基于改進AHP法的泄水底孔的空蝕風(fēng)險評價

摘 要：文章通過分析泄水安全現(xiàn)狀及影響因素，從設(shè)計、施工、管理三個方面構(gòu)建了泄水建筑物的空蝕風(fēng)險評價指標(biāo)體系，針對傳統(tǒng)的AHP法判斷矩陣經(jīng)常出現(xiàn)一致性不滿足的情況，提出采用五標(biāo)度法及最優(yōu)傳遞矩陣來構(gòu)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(biāo)權(quán)重，并根據(jù)權(quán)重對指標(biāo)進行排序。對某一工程實例進行計算，分析得出主要的風(fēng)險因素，進行泄水風(fēng)險評價，針對其提出一些建議改進與防范措施。

關(guān)鍵詞：泄水建筑物；空化空蝕；風(fēng)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(shè)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(xiàn)空蝕破壞現(xiàn)象，破壞泄流建筑物的過流表面，降低泄流能力，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致泄流建筑物不能正常運行，甚至引起振動，導(dǎo)致工程破壞等[1]。因此空蝕破壞現(xiàn)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(fēng)險分析在水系統(tǒng)的可行性后[2]，風(fēng)險分析在水利工程系統(tǒng)及范圍更廣的水文水資源與水環(huán)境系統(tǒng)中逐漸推廣應(yīng)用，但把空蝕問題與風(fēng)險分析相結(jié)合的做法尚不夠成熟。

1 泄水建筑物空蝕風(fēng)險評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

空化現(xiàn)象是水流在一定溫度下，壓力降低到某一臨界數(shù)值（一般強況下為水的氣化壓強），水流內(nèi)部形成空穴、空洞或空腔的現(xiàn)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(jié)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(fēng)險評價指標(biāo)的選擇，至今尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)計因素有關(guān)。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(shè)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(dāng)，以及上述幾種原因綜合作用產(chǎn)生了空蝕水流，造成了空蝕破壞。因此，關(guān)于空蝕破壞問題，涉及到設(shè)計，施工和管理等幾個方面[1]。

（1）設(shè)計風(fēng)險：由于設(shè)計過程中過于保守，失誤，變更多等因素，選擇了不適當(dāng)?shù)男误w設(shè)計，摻氣設(shè)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(xiàn)嚴(yán)重的空蝕破壞，對泄水安全造成嚴(yán)重的影響。設(shè)計風(fēng)險在泄水安全中極為突出。

（2）施工風(fēng)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(guān)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(guān)。施工技術(shù)的不完善，混凝土施工質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)均有一定風(fēng)險。因此合理評價其施工風(fēng)險并采取針對性措施對促進其安全快速施工具有至關(guān)重要的作用。

（3）管理風(fēng)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(fā)現(xiàn)輕微損壞的檢修過程中，操作不當(dāng)亦會影響泄水建筑物的運行安全。因此管理風(fēng)險也是泄水建筑物空蝕風(fēng)險評價中一個重要的方面。

在查閱大量有關(guān)資料和了解多年從事水利工程的設(shè)計人員、管理人員、施工人員工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，確定各類風(fēng)險，并且選擇參與工程設(shè)計、施工、組織管理工作數(shù)年的不同層次的專家參與問卷調(diào)查，根據(jù)專家意見進行統(tǒng)計值，識別出主要風(fēng)險，并選擇各類風(fēng)險中最重要的幾個風(fēng)險因素構(gòu)建泄水建筑物空蝕風(fēng)險的評價指標(biāo)體系，見圖1。

2 泄水建筑物空蝕風(fēng)險評價的改進AHP法

（1）構(gòu)造判斷矩陣 傳統(tǒng)層次分析法為比較每一個因素對目標(biāo)的影響，從而確定其在目標(biāo)中的重要程度，每次取2個因素對目標(biāo)的影響之比，常采用1-9標(biāo)度法構(gòu)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(guān)因素相對重要性的量化矩陣。構(gòu)建判斷矩陣是層次分析法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生主觀失誤，采用1-9標(biāo)度法確定同層各因素之間的相對重要性時，雖然1-9標(biāo)度法對兩因素之間的重要程度作了細化的區(qū)分比較，由于人為判斷的主觀性和片面性，在相應(yīng)標(biāo)度之間很難做出精確判斷，從而影響了權(quán)重計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，產(chǎn)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(biāo)度法進行元素間的相對重要性判斷，用自調(diào)節(jié)方式建立比較矩陣，然后計算出最優(yōu)傳遞矩陣，再將其轉(zhuǎn)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(biāo)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(yōu)傳遞矩陣，具體公式為

Cij=■？撞■■（bik-bjk） （2）

（4）計算擬優(yōu)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(quán)重。

（5）經(jīng)計算可知二級指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，根據(jù)上述一級指標(biāo)和二級指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)后，即可根據(jù)下式求得各風(fēng)險因素的綜合權(quán)重[5]。

各風(fēng)險因素的綜合權(quán)重=■×一級指標(biāo)權(quán)重系數(shù) （3）

3 工程實例分析

龍羊峽位于青海共和縣境內(nèi)的黃河上游，是黃河流經(jīng)青海大草原后，進入黃河峽谷區(qū)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(wù)以發(fā)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(gòu)造發(fā)育，工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜。

用1-5比較尺度構(gòu)造判斷矩陣時，所構(gòu)造的判斷矩陣中設(shè)計因素比施工因素的重要度為3，即矩陣A的元素a12數(shù)值為3；由于設(shè)計因素是一種先決條件，風(fēng)險性更大，因此認(rèn)為設(shè)計風(fēng)險指標(biāo)非常重要，構(gòu)造的判斷矩陣中設(shè)計因素比管理因素的重要程度為5，表明設(shè)計因素比管理因素非常重要，即a13數(shù)值為5。同理進行其他因素的重要性比較，構(gòu)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(yōu)傳遞矩陣，然后轉(zhuǎn)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(quán)重。

通過所構(gòu)造判斷矩陣最后轉(zhuǎn)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(quán)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(gòu)建指標(biāo)體系中各指標(biāo)的綜合權(quán)重值，并按其綜合權(quán)重的大小對龍羊峽底孔泄水槽空蝕的主要風(fēng)險進行排序（見表3）。

表2 準(zhǔn)則層權(quán)重匯總

表3 龍羊峽底孔泄水槽空蝕風(fēng)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(dāng)，摻氣設(shè)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(fēng)險因素。針對龍羊峽底孔泄水槽空蝕的主要風(fēng)險，提出并改進了以下主要針對性措施：（1）設(shè)計上控制渠線，優(yōu)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(shè)置摻氣設(shè)施。

4 結(jié)束語

文章采用基于專家評價的風(fēng)險識別模式按類識別出泄水建筑物設(shè)計、施工和管理的主要風(fēng)險，構(gòu)建出在泄水建筑物空蝕風(fēng)險評價體系，將改進的層次法對泄水建筑物空蝕風(fēng)險進行，計算方法科學(xué)、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(fēng)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(fā)生和發(fā)展過程，對于突擴體型要有充分的摻氣保護，而且嚴(yán)格控制壁面的不平整度，從而減免空蝕破壞的發(fā)生。

參考文獻

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作者簡介：尤美婷（1989-），女，碩士研究生，研究方向為水工水力學(xué)。