足反濾要求尚不能確定。因此,汛期高水位時發生滲透破壞形成管涌的可能性存在,一旦發生這一情況,其表現主要是濾水壩址附近的河床砂、礫石層出現單點或多點式翻砂冒水或橡皮泥現象。

3.1.3 大壩上游坡滑坡

當地震或庫水位驟降造成大壩上游坡滑坡時(黏土斜墻上的砂卵石保護層沿斜墻下滑),應立即進行搶護,防止水位上漲后風浪沖擊淘刷斜墻[6]。陸渾水庫上游壩坡系混凝土塊體護坡,比一般塊石護坡抗風浪能力強。但壩體截滲體為黏土斜墻,在斜墻的前面鋪有不等厚度的天然砂、礫石料層,其外層是按設計鋪設的反濾層。產生滑坡的可能條件是:當水庫遇到緊急情況,必須使水庫高水位驟降時,如果來不及排水,就有可能引起黏土斜墻前面反濾料層及混凝土塊護坡沿斜墻面向下滑塌,造成黏土斜墻外露,受風浪沖擊危及大壩安全。

3.1.4 主壩和西壩頭存在滲流穩定問題

東、西壩頭或壩肩部位因上游防滲體薄弱,在高水位下可能會出現滲漏破壞等。東壩肩至灌溉洞間的地帶寬約200m,在高程295m以下為基巖,295～297m間為一天然砂、礫石層,再往上為原黏土層。砂、礫石層上游進口處接大壩斜墻設置了底寬為4m的黏土截滲墻,用以防止砂、礫石層的滲流破壞。

3.1.5 突發性故障

當泄水閘門因發生突發性故障而不能及時泄洪時,也可能給水庫帶來滅頂之災。陸渾水庫現有4類泄水建筑物,即溢洪道、泄洪洞、灌溉洞、輸水洞。最大總泄量為5622m3/s,這4大類建筑物能否安全運用,關系到水庫的安危,在閘門啟閉中可能發生突發性故障,其一是啟閉電源中斷造成閘門無法啟閉;其二是閘門機電設施發生故障造成啟閉困難。這2種情況的發生都將給水庫的安全帶來致命的威脅。

3.2 確定各事件概率權重值

潰壩事件實際上是一個系統各基本事件共同作用的結果。影響土石壩潰壩的因素很多,各因素之間不是孤立的,而是相互作用的,是多層次的錯綜復雜的,這些因素具有很大的不確定性和模糊性[7],利用層次分析法可以比較好地確定各個事件對潰壩產生的影響程度,對利用事故樹原理求出的土石壩概率進行加權處理,能更好地反映土石壩潰決概率,并使對土石壩的評價更趨向合理。

3.2.1 確定各因素的相對權重

3.2.1.1 中間事件相對大壩潰決的權重矩陣

a.中間事件比較矩陣 C的建立。C的元素是根據各中間事件的相對重要性確定的,專家評委會初步評估各中間事件的相對重要性為 M1＞M2＞M3＞M4,C的元素按下列判斷關系確定:

再根據中間事件相對重要性比較矩陣:

c.確定一致性矩陣K。利用kij=exp(oij)可求出一致性矩陣如下:

d.中間事件M對大壩潰決的權重矩陣PT。利用方根法求出M的特征向量

3.2.1.2 各基本事件相對中間事件權重pj計算

pj計算方法和步驟與中間事件對大壩潰決權重計算方法相同,現將計算結果歸結到表2中。各因素對中間事件的權重向量矩陣為

最后得各基本事件相對大壩潰決的權重向量矩陣為

表2 各因素對中間事件權重計算

3.3 陸渾水庫基本事件概率分析

陸渾水庫是按1000年一遇標準洪水設計,按10000年一遇洪水校核。自1965年大壩竣工建成以來,發生過 “75?8”和“82?7”2 次較大洪水 ,各事件的統計資料難以搜集完整,對事件可能發生的概率通過調查分析得出。通過對專家和工程管理技術人員的調查后確定各基本事件可能發生的概率如表3所示。

表3 陸渾水庫基本事件發生概率分析調查統計

3.4 陸渾水庫安全評價

計算表明,陸渾水庫大壩潰決概率為0.0054,其安全保證率為0.9966。2006年12月河南省水利廳組織有關部門的代表和專家對陸渾水庫除險加固工程進行了蓄水安全驗收,對大壩蓄水安全評估,得出了陸渾水庫除險加固工程防洪能力滿足規范規定的標準要求、樞紐加固建筑物設計合理、符合現行規范要求、工程質量控制嚴格、工程具備正常運行條件的結論。由此可見,驗收評價結論與計算結果較吻合。盡管如此,由于對事件概率缺乏更詳細的系列統計資料,概率調查情況難以反映真實工程的全貌[8],因此本結論只能作為一個參考。

4 結 語

大壩潰決概率計算方法很多,筆者建立的土石壩安全評價數學模型反映事件之間的關系清楚,概念明確,計算工作量相對較少,能在特定條件下快速地對大壩安全做出評估,為決策者提供參考依據。但是利用層次分析法確定基本事件概率的權重時,對事件重要性的評估,盡管集中了評估委員會專家、學者的數據,仍不可避免地具有一定的主觀性。在選擇評估專家時要全面考慮,既要有來自工程一線的高級工程技術管理人員,也要有來自工程設計、科研方面的相關專家學者,使對各事件重要性評估更加趨于合理。

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[5]張新玉.水利投資效益評價理論與方法[M].北京:水利水電出版社,2005:119-120.

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