探究層次分析法在小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

張文娟，李樹(shù)言，漆文邦

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065)

0 前 言

作為中國(guó)江河防洪體系中的重要構(gòu)成部分，水庫(kù)的安全運(yùn)行與人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)。依據(jù)《全國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固專項(xiàng)規(guī)劃》，全國(guó)共有水庫(kù)87 076座(小型水庫(kù)83 359座)，其中共有38 019座病險(xiǎn)水庫(kù)(小型水庫(kù)35 586座)，小型水庫(kù)約占病險(xiǎn)水庫(kù)總數(shù)的93.6%[1]。大量小型病險(xiǎn)水庫(kù)的存在，已使其成為中國(guó)防洪安全中的最大隱患。因此有必要對(duì)小型病險(xiǎn)水庫(kù)的除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行探究。

1 小型病險(xiǎn)水庫(kù)的成因

1.1 建設(shè)時(shí)期存在問(wèn)題

中國(guó)現(xiàn)有的小型水庫(kù)中，大約90%的水庫(kù)修建于“大躍進(jìn)”、 “文革”時(shí)期。建國(guó)初期中國(guó)缺乏設(shè)計(jì)、施工技術(shù)力量，水文和地質(zhì)等基礎(chǔ)資料較少，設(shè)計(jì)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不健全等[2]，使得小型水庫(kù)從建設(shè)初期就埋下了一定的隱患，易演變成病險(xiǎn)水庫(kù)。

1.2 運(yùn)行期間管理落后

由于缺乏技術(shù)支持和不重視水庫(kù)的管理等各方面原因，小型水庫(kù)在建成初期就缺少觀測(cè)設(shè)施及手段。同時(shí)也沒(méi)有相應(yīng)的維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用及管理人員，使得水庫(kù)的運(yùn)行狀況不能得到快速有效的掌握及處理，以致對(duì)下游人民群眾的安全構(gòu)成隱患。

2 常見(jiàn)的病險(xiǎn)問(wèn)題及工程措施

2.1 水庫(kù)的病險(xiǎn)問(wèn)題

大壩壩體的填筑質(zhì)量和夯壓質(zhì)量較差，造成壩土結(jié)構(gòu)松散，大壩多存在滲漏問(wèn)題；溢洪道多為土渠，雜草叢生，無(wú)消力池，無(wú)法滿足安全泄洪的要求；輸水建筑物多為壩下埋管，因壩體年久變形、涵洞結(jié)構(gòu)不完整及質(zhì)量差等因素，涵洞存在漏水和接觸沖刷的隱患；水庫(kù)未修管理房，缺少通信設(shè)備，缺乏大壩位移、沉降觀測(cè)設(shè)施及水文觀測(cè)設(shè)施等；水庫(kù)防汛搶險(xiǎn)道路為土路，凹凸不平，不能滿足工程搶險(xiǎn)道路要求[3-6]。

2.2 水庫(kù)除險(xiǎn)加固的工程措施

小型水庫(kù)一般為土石壩，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)幾十年的運(yùn)行，壩體發(fā)生沉降變形，故應(yīng)校核壩頂高程是否滿足要求。若需加高大壩，可以在壩頂增設(shè)防浪墻，或直接增加大壩壩頂高程[7]。如要提高水庫(kù)的泄洪調(diào)洪能力，可加深或擴(kuò)寬原溢洪道或新建溢洪道。

對(duì)于存在滲漏問(wèn)題的病險(xiǎn)水庫(kù)大壩，可利用壩體充填灌漿、壩基帷幕灌漿、混凝土防滲墻和劈裂灌漿等工程措施進(jìn)行防滲處理。通過(guò)培厚減緩壩坡和削坡減緩壩坡的方式可以對(duì)大壩壩體進(jìn)行穩(wěn)定加固。培厚減緩壩坡時(shí)，上下游壩坡都應(yīng)使用透水性比原壩坡大的材料[8]。上游護(hù)坡多采用干砌石、堆石及混凝土板護(hù)坡等，下游一般采用簡(jiǎn)化型式的護(hù)坡[9]。若輸水涵洞存在漏水和接觸沖刷的隱患，可對(duì)其進(jìn)行回填灌漿處理，或加內(nèi)襯，也可新建。

而且，也應(yīng)提高水庫(kù)的管理水平。例如，新建管理房、增設(shè)水庫(kù)通訊設(shè)備、新增大壩及水文監(jiān)測(cè)設(shè)施及新建防汛搶險(xiǎn)道路等，并安排管理人員對(duì)水庫(kù)進(jìn)行日常巡護(hù)，以確保水庫(kù)的安全運(yùn)行。

3 病險(xiǎn)水庫(kù)認(rèn)定現(xiàn)狀及缺陷

在中國(guó)，現(xiàn)行的水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)方法主要有分析法和安全系數(shù)法[10]。該評(píng)價(jià)方法是以大壩工程安全為中心，對(duì)其若干的相關(guān)專題分別進(jìn)行研究，從而將大壩分為A、B、C三個(gè)等級(jí)。各個(gè)專題的安全性級(jí)別全部達(dá)到A級(jí)的，稱為一類壩；安全性級(jí)別全部為A級(jí)和B級(jí)的，是二類壩；安全性級(jí)別中有一項(xiàng)及其以上為C級(jí)的，稱為三類壩[11]，見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)的大壩綜合安全評(píng)價(jià)框架圖

水庫(kù)大壩的安全評(píng)價(jià)可從2個(gè)方面入手，首先是水庫(kù)大壩是否為病險(xiǎn)水庫(kù)，然后是分析判定其病險(xiǎn)問(wèn)題的嚴(yán)重程度如何。根據(jù)現(xiàn)行的大壩安全評(píng)價(jià)法，將大壩分為3級(jí)，但是這樣分級(jí)較為籠統(tǒng)，不能滿足其病險(xiǎn)嚴(yán)重程度的判定。比如，同為C級(jí)的2座大壩，其中一個(gè)可能僅有一項(xiàng)判定為C，而另一座可能所有項(xiàng)均判定為C級(jí)。2座大壩雖同為三類壩，顯而易見(jiàn)，一座所有項(xiàng)均判定為C級(jí)的大壩病險(xiǎn)嚴(yán)重程度一定比僅有一項(xiàng)判定為C的大壩的要嚴(yán)重得多。

4 層次分析法的應(yīng)用

隨著對(duì)水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固研究的不斷深入以及相關(guān)法規(guī)體系的持續(xù)完善，水庫(kù)大壩的病險(xiǎn)嚴(yán)重程度評(píng)價(jià)方法的重要性越發(fā)凸顯。因此，將傳統(tǒng)的大壩安全評(píng)價(jià)法和層次分析法兩者相結(jié)合，利用定性和定量分析的方法，可對(duì)水庫(kù)大壩的病險(xiǎn)嚴(yán)重程度進(jìn)行判定和評(píng)價(jià)。

4.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process簡(jiǎn)稱為AHP法)是把與決策問(wèn)題相關(guān)的因素分成目標(biāo)、準(zhǔn)則及方案等不同階梯層次，構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)圖，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析和決策的方法。AHP法的步驟[12-14]如下。

4.1.1 遞階層次結(jié)構(gòu)圖的構(gòu)建

通過(guò)對(duì)決策目標(biāo)的分析、調(diào)查、研究，找尋與目標(biāo)體系相關(guān)的因素及其相互之間的關(guān)系，從而將其劃分成不同的層次結(jié)構(gòu)，最后構(gòu)建成相應(yīng)的遞階層次結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖2。

4.1.2 判斷矩陣的構(gòu)造

根據(jù)遞階層次結(jié)構(gòu)圖，由上至下逐步地構(gòu)建相應(yīng)的判斷矩陣。各層的指標(biāo)因素都必須要以相鄰的上一層的指標(biāo)因素為對(duì)比準(zhǔn)則，依照1～9 的標(biāo)度方式進(jìn)行兩兩比較以此構(gòu)建判斷矩陣。將此應(yīng)用到實(shí)際時(shí)，一般要通過(guò)向相關(guān)研究領(lǐng)域的專家教授進(jìn)行反復(fù)咨詢從而確定判斷矩陣。

具體的標(biāo)度定義及含義如表1所示。

表1 1～9標(biāo)度定義表

4.1.3 層次單排序和一致性檢驗(yàn)

層次單排序權(quán)重向量是通過(guò)求出判斷矩陣的最大特征值及其相應(yīng)的特征向量，并進(jìn)行歸一化計(jì)算后得到。判斷矩陣的計(jì)算成果帶有一定程度上的客觀性，故應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。如果檢驗(yàn)不合格，則要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修正，直至滿足要求。

圖2 水庫(kù)大壩安全綜合評(píng)價(jià)評(píng)估指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)圖

一致性指標(biāo)CI的計(jì)算：

(1)

式中：λmax為最大特征值；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

表2 平均一致性指標(biāo)表

通過(guò)表2可得到不同指標(biāo)個(gè)數(shù)下的平均一致性指標(biāo)RI。RI在某種水平上可以規(guī)避一致性判斷指標(biāo)隨著n的增大而顯著增大的缺陷。

一致性比例CR的計(jì)算：

(2)

4.1.4 層次總排序和其一致性檢驗(yàn)

由上而下逐層地計(jì)算各層指標(biāo)因素相對(duì)于目標(biāo)層的合成權(quán)重，最終可以得到各個(gè)指標(biāo)因素對(duì)于總目標(biāo)決策影響大小的排序。為了確保思維上的邏輯不產(chǎn)生矛盾，也應(yīng)對(duì)層次總排序進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，只有通過(guò)了檢驗(yàn)，其得到的結(jié)果才具有可信性。

4.2 層次分析法在小型水庫(kù)綜合安全評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用

以層次分析法為基礎(chǔ)的水庫(kù)大壩綜合安全評(píng)價(jià)分析法，有分解、判斷、綜合共3個(gè)階段[15]。

4.2.1 分 解

構(gòu)建水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)的遞階層次圖及對(duì)應(yīng)的判斷矩陣，求解計(jì)算得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。分析與水庫(kù)大壩的安全評(píng)價(jià)相關(guān)的內(nèi)容，可將影響水庫(kù)大壩安全的因素逐層分解為如圖2所示的結(jié)構(gòu)。構(gòu)建了遞階層次結(jié)構(gòu)圖之后，以向?qū)＜医淌谡{(diào)查咨詢的方法，得到各層次指標(biāo)的判斷矩陣，再經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算便可獲得各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重大小。

4.2.2 判 斷

判斷是指對(duì)層次結(jié)構(gòu)圖中的最底層指標(biāo)因素進(jìn)行評(píng)估。在大壩傳統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)方法中，利用A、B、C三個(gè)等級(jí)對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判。但是，在利用層次分析法時(shí)要量化這些指標(biāo)因素，即對(duì)底層各個(gè)指標(biāo)因素進(jìn)行評(píng)分。在本文中，提出了一種等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

根據(jù)水庫(kù)大壩的現(xiàn)狀具體分析，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)以其問(wèn)題的嚴(yán)重程度打分。賦予這些分值時(shí)需經(jīng)過(guò)相關(guān)專家的評(píng)比探討，其應(yīng)具有一定的客觀性。

表3 各個(gè)指標(biāo)的等級(jí)劃分表

4.2.3 綜 合

綜合是計(jì)算底層指標(biāo)因素相對(duì)于總目標(biāo)決策的權(quán)重，且對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。最后，將各個(gè)指標(biāo)所得的分值和其相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行相乘后相加，即可得到水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)的具體分值。根據(jù)水庫(kù)所得分值，便可比較同等級(jí)水庫(kù)的病險(xiǎn)嚴(yán)重程度。水庫(kù)的總分值越低，其病險(xiǎn)問(wèn)題就越嚴(yán)重，其進(jìn)行除險(xiǎn)加固的需求就越迫切。

4.3 工程實(shí)測(cè)

4.3.1 工程概況

M水庫(kù)為小(2)型水庫(kù)，修建于19世紀(jì)50年代，大壩是均質(zhì)土壩，總庫(kù)容為12.5萬(wàn)m3，壩軸線長(zhǎng)約93.0 m，壩頂平均寬4.50 m。小(2)型水庫(kù)的主要建筑物有大壩、臨時(shí)溢洪道及輸水涵洞。大壩壩體與壩基均存在滲漏，臨時(shí)溢洪道為開(kāi)敞式未襯砌土渠，斷面極不規(guī)則。輸水涵洞進(jìn)口淤塞，閘閥失靈、難于啟閉。涵洞洞身滲漏嚴(yán)重。

N水庫(kù)為小(2)型水庫(kù)，建于20世紀(jì)，曾于2013年進(jìn)行了部分改造。大壩為均質(zhì)土壩，總庫(kù)容為12萬(wàn)m3，壩頂平均寬6.5 m，壩軸線長(zhǎng)約33.0 m。壩體碾壓質(zhì)量、防滲質(zhì)量均較好，溢洪道為開(kāi)敞式漿砌石襯砌渠道(矩形斷面)，結(jié)構(gòu)完整，但進(jìn)口段底板淤積嚴(yán)重、雜草叢生，底板和邊墻局部漿砌石及砂漿抹面有輕微的破損。輸水涵洞出口的轉(zhuǎn)蓋門(mén)操作不方便，易關(guān)閉不嚴(yán)，同時(shí)也容易生銹。

按傳統(tǒng)的大壩安全評(píng)價(jià)方法對(duì)M、N水庫(kù)進(jìn)行評(píng)判，兩者均為C等、三類壩，是病險(xiǎn)水庫(kù)大壩。

4.3.2 構(gòu)造判斷矩陣確定各指標(biāo)權(quán)重

以本文中圖2為依據(jù)，通過(guò)兩兩比較、1～9級(jí)標(biāo)度法，共構(gòu)造了8個(gè)判斷矩陣。針對(duì)這些判斷矩陣，利用Matlab編程可求取各指標(biāo)的權(quán)重，且作一致性檢驗(yàn)。各個(gè)判斷矩陣的層次單排序權(quán)值的計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 各判斷矩陣的層次單排序權(quán)值和其一致性檢驗(yàn)

23個(gè)底層指標(biāo)的合成權(quán)重W為：

W=[ 0.071 0.029 0.012 0.021 0.007

0.039 0.015 0.026 0.080 0.045

0.092 0.198 0.033 0.059 0.044

0.119 0.016 0.013 0.031 0.005

0.032 0.010 0.004]

4.3.3 綜合評(píng)價(jià)

對(duì)M、N兩個(gè)小型水庫(kù)的23個(gè)指標(biāo)進(jìn)行打分，如表5。并按照各個(gè)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算得到每個(gè)水庫(kù)的綜合評(píng)價(jià)得分。

由表5可知，M、N兩座水庫(kù)雖同為三類壩，但M水庫(kù)比N水庫(kù)的總分要低，說(shuō)明M水庫(kù)的病險(xiǎn)程度遠(yuǎn)比N水庫(kù)嚴(yán)重得多。當(dāng)洪水期到來(lái)時(shí)，M水庫(kù)更容易發(fā)生漫壩或潰壩事故，對(duì)下游人們?nèi)罕姷纳?cái)產(chǎn)的威脅性極大。故M水庫(kù)和N水庫(kù)兩者相比來(lái)說(shuō)，對(duì)M水庫(kù)除險(xiǎn)加固的緊急性和必要性較強(qiáng)，故應(yīng)先對(duì)M水庫(kù)的病險(xiǎn)問(wèn)題采取必要的工程處理措施。

表5 M、N兩個(gè)小型水庫(kù)的得分表

5 結(jié) 語(yǔ)

本文著重探討了傳統(tǒng)的水庫(kù)綜合安全評(píng)價(jià)中存在的缺陷，即不能反映水庫(kù)大壩的病險(xiǎn)嚴(yán)重程度，并就此引入層次分析法構(gòu)建了水庫(kù)安全評(píng)價(jià)的定量評(píng)價(jià)分析模型。與現(xiàn)行規(guī)程相比，該評(píng)價(jià)模型可以得出量化的結(jié)論，反映出水庫(kù)的病險(xiǎn)嚴(yán)重程度，從而可以更加合理地對(duì)小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行決策。而且，由于通過(guò)了專家教授的評(píng)判論證，該層次分析法模型中構(gòu)建了合理客觀的判斷矩陣及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，使得該模型更加具有可信度和實(shí)用性，進(jìn)而成為水庫(kù)大壩綜合安全評(píng)價(jià)的一個(gè)值得研究的新方法。

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