基于物元可拓理論的水閘安全評(píng)價(jià)

孫小冉

（安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

1 引言

水閘是除害興利的水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在水資源的優(yōu)化配置和防洪減災(zāi)方面有著特殊地位。由于規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、自然老化和運(yùn)行管理等方面的原因，我國(guó)許多水閘都不可避免地出現(xiàn)一些病害，部分水閘病害相當(dāng)嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了工程效益的正常發(fā)揮，威脅下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，制約了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，必須適當(dāng)開展水閘工程評(píng)估工作，以便充分了解水閘工程的工作性態(tài)。水閘安全評(píng)價(jià)涉及的不確定因素眾多，是考慮各種定量和定性因素對(duì)水閘安全性態(tài)所做的決策，往往需要根據(jù)工程實(shí)際及相應(yīng)的力學(xué)關(guān)系，進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。本文利用物元可拓理論在處理量化和非量化相結(jié)合的復(fù)雜問題中的優(yōu)勢(shì)，以期為水閘安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)工作提供較為可靠的理論支持。

2 水閘安全評(píng)價(jià)的物元可拓模型

2.1 物元可拓理論的概述

可拓學(xué)引入了把質(zhì)與量有機(jī)結(jié)合起來的物元概念，它是以事物、特征及關(guān)于該特征的量值三者所組成的三元組，記作物元 R=（事物，特征，量值）=（N，c，v），在水閘安全性態(tài)等級(jí)的可拓評(píng)價(jià)中，N表示水閘安全性態(tài)的等級(jí)，c表示水閘安全性態(tài)的屬性特征、條件屬性和其他影響水閘等級(jí)的因素，v表示N關(guān)于c的取值，v可為確定數(shù)值，也可為區(qū)間，反映了事物的質(zhì)與量的關(guān)系。水閘的物元可拓模型流程見圖1。

2.2 水閘安全評(píng)價(jià)的等級(jí)劃分

根據(jù)《水閘安全鑒定規(guī)定》并結(jié)合對(duì)水閘指標(biāo)體系的研究分析，擬對(duì)水閘評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為運(yùn)用指標(biāo)類、損傷程度類和可修復(fù)類等三類指標(biāo)。每一類指標(biāo)都根據(jù)水閘安全類別評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的一、二、三、四類閘劃分為對(duì)應(yīng)的優(yōu)、良、中、差四個(gè)等級(jí)。

2.3 經(jīng)典域和節(jié)域的確定

經(jīng)典域物元：

式中：N0t表示水閘安全狀態(tài)的等級(jí)，t=1，2，3，4；C 為性質(zhì)特征，即影響水閘綜合評(píng)價(jià)等級(jí)的因素；v0t為N0關(guān)于C取值的范圍，即經(jīng)典域。

節(jié)域物元:

式中：P表示節(jié)域?qū)ο螅此l安全評(píng)價(jià)等級(jí)的全體；VPj是因素 cj的所有取值，為區(qū)間，即節(jié)域＜aPj，bPj＞。

2.4 待評(píng)物元矩陣的確定

式中：Ri0表示待評(píng)價(jià)物元；Ni0表示待評(píng)價(jià)對(duì)象，即待評(píng)價(jià)水閘的中間指標(biāo)；ci為影響待評(píng)指標(biāo)等級(jí)的因素（i=1，2，…，n）；vi為第 i個(gè)待評(píng)因素對(duì)應(yīng)的的量值。

2.5 關(guān)聯(lián)度函數(shù)

對(duì)于第i條指標(biāo)的第j個(gè)因素關(guān)于水閘等級(jí)分類t的關(guān)聯(lián)度可用下式求得：

指標(biāo)Ni關(guān)于評(píng)價(jià)類別t的關(guān)聯(lián)度為：

式中：Wij為評(píng)價(jià)因素cj的權(quán)重分配系數(shù)。

則稱t*為Ni的級(jí)別變量特征值。例如t0=1，t*=1.6表示Ni屬于第1類并貼近于第2類，精確來說是1.6類。

3 應(yīng)用實(shí)例

以江蘇省某水閘工程為例進(jìn)行分析，該水閘防洪標(biāo)準(zhǔn)滿足規(guī)范要求，主要存在裂縫問題，本文從裂縫方面來判斷該水閘的安全等級(jí)，裂縫特征見表1。

基于可拓學(xué)理論對(duì)這12條裂縫對(duì)水閘的安全等級(jí)影響程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料中的裂縫寬度和長(zhǎng)度進(jìn)行衡量其等級(jí)。

水閘安全等級(jí)分為四級(jí)，其經(jīng)典域?yàn)椋?/p>

裂縫指標(biāo)等級(jí)的節(jié)域：

以觀測(cè)值的最大值，來計(jì)算權(quán)重分配系數(shù)，并構(gòu)架如下權(quán)重矩陣：

圖1 水閘的物元可拓模型流程圖

表1 裂縫特征表

表2 裂縫指標(biāo)等級(jí)的可拓評(píng)價(jià)結(jié)果表

將結(jié)果帶入上述公式（4）～（7）中，可得等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)安全評(píng)價(jià)等級(jí)的確定原則，該水閘關(guān)于裂縫指標(biāo)的等級(jí)為中等。這與實(shí)際情況相符，該工程自20世紀(jì)70年代服役時(shí)間已久，暫未出現(xiàn)直接的病險(xiǎn)失常現(xiàn)象，但是裂縫頻發(fā)，在日后的運(yùn)行管理中應(yīng)該更加重視，需加強(qiáng)安全監(jiān)控監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

4 結(jié)語

對(duì)現(xiàn)有水閘進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，旨在為管理部門進(jìn)行安全鑒定工作及制定除險(xiǎn)加固方案提供依據(jù)，本文構(gòu)建了物元可拓理論在水閘安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用模型，并通過實(shí)例論證了其可行性。但影響水閘安全性態(tài)的因素眾多，指標(biāo)體系繁雜，對(duì)以下問題還需進(jìn)行深入的研究：（1）水閘各階段影響安全性態(tài)的原始信息很豐富，如何準(zhǔn)確、快速地從眾多信息中建立合理全面的指標(biāo)體系仍需進(jìn)一步研究探討。（2）開發(fā)研究一套適用于水閘安全綜合評(píng)價(jià)的軟件，將現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、安全檢測(cè)、安全復(fù)核計(jì)算嵌入系統(tǒng)，做到實(shí)時(shí)診斷，具有非常高的實(shí)用價(jià)值