基于模糊層次聚類的混凝土壩安全監測系統評價指標研究1

成榮亮，王偉龍

（1. 南京水利科學研究院，江蘇省南京市 210029；2. 水利部大壩安全管理中心，江蘇省南京市 210029；3.河南科光工程建設監理有限公司，河南省鄭州市 450003）

基于模糊層次聚類的混凝土壩安全監測系統評價指標研究1

成榮亮1，2，王偉龍3

（1. 南京水利科學研究院，江蘇省南京市 210029；2. 水利部大壩安全管理中心，江蘇省南京市 210029；3.河南科光工程建設監理有限公司，河南省鄭州市 450003）

完備可靠的安全監測系統對及時全面掌握大壩狀態具有重要作用，目前不少大中型水庫安全監測系統或因施工期成活率或已運行后出現部分設備老化、監測儀器損壞等現象，失去其大壩安全的“耳目”作用。為了系統地了解監測儀器的運行狀況和評價現有監測設施的測值是否正常，就需對安全監測系統進行全面評價和鑒定。為此，本文利用層次分析法研究了混凝土壩監測系統評價指標體系及量化方法，分析了指標集、評價集和指標權重，構建了模糊評價模型，對西溪混凝土壩的安全監測系統進行了模糊綜合評價，實例分析表明，評價結論符合工程實際。

混凝土壩；安全監測系統；評價指標；模糊聚類法；層次分析法

1 概述

目前，全國共有水庫98002座（不含港澳臺），其中大型水庫756座，中型水庫3938座，小型水庫93308座[1]。水庫是關系國計民生的重要基礎設施，在防洪、供水、發電、航運、環境與生態保護等方面發揮著無可替代的巨大作用[2]。20世紀90年代以后，我國大中型水庫工程普遍開展了大壩安全監測工作，有條件的重要小型水庫也積極組織安全監測工作。水利部大壩安全管理中心對我國394座水庫開展的問卷調查，調查顯示334座建立了大壩安全監測系統（占85%）[3]。總體上看，大壩安全監測工作受到廣泛重視。

然而，不少大中型水庫安全監測系統或因施工期成活率，或已運行后出現部分設備老化、監測儀器損壞等現象，失去其大壩安全的“耳目”作用[4]。目前，由于缺少相應安全監測儀器現場檢測、系統可靠性評價和監測資料合理性分析方法和相關技術標準[5]，造成已建成的大壩安全監測系統運行狀況無法掌握，給大壩的安全運行帶來許多盲區和隱患，甚至誤導水庫運行調度和決策。同時，不可靠的系統和不合理的測值極大地制約著水庫現代化、科學化管理水平發展，影響到水庫社會和經濟效益的發揮，甚至會造成水庫大壩失事的嚴重后果，給當地經濟和社會造成重大損失。要改變這種無章可循的現狀，需要對大壩安全監測系統可靠性評價進行系統深入的研究。為此，本文對混凝土壩安全監測系統鑒定評估指標體系和評估模型進行了研究。

2 指標體系設計

2.1 指標體系建立

依據《混凝土壩安全監測技術規范》（SL 601—2013）、《大壩安全監測儀器安裝標準》（SL 530—2012）、《大壩安全監測系統驗收規程》（GB/T 22358—2008）等規程，建立如圖1所示的指標體系。評價指標分為三層，第一層為總指標層；第二層為子評價層包括環境量監測（X1）、變形監測（X2）、滲流監測（X3）、應力應變及溫度監測（X4）和專項監測（X5）等五個指標；第三層包括18個指標，詳見圖1。

圖1 混凝土壩安全監測系統鑒定指標體系Fig.1 Appraisal index system of concrete dam safety monitoring system

2.2 指標的量化方法

指標體系第三層的每個指標是對應一類或幾類監測儀器，如壩體變形——引張線、正垂線、倒垂線、滲流量——量水堰。需先對第三層指標包括的儀器進行工作狀態檢測，采用經計量認證有效的讀數儀、VWP頻率計、位移計讀數儀、萬用電表、兆歐表、電纜檢測儀[6]等對所有監測儀器進行現場檢測[5]。

依據工程實際和便于監測系統管理，將混凝土壩監測儀器的工作狀態分為正常、留待觀察和報損三大類，具體見表1。對儀器的工作狀態賦分為：A1類1.0分，A2類0.9分，A3類0.8分，B類0.6分，C1類0.4分，C2類0.2分。在得出各支儀器得分后，匯總得出相應指標的賦分。實際工程中往往會存在第三層指標未進行儀器布設的情況，對此類指標參照留待觀察狀態均賦0.6分。

表1 儀器工作狀態分類依據及賦分說明 [5]Tab.1 Instrument working condition classification basis and assign points[5]

3 混凝土壩安全監測系統模糊評價模型建立

3.1 確定指標權重

為了建立混凝土壩安全監測系統模糊評價模型，需要先確定指標集以及相應的評價集，并確定指標權重。

首先確定指標集，第一層評價指標集：X={X1，X2，X3，X4，X5}，第二層為子評價指標集，具體見圖1；其次確定評價集V={V1，V2，V3，V4}={完備性好，完備性較好，完備性一般，完備性差}；最后采用專家估計法確定評價模型的指標權重向量，記為A。

3.2 建立評價關系矩陣

將混凝土壩安全監測系統完備性定義為[0，1]，評價集 Vj劃分為的 4 個區間，[0，0.6]，[0.6，0.8]， [0.8，0.9]，[0.9，1.0]。本文對評價進行模糊化處理，利用圖2所示的線性隸屬函數，對某個指標的具體數值以不同的隸屬度分屬于不同的模糊集合Vj和Vj+1（j=1，2，3）[7]。

對圖2所示的隸屬函數表達如下：

圖2 rvj的線性隸屬函數Fig.2 rvj Linear membership functions

利用上文所述隸屬度函數對每個指標進行計算的混凝土安全監測系統評價關系矩陣

3.3 模糊綜合評價模型

用權向量A將評價關系矩陣R不同的行綜合，得到該被評事物從總體上來看對各評價子集的隸屬程度，即模糊綜合評價結果向量B。用數學語言表達三者之間的關系為：B=A*R（*為算子符號），稱之為模糊變換。

4 工程案例

4.1 工程基本情況

西溪水庫工程是浙江省的一座以防洪、供水為主，結合灌溉、發電等綜合利用的中型水庫，由攔河壩、溢洪道、引水系統及發電廠房等組成[9]。攔河壩布置在沙地峽谷口地段，為碾壓混凝土重力壩，引水系統和發電廠房位于河床靠左側岸。水庫壩址以上控制流域面積95.64km2，多年平均流量3.46m3/s，年徑流量1.09億m3。工程為Ⅲ等中型工程，攔河壩、泄洪建筑物及引水建筑物為3級建筑物，按100年一遇洪水設計，設計洪水位152.02m，1000年一遇洪水校核，校核洪水位152.45m。大壩安全監測儀器于2006年12月23日開始安裝，2007年6月28日全面投入使用，西溪水庫大壩安全監測平面圖見圖3。

西溪水庫大壩共安裝埋設了94支/套觀測儀器，另有41支壩體溫度計采用人工觀測，儀器匯總見表2。監測系統已經運行約十年，目前西溪水庫的監測部分儀器出現老化損壞、測值不穩現象，如測縫計J1、J3、J5和J7已經損壞、引張線系統基本不可用等，影響了監測資料成果分析，再加上自動化采集與分析系統功能不完備等，不能掌握大壩運行狀態，有必要對該系統進行全面地更新改造[10-11]。

圖3 西溪水庫大壩安全監測平面布置圖Fig.3 Layout of Xixi reservoir dam safety monitoring

表2 西溪水庫安全監測儀器匯總表[9]Tab.2 Summary table Xixi reservoir safety monitoring instrument[9]

4.2 模型計算

依據西溪水庫工程的具體情況，在綜合有關專家意見的基礎上，確定各指標權重如下：

首先向西溪水庫管理人員了解安全監測基本情況，并收集儀器的安裝埋設原始資料和歷史觀測數據，并通過現場檢測匯總出目前西溪水庫安全監測各儀器工作狀態[6]。然后利用前文指標量化方法算出子評價集的得分，通過加權平均法算出評價集得分X=（0.6375，0.5496，0.8640，0.6938，0.6000）。 再 利用隸屬度函數得出西溪水庫大壩安全監測系統評價

4.3 模型測試結果與分析

由上文可知，max（bi）=b2，故西溪水庫安全監測鑒定等級為V2級，完備率一般。結果與《浙江省寧海縣水庫大壩安全監測資料分析與系統鑒定》審查意見基本一致，建議盡快開展大壩安全監測自動化系統改造完善工作。實例表明本文提出的指標體系和評估模型是合理的。

5 結束語

本文利用層次分析法研究了混凝土壩監測系統評價指標體系及量化方法，分析了指標集、評價集和指標權重，構建了模糊評價模型，以西溪混凝土壩的安全監測系統作為實例，驗證表明構建的評價模型是合理的，為混凝土壩安全監測系評價和統鑒定工作提供一個可靠的評價模型。但需要進一步的研究來完善：

（1） 利用層次分析法研究了混凝土壩監測系統評價指標體系及量化方法，主要依據《混凝土壩安全監測技術規范》（SL 601—2013）來制定，指標的選取和體系架構是合理的，但后面還需要大量的論證和測試來改善此體系。

（2）以浙江省西溪水庫一座水庫為例，計算的成果與實際相符，是否具有普適應性并未進行驗證，所以需要通過大量已鑒定水庫或應用實例來驗證和完善現有模型。

（3）僅對混凝土壩大壩安全監測系統鑒定指標體系和評估方法研究，對于其他壩型安全監測系統評價后面還需進一步研究。

[1] 中華人民共和國水利部，中華人民共和國國家統計局.第一次全國水利普查公報[EB/OL]. http：//www.mwr.gov.cn/2013pcgb/index.html

[2] 南京水利科學研究院，水庫大壩安全管理標準關鍵要素研究[R].2014

[3] 南京水利科學研究院，大型水庫調度規程、大壩安全管理應急預案和大壩安全鑒定工作情況調查報告[R].2015.

[4] 南京水利科學研究院，大壩安全監測系統評價與驗收標準研究[R].2010.

[5] 劉成棟，馬福恒，向衍，等.大壩安全系統鑒定及其軟件研制[J].水利學報，2007，10：214-218.LIU Chengdong，MA Fuheng, XIANG Yan，et al.Appraisal of Safety Monitoring System of Dam and Development of the Software[J]，Jourral of Hydraulic Engineering，2007，10 ：214-218.

[6] 徐丙垠，李勝祥.通信電纜線路故障測試技術[M].北京：北京郵電出版社，2000，25-45.

[7] 王志濤，江超，姜曉琳，等.基于模糊理論的土石壩風險綜合評價方法[J]，水利與建筑工程學報，2011.9（2）：27-30，105.WANG Zhitao，JIANG Chao，JIANG Xiaolin，et al. Research on Comprehensive Evaluation Method for Risk of Earth-rock Dam Based on Fuzzy[J]. Logic Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2011，9（2）：27-30，105.

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[9] 水利部大壩安全管理中心，浙江省寧海縣西溪水庫工程大壩安全監測系統更新改造設計[R].2016.

[10] 張勇，李子陽，馬福恒，等.西溪水庫大壩安全監測儀器可靠性評價[J]，浙江水利水電學院學報，2015，27（3）：22-27.ZHANG Yong，LI Ziyang，MA Fuheng，et al.Reliability Evaluation on Dam Safety Monitoring Instrument of Xixi Reservoir[J].Zhejiang University of water Resourles＆ Electric Power，2015.27（3）：22-27.

[11] 高嵐，楊志峰，李艷，花勝強.基于組態的大壩安全監測任務系統[J].水電與抽水蓄能，2015，1（3）：26-28.GAO Lan，YANG Zhifeng，LI Yan，HUA Shengqiang.Customizable Dam Safety Monitoring Mission System[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（3）：26-28.

Research on the Evaluation Index for Concrete Dam Safety Monitoring System Based on Fuzzy Hierarchy Clustering and AHP

CHENG Rongliang1，2，WANG Weilong3
（1. Dam Safety Management Department of Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210029，China；2.Dam Safety Management Center of the Ministry of Water Resources，PRC，Nanjing 210029，China；3.Henan Keguang Project Construction Supervision Co.Ltd，Zhengzhou 450003，China）

Complete and reliable safety monitoring system plays an important role in the comprehensive and timely grasp of dam safety behavior. At present some large and medium-sized reservoirs safety monitoring system lost their “eyes and ears” function of the dam safety， because of the low survival rate during the construction or a number of the aging equipment and the damaging monitoring equipment after operation. In order to systematically master the operation condition of the monitoring instrument and evaluate whether the measured values can really reflect the actual situation of the dam， we need to conduct a comprehensive evaluation of the dam safety monitoring system. Therefore， in this paper， we study the evaluation index system of the concrete dam monitoring system and its quantitative methods using the AHP， analyzing the index sets， evaluation sets and index weight， building a fuzzy evaluation model， doing fuzzy comprehensive evaluation of the safety monitoring system for XiXi concrete dam， testing show that the evaluation conclusion accords with the engineering practice.

concrete dam； safety monitoring appraisal； evaluation index； fuzzy clustering method ； AHP

TV TV698.1

A

570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.015

國家自然科學基金資助項目（編號：51139001）；水利部公益性行業科研專項經費（201401022、201501036）；中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目（Y715009、Y715012、Y715018）；河南省水利科技攻關項目（GG201532、GG201546、GG201656、GG201657）。

The National Natural Science Foundation of China (No.51139001); Ministry of Water Resources Public Industry Research Special Funds for Projects （201401022，201501036）；The Central Level, Scientific Research Institutes for Basic R & D Special Fund Business （Y715009，Y715012，Y715018）；Henan Province Water Conservancy Science and Technology Research Projects（GG201532，GG201546，GG201656，GG201657）.

2016-08-29

2016-10-13

成榮亮（1988—），男，工程師，碩士，江蘇如皋人，主要研究方向：水利工程安全評價與安全監控研究工作，E-mail：rlcheng@nhri.cn