基于改進AHP法的泄水底孔的空蝕風險評價

摘 要：文章通過分析泄水安全現狀及影響因素，從設計、施工、管理三個方面構建了泄水建筑物的空蝕風險評價指標體系，針對傳統的AHP法判斷矩陣經常出現一致性不滿足的情況，提出采用五標度法及最優傳遞矩陣來構造判斷矩陣改進AHP法，使判斷矩陣自然滿足一致性檢驗，進而賦予各指標權重，并根據權重對指標進行排序。對某一工程實例進行計算，分析得出主要的風險因素，進行泄水風險評價，針對其提出一些建議改進與防范措施。

關鍵詞：泄水建筑物；空化空蝕；風險分析；改進層次分析法

引言

在中高水頭泄水建筑物中的某些部位，在設計不妥或施工不慎等其他原因下，常常會使泄水建筑物的過流面出現空蝕破壞現象，破壞泄流建筑物的過流表面，降低泄流能力，嚴重時還會導致泄流建筑物不能正常運行，甚至引起振動，導致工程破壞等[1]。因此空蝕破壞現象，已成為水利工作者值得十分重視的問題。從1971年Yen等首先論證了風險分析在水系統的可行性后[2]，風險分析在水利工程系統及范圍更廣的水文水資源與水環境系統中逐漸推廣應用，但把空蝕問題與風險分析相結合的做法尚不夠成熟。

1 泄水建筑物空蝕風險評價指標體系的構建

空化現象是水流在一定溫度下，壓力降低到某一臨界數值（一般強況下為水的氣化壓強），水流內部形成空穴、空洞或空腔的現象。空蝕是由空化引起的，是空化破壞能力和邊壁材料抗空蝕強度的綜合結果[3]。造成空蝕的因素很多，包括流速、壓強、表面光滑程度和平整度、溫度等各種因素。對于空蝕風險評價指標的選擇，至今尚無統一標準。泄水建筑物事故有施工期的事故，也有運行期的事故，運行期的事故除了與管理因素，施工因素外，還與設計因素有關。造成泄水建筑物空蝕破壞的原因是多方面的，有的是由于建筑物形體設計不良，有的是由于施工不平整度過大，有的是由于管理運用不當，以及上述幾種原因綜合作用產生了空蝕水流，造成了空蝕破壞。因此，關于空蝕破壞問題，涉及到設計，施工和管理等幾個方面[1]。

（1）設計風險：由于設計過程中過于保守，失誤，變更多等因素，選擇了不適當的形體設計，摻氣設施等，使得在高水頭，流速過大時，造成泄水建筑物的某些位段出現嚴重的空蝕破壞，對泄水安全造成嚴重的影響。設計風險在泄水安全中極為突出。

（2）施工風險：在工程施工期，由于施工操作的不確定性高、施工場地的限制、工序多而交叉，工程施工的安全問題也值得關注。施工縫的處理，造成表面隆起，鋼筋頭突起等都與過流面不平整度密切相關。施工技術的不完善，混凝土施工質量的標準均有一定風險。因此合理評價其施工風險并采取針對性措施對促進其安全快速施工具有至關重要的作用。

（3）管理風險：在運行管理方面，閘門開啟度及運行時間長短等也會對泄水建筑物的空蝕破壞造成一定的影響。對泄水建筑物運行后的及時觀測，發現輕微損壞的檢修過程中，操作不當亦會影響泄水建筑物的運行安全。因此管理風險也是泄水建筑物空蝕風險評價中一個重要的方面。

在查閱大量有關資料和了解多年從事水利工程的設計人員、管理人員、施工人員工作經驗的基礎上，確定各類風險，并且選擇參與工程設計、施工、組織管理工作數年的不同層次的專家參與問卷調查，根據專家意見進行統計值，識別出主要風險，并選擇各類風險中最重要的幾個風險因素構建泄水建筑物空蝕風險的評價指標體系，見圖1。

2 泄水建筑物空蝕風險評價的改進AHP法

（1）構造判斷矩陣 傳統層次分析法為比較每一個因素對目標的影響，從而確定其在目標中的重要程度，每次取2個因素對目標的影響之比，常采用1-9標度法構造出各層的判斷矩陣A=[aij][4]。判斷矩陣是表征針對上一層某個因素，本層有關因素相對重要性的量化矩陣。構建判斷矩陣是層次分析法的關鍵環節，易產生主觀失誤，采用1-9標度法確定同層各因素之間的相對重要性時，雖然1-9標度法對兩因素之間的重要程度作了細化的區分比較，由于人為判斷的主觀性和片面性，在相應標度之間很難做出精確判斷，從而影響了權重計算結果的準確性，產生偏差，因此需要一致性的檢驗。為減小這種偏差，采用表1所示的5標度法進行元素間的相對重要性判斷，用自調節方式建立比較矩陣，然后計算出最優傳遞矩陣，再將其轉化為一致性矩陣，自然滿足一致性要求，不需進行一致性檢驗。

表1 判斷矩陣標度及其含義

（2）計算判斷矩陣A 的反對稱傳遞矩陣，具體公式為：

bij=lgaij（1）

（3）計算最優傳遞矩陣，具體公式為

Cij=■？撞■■（bik-bjk） （2）

（4）計算擬優一致矩陣的特征根和特征向量，該特征向量即為同層次各元素相對于上一層某元素的相對重要性權重。

（5）經計算可知二級指標的權重系數，根據上述一級指標和二級指標的權重系數后，即可根據下式求得各風險因素的綜合權重[5]。

各風險因素的綜合權重=■×一級指標權重系數 （3）

3 工程實例分析

龍羊峽位于青海共和縣境內的黃河上游，是黃河流經青海大草原后，進入黃河峽谷區的第一峽口，峽口只有30米寬，堅硬的花崗巖兩壁直立近200米高，是建立大壩的寶地。電站庫容為276億立方米，工程任務以發電為主，兼顧防洪、灌溉。混凝土重力拱壩高178m，壩長396m，最大底寬80m，弧高比為2.22，厚高比為0.449，總裝機容量為1280MW。壩址基巖為花崗閃長巖，巖性堅硬，斷裂構造發育，工程地質條件十分復雜。

用1-5比較尺度構造判斷矩陣時，所構造的判斷矩陣中設計因素比施工因素的重要度為3，即矩陣A的元素a12數值為3；由于設計因素是一種先決條件，風險性更大，因此認為設計風險指標非常重要，構造的判斷矩陣中設計因素比管理因素的重要程度為5，表明設計因素比管理因素非常重要，即a13數值為5。同理進行其他因素的重要性比較，構造出如下判斷矩陣：

按照式（1）計算出各判斷矩陣的反對稱傳遞矩陣，再按式（2）計算出最優傳遞矩陣，然后轉化成一致性矩陣，最后計算出該矩陣的特征根和特征向量為：

W=（0.6194，0.2842，0.0964）；W1=（0.5889，0.2519，0.1593）；

W2=（0.5124，0.3295，0.1581）；W3=（0.6667，0.3333）；

繼而得到同層次各元素相對于上一層某元素的相對重要性權重。

通過所構造判斷矩陣最后轉化成的一致性矩陣計算，對各層次及各類別進行重要性排序工作，計算得到各層的權重（見表2和表3）。采用前面所述改進層次分析法，最后再按式（3）計算出所構建指標體系中各指標的綜合權重值，并按其綜合權重的大小對龍羊峽底孔泄水槽空蝕的主要風險進行排序（見表3）。

表2 準則層權重匯總

表3 龍羊峽底孔泄水槽空蝕風險排序

從表3中可以看出，除了龍羊峽水電站工作水頭高，流速大，還有混凝土表面不平整，形體選擇不當，摻氣設施不合理幾個方面為龍羊峽水電站底孔泄槽空蝕破壞的主要風險因素。針對龍羊峽底孔泄水槽空蝕的主要風險，提出并改進了以下主要針對性措施：（1）設計上控制渠線，優化體型選擇。（2）施工中控制流道的不平整度，提高材料的抗空蝕性能。（3）合理設置摻氣設施。

4 結束語

文章采用基于專家評價的風險識別模式按類識別出泄水建筑物設計、施工和管理的主要風險，構建出在泄水建筑物空蝕風險評價體系，將改進的層次法對泄水建筑物空蝕風險進行，計算方法科學、簡便，減少了主觀成分，增加了評價的客觀性。

針對龍羊峽水電站泄水空蝕風險評價，通過研究分析，造成空蝕破壞的原因是多方面的。對于龍羊峽，影響其底孔泄水槽空蝕的主要因素是流速高、施工引起的種種不平整度、突擴跌坎體型。水流摻氣有助于空蝕的發生和發展過程，對于突擴體型要有充分的摻氣保護，而且嚴格控制壁面的不平整度，從而減免空蝕破壞的發生。

參考文獻

[1]李建中.高速水力學[M].西安：西北工業大學出版社，1994.

[2]YEN B C， ANG A H S1 Risk analysis in design of hydraulic projects[C] MCHIU C L1 Proc 1st Inter Sump on Stocha Hydrau. Pittsburg： University of Pittsburg， 1971： 694- 709.

[3]黃繼湯.空蝕與空蝕的原理及應用[M].北京：清華大學出版社，1989.

[4]鄧雪，李家銘，曾浩健，等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].數學的實踐與認識，2012，7：93-100.

[5]李巋然，李歡，孫楠，等.基于層次分析法的水利工程風險評價指標體系研究[J].經濟研究導刊，2013，30：192-194.

[6]吳寶琴，盧泰山.龍羊峽底孔泄水道沖蝕破壞成因探析[J].西北水資源與水工程，2000，4：55-58.

作者簡介：尤美婷（1989-），女，碩士研究生，研究方向為水工水力學。