病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果的量化評(píng)價(jià)模型

沈振中, 甘 磊, 徐力群, 張 湛,3

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.河南省水利廳,河南 鄭州 450003)

自“75·8”洪水以來(lái),我國(guó)分批次開(kāi)展了大規(guī)模的病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作,截至2010年底,全國(guó)大中型和重點(diǎn)小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固項(xiàng)目已通過(guò)竣工驗(yàn)收或主體工程投入使用的有6 235座,有效降低了水庫(kù)的病險(xiǎn)率,保障了水庫(kù)下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全,提升了水資源調(diào)控及抗御災(zāi)害的能力[1-2]。但是,由于缺少加固效果的量化評(píng)價(jià)方法和模型,無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水庫(kù)的除險(xiǎn)加固效果,同時(shí),也有一些水庫(kù)在除險(xiǎn)加固完成后或在加固過(guò)程中發(fā)生潰壩事故,如2013年的新疆聯(lián)豐、黑龍江星火、山西曲亭等水庫(kù)的潰壩事故。這反映病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固中還存在不可忽視的技術(shù)缺陷,有必要通過(guò)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)來(lái)分析總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),指導(dǎo)今后的病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作,杜絕類似事件發(fā)生[3-4]。

水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的綜合性工程[5-7],除工程技術(shù)安全方面的評(píng)價(jià)之外,還應(yīng)包括工程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、社會(huì)評(píng)價(jià)和可持續(xù)性評(píng)價(jià)等多方面內(nèi)容。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)的研究涉及甚少,已有研究工作主要偏重于加固技術(shù)措施和加固方法兩方面,而并未建立規(guī)范完整的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)是結(jié)合預(yù)定治理目標(biāo),綜合比較除險(xiǎn)加固前后水庫(kù)功能指標(biāo)健康程度及其對(duì)應(yīng)治理效應(yīng)前后變化的過(guò)程[8-10]。綜合評(píng)價(jià)主要步驟如下:首先,建立一套能夠反映治理效果多方面影響因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;然后,確定能夠準(zhǔn)確量化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各定性指標(biāo)及定量指標(biāo)的方法,以及各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的治理效果重要程度,并據(jù)重要性進(jìn)行賦值;最后,定量計(jì)算除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)的綜合評(píng)價(jià)值,確定治理效果。筆者以此為思路,嘗試提出病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果的量化評(píng)價(jià)模型和方法。

表1 各評(píng)價(jià)等級(jí)判別標(biāo)準(zhǔn)

1 水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果影響因素

水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果涉及水庫(kù)本身的功能,以及除險(xiǎn)加固方案、施工、效益等多個(gè)因素;從時(shí)間跨度上,除險(xiǎn)加固效果涉及除險(xiǎn)加固工程實(shí)施前后大壩功能的對(duì)比,即大壩的功能康復(fù)程度;除此以外,除險(xiǎn)加固中的人為因素,也會(huì)對(duì)加固質(zhì)量造成影響,也是需要考慮的因素。因此,將水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果影響因素綜合劃分為除險(xiǎn)加固方案、功能指標(biāo)康復(fù)程度、工程施工與除險(xiǎn)加固效益等4個(gè)方面,各方面因素相互之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系可采用“積木模型”表征,如圖1所示。①除險(xiǎn)加固方案,包括方案的工程投資、工程技術(shù)、工程施工3個(gè)影響因素。其中工程投資影響因素包括投資利用的合理性、充分性;工程技術(shù)影響因素包括加固技術(shù)的適用性、安全性、可靠性;工程施工包括施工設(shè)備、施工工藝、施工工期等。②功能康復(fù)程度,它是除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)中最關(guān)鍵、對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響最大的因素,可分為防洪、滲流、結(jié)構(gòu)等7個(gè)分項(xiàng),而每個(gè)分項(xiàng)所包含的具體內(nèi)容依據(jù)不同壩型側(cè)重點(diǎn)有所不同。③工程施工安全,保障除險(xiǎn)加固施工安全是基本要求,需從人員素質(zhì)、安全管理、施工環(huán)境、施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理、安全保障等方面入手。④除險(xiǎn)加固效益,主要包括經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。

圖1 水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果影響因素的“積木模型”

2 量化評(píng)價(jià)模型

系統(tǒng)研究水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果的定量評(píng)價(jià)方法,構(gòu)建量化評(píng)價(jià)模型,其關(guān)鍵技術(shù)包括評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分、指標(biāo)量化、專家權(quán)重確定、指標(biāo)權(quán)重確定等。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分

根據(jù)加固后水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài),將評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)分為5級(jí),各評(píng)價(jià)等級(jí)的判別標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2.2 指標(biāo)量化

2.2.1 非時(shí)效指標(biāo)

對(duì)于非時(shí)效定性指標(biāo)及量綱相差較大的可量化時(shí)效指標(biāo)(如安全監(jiān)測(cè)效應(yīng)量)直接由專家根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),依照定性指標(biāo)評(píng)分表打分量化。對(duì)于非時(shí)效定量指標(biāo),如防洪效益、灌溉效益等,計(jì)算加固前(后)具體值,以水庫(kù)除險(xiǎn)加固前的指標(biāo)值為基準(zhǔn),推算除險(xiǎn)加固后該指標(biāo)值的提升倍數(shù),從而進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

2.2.2 時(shí)效指標(biāo)

對(duì)于時(shí)效指標(biāo),需要對(duì)除險(xiǎn)加固前后的指標(biāo)狀態(tài)分別評(píng)價(jià),比較指標(biāo)的提高程度,從而確定指標(biāo)的評(píng)價(jià)值。

a. 時(shí)效指標(biāo)安全度評(píng)分。對(duì)于效益型指標(biāo)[11],采用下式計(jì)算:

(1)

對(duì)于成本型指標(biāo)[11],采用下式計(jì)算:

(2)

式中:x為指標(biāo)安全度評(píng)分;t為指標(biāo)安全參數(shù)與該指標(biāo)對(duì)應(yīng)規(guī)范規(guī)定值的比值;a,b為該雙曲線函數(shù)的參數(shù),可取a=1/165,b=1/100,也可根據(jù)工程或評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)除險(xiǎn)加固后指標(biāo)值達(dá)到2.54,表明除險(xiǎn)加固是成功的。

b. 指標(biāo)安全度模型。根據(jù)分析,大壩安全性態(tài)的演化過(guò)程具有S形曲線的特征,采用Logistic曲線[11](圖2),其表達(dá)式為

(3)

式中:x為評(píng)價(jià)指標(biāo)安全度評(píng)分;S為評(píng)價(jià)指標(biāo)安全度,S值越接近于1,安全程度越高。

圖2 評(píng)價(jià)指標(biāo)安全度模型曲線

c. 安全等級(jí)提升模型。定義安全等級(jí)提升系數(shù)為

且S2≥S1

(4)

式中:C為指標(biāo)安全等級(jí)提升系數(shù);S1為除險(xiǎn)加固前指標(biāo)安全度;S2為除險(xiǎn)加固后指標(biāo)安全度;Smax為安全度最大值,取值0.988 6;Smin為安全度最小值,取值0.019 2。

d. 指標(biāo)評(píng)價(jià)值。根據(jù)指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)判別準(zhǔn)則,時(shí)效指標(biāo)評(píng)價(jià)值的計(jì)算公式應(yīng)具有如下性質(zhì):C越大或者S2越大,其評(píng)價(jià)值越高;時(shí)效指標(biāo)中S1與S2越接近,其評(píng)價(jià)值越低,且S1與S2接近程度相同時(shí),S2越小評(píng)分越低?；诖?確定時(shí)效指標(biāo)評(píng)價(jià)值的計(jì)算公式如下:

(5)

式中:Xmax、Xmin分別為S2所在區(qū)間范圍的最大、最小評(píng)價(jià)值;m,n為待求常數(shù),若假定S1=0.311 4,S2=0.688 7時(shí),X=70;S1=0.019 2,S2=0.988 6時(shí),X=100,則m=0.750 5,n=1.50。

2.3 專家權(quán)重確定

計(jì)算專家權(quán)重,既需考慮專家在水庫(kù)除險(xiǎn)加固領(lǐng)域的權(quán)威性,也需考慮專家面對(duì)不同專業(yè)知識(shí)的局限性。因此,首先分析擬邀請(qǐng)專家的背景,構(gòu)建專家權(quán)威性測(cè)定矩陣,利用模糊優(yōu)選理論得到各專家的主觀權(quán)重[12-13];然后,針對(duì)給定的因素集,利用層次分析法確定各專家的客觀權(quán)重[14];最后,通過(guò)最小信息熵原理[15],將專家的主客觀權(quán)重組合為組合權(quán)重。

最小信息熵目標(biāo)函數(shù)為

(6)

用拉格朗日乘子法求解上述優(yōu)化問(wèn)題,可得專家組合權(quán)重為

(7)

2.4 指標(biāo)權(quán)重確定

a. 靜態(tài)權(quán)重。運(yùn)用和聲搜索層次分析法(HS-AHP)[16-17],通過(guò)專家給出的判斷矩陣,得到專家靜態(tài)權(quán)重:

ω=(ω1,ω2,…,ωn)

(8)

b. 動(dòng)態(tài)權(quán)重。基于靜態(tài)權(quán)重,考慮指標(biāo)評(píng)價(jià)值X=(X1,X2,…,Xn)對(duì)靜態(tài)權(quán)重的影響,建立指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)重影響計(jì)算公式[18]:

(9)

式中:ωi為第i因素層下指標(biāo)的靜態(tài)權(quán)重值;Xi為第i因素層下指標(biāo)的評(píng)價(jià)值。由于指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)集中基本成功與不成功所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)值界限為70,因此,以70為基準(zhǔn)計(jì)算指標(biāo)因素集的動(dòng)態(tài)權(quán)重。

3 實(shí)例分析

長(zhǎng)江流域某病險(xiǎn)水庫(kù)洪水標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇設(shè)計(jì),500年一遇校核,校核水位為142.46 m,總庫(kù)容為8 736萬(wàn)m3,工程規(guī)模為中型水庫(kù)。大壩為均質(zhì)土壩,壩頂高程為143.60 m,最大壩高為24.1 m;溢洪道為開(kāi)敞式寬頂堰,底寬115 m,底部高程139.30 m。經(jīng)大壩安全鑒定,原水庫(kù)存在病險(xiǎn)有:水庫(kù)防洪能力不足,壩坡、壩腳大面積散浸,局部出現(xiàn)集中滲流,壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。2006—2008年通過(guò)溢洪道重建、大壩維修加固、輸水洞和泄洪洞加固等對(duì)水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固。但設(shè)計(jì)階段提出的除險(xiǎn)加固工程方案并沒(méi)有全部實(shí)施,如主壩灌漿處理、岸坡加固等,使得除險(xiǎn)加固后大壩的滲流性態(tài)、結(jié)構(gòu)性態(tài)等仍有一些指標(biāo)(如防滲體滲透性、壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)等)不滿足規(guī)范要求。因此,有必要對(duì)該壩開(kāi)展除險(xiǎn)加固效果綜合評(píng)價(jià),根據(jù)工程實(shí)際情況,構(gòu)建4層、共計(jì)61個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)的除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,主要指標(biāo)如圖3所示。

圖3 某水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

參照指標(biāo)量化方法,邀請(qǐng)5位權(quán)威專家對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行量化,并根據(jù)上節(jié)所述方法確定專家組合權(quán)重,通過(guò)較低層次的動(dòng)態(tài)權(quán)重以及評(píng)分值,即可得到高一層次的評(píng)分值,再利用以上相同的計(jì)算方法即可得到該層次的動(dòng)態(tài)權(quán)重,依次向上操作,最終可得到最高層次所屬影響因素的動(dòng)態(tài)權(quán)重及除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)的綜合評(píng)價(jià)值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知,水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固效果綜合評(píng)價(jià)值為66.20。與除險(xiǎn)加固效果綜合評(píng)價(jià)等級(jí)集對(duì)照可知,加固效果所處等級(jí)為“不成功”。該評(píng)價(jià)結(jié)果表明,已采取的水庫(kù)除險(xiǎn)加固措施并不能明顯改善該水庫(kù)的工作性能。進(jìn)一步分析其原因,可以看出:在第二層指標(biāo)中,權(quán)重最大(靜態(tài)權(quán)重0.717 0、動(dòng)態(tài)權(quán)重0.766 4)的功能指標(biāo)康復(fù)程度B2評(píng)價(jià)值較低,只有61.93,是造成除險(xiǎn)加固不成功的主要原因;而在B2的下一層指標(biāo)中,權(quán)重較大的滲流安全康復(fù)程度C5(55.42)、結(jié)構(gòu)安全康復(fù)程度C6(39.92)和工程質(zhì)量C8(49.61)評(píng)價(jià)值較低。再進(jìn)一步細(xì)分發(fā)現(xiàn)C5中指標(biāo)權(quán)重較大的出逸點(diǎn)高程D5-2(33.28)、最大滲透坡降D5-4(54.34)和C6中指標(biāo)權(quán)重較大的大壩穩(wěn)定D6-1(34.90)評(píng)價(jià)值較低。

表2 除險(xiǎn)加固各層次指標(biāo)評(píng)價(jià)值計(jì)算匯總

綜合以上分析成果,發(fā)現(xiàn)該水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固不成功的主要原因是加固工程參照舊的規(guī)范或部分除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)內(nèi)容未能實(shí)施,導(dǎo)致除險(xiǎn)加固未能有效改善水庫(kù)的滲流安全、結(jié)構(gòu)安全狀況,從而使得水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固效果綜合評(píng)價(jià)值較低。同時(shí),結(jié)合該水庫(kù)大壩實(shí)際運(yùn)行情況和驗(yàn)收結(jié)論,認(rèn)為該水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果綜合評(píng)價(jià)值是合理的。

4 結(jié) 論

我國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程浩大,但除險(xiǎn)加固效果綜合評(píng)價(jià)的理論和方法較少,實(shí)際加固效果難以準(zhǔn)確評(píng)估。本文研究了病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果的量化評(píng)價(jià)模型和方法,取得的成果如下:

a. 分析了水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果的影響因素,建立了水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,構(gòu)建了反映各影響因素直接關(guān)系的“積木模型”。

b. 提出了水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)量化方法,包括評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分,時(shí)效與非時(shí)效評(píng)價(jià)指標(biāo)量化方法，專家主觀、客觀權(quán)重確定以及指標(biāo)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)權(quán)重確定等,建立了水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固效果量化評(píng)價(jià)模型。

c. 針對(duì)長(zhǎng)江流域某病險(xiǎn)水庫(kù)大壩進(jìn)行實(shí)例分析,采用所建病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果量化評(píng)價(jià)模型,計(jì)算得出該水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固效果綜合評(píng)價(jià)值為66.20,表明加固效果所處等級(jí)為“不成功”,并分析了其主要原因;同時(shí),綜合評(píng)價(jià)該水庫(kù)大壩實(shí)際運(yùn)行情況和驗(yàn)收結(jié)論,驗(yàn)證了評(píng)價(jià)模型的合理性。