基于檢測資料的閘門安全狀態模糊綜合評判

張云超，黃 銘，姚 亮

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽合肥230009；2.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院，安徽合肥230009)

0 引 言

我國有很多水利水電工程修建于建國初期[1]。經過多年的運行，很多的水工金屬結構仍在發揮著巨大的作用。但是，由于年代久遠，加之水工金屬結構多數處于潮濕、陰暗等惡劣的環境中，其安全性能無法得到保證，因此對其進行檢測及安全評價顯得尤為重要。

本文以閘門為研究對象，由于閘門本身作為水利水電工程的擋水、排水的設備，所處的環境惡劣，并且常年承受靜態、動態的水壓力，因此其安全性能評判也是水工金屬結構安全檢測的重點關注對象[2]。

1 模糊綜合評判

常見的水工金屬結構安全評判方法有綜合評判法和可靠度評判法，綜合評判法是以水工金屬結構安全的主要影響因素為框架，將多個因素轉化為一個能夠綜合反映水工金屬結構安全狀態的指標來進行評價。可靠度評估法是選擇出影響水工金屬結構的多個因素作為隨機變量，根據這些因素的統計結果以及水工金屬結構相應的標準，計算失效率和可靠指標，進行安全評估[3]。

模糊綜合評判是應用模糊轉換原理，分析影響被評價事物的各種因素，確定出評價事物的因素集及評判等集，計算被評價事物的各種相關因素的隸屬度與權值，然后進行綜合評判[4]。由于影響閘門的安全因素較多，并且各影響因素對閘門的安全影響程度也不盡相同，因此本文采用模糊綜合評判的方法對閘門進行安全評判。

2 閘門的模糊綜合評判

2.1 評判因素集及評判框架

影響閘門安全性能的因素有很多種，由于閘門長期在陰暗潮濕的環境下工作，很容易產生不同程度的腐蝕[5]。較淺的腐蝕容易導致閘門漏水，啟閉不穩定，嚴重腐蝕可能會使閘門失事，從而會危害到人民的生命和財產損失[6]。因此腐蝕應作為鋼閘門安全檢測的重要因素；水工鋼閘門經過長期運行，其主要結構處的焊接部位可能會出現裂紋等缺陷，影響閘門的安全運行，因此焊縫應作為鋼閘門安全檢測的重要因素。閘門經過長時間的運行，其主要結構部件的材料，可能會發生老化現象，使得閘門狀況可能與原設計不符，因此需要對閘門材料進行復核。根據以上內容，本文對閘門的安全綜合評判采用多級評判框架，一級評判因素為

u={u1u2u3}={腐蝕 焊縫 材料}

腐蝕一般會有多個部位，將其各個部位做為二級評判因素，進行多級評判。在工程實踐中，有時對焊縫的檢測可能只涉及到某個部位，或者多個部位的某一點，因此對焊縫可根據具體情況進行一級或者多級評判。閘門材料涉及到其化學成分、抗拉強度等各種因素，本文重點討論抗拉強度，化學成分一般不變，本文不作為代表項目；抗拉強度涉及到多個部位，將其各個部位作為二級評判因素，進行多級評判。

2.2 評判等級的劃分

SL101—2014《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程》(以下簡稱《規程》)中對閘門的安全等級分為安全、基本安全和不安全3個等級，所以本文據此將各評判因素的評判等級分為3個等級，即

v={v1v2v3}={安全 基本安全 不安全}

對于腐蝕，《規程》5.2中將腐蝕分為A、B、C、D 4級，規定A級為腐蝕不明顯、B級為腐蝕平均深度不大于1 mm、C級為腐蝕平均深度不大于2 mm、D級為腐蝕平均深度大于2 mm，又根據《規程》13.0.2中腐蝕程度為A級和B級的評定為安全，腐蝕程度為C級的評定為基本安全，腐蝕程度屬于D級的為不安全，因此本文規定腐蝕平均深度不大于1 mm的為安全，1 mm到2 mm的為基本安全，大于2 mm的為不安全。可用下式表示

(1)

對于焊縫，根據GB11345—89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果的分級標準》(以下簡稱《標準》)，本文規定評定等級在評定線與定量線之間的為安全，在定量線與判廢線之間的為基本安全，判廢線以上的為不安全。

對于閘門材料中的抗拉強度，因為在GB700—2006《碳素結構鋼的標準》中給出了抗拉強度具體相應的標準值范圍， 因此先確定出其安全系數[7]，公式為

(2)

式中，n為安全系數；σ為檢測抗拉強度，σmin為容許最小抗拉強度。

然后確定最大安全系數，計算如下式

(3)

式中，N為最大安全系數；σmax為容許最大抗拉強度。

(4)

2.3 評判矩陣的確定

評判矩陣是由各個影響因素的隸屬度所組成的，對于閘門的腐蝕情況，腐蝕的程度越小，閘門越安全，因此應采用偏小型分布函數確定隸屬度，常見的偏小型分布有正態分布、梯形分布、拋物線型分布等，本文以偏小型的降半正態分布函數為例(見圖1)，公式如下

(5)

圖1 偏小型降半正態分布

(6)

式中，ui為評判因素的第i個檢測值；j為評判等級的個數；σ為評判因素數據的標準差；rij為評判因素的第i個檢測值ui對于安全等級vj的隸屬度；aj為對應評判集vj在該區域的最小值。

對于焊縫采用模糊統計的方法確定隸屬度，計算公式為

(7)

式中，nj為屬于評判等級vj的評判因素的檢測值個數；n為檢測值總數。

對于閘門材料中的抗拉強度，強度越高，閘門越安全，因此應采用偏大型的分布函數確定隸屬度，常見的偏大型有正態分布、梯形分布、拋物線型分布等，本文以偏大型的梯形分布為例(見圖2)，其公式如下

(8)

對上式進行改進如下

(9)

圖2 偏大型梯形分布

式中，aj、bj分別為對應評判集vj的最小值和最大值；即式(4)各個安全等級的數值。

2.4 權值的確定

根據評判對象的不同，權值的確定方法也有所不同，常見的有層次分析法、調查統計法、加權統計法和熵權法等[8]。本文根據閘門檢測的現有資料及其數據特征，采用層次分析法來確定腐蝕、焊縫和閘門材料的權值。對于涉及到多個部位的腐蝕，由于腐蝕在每個部位都會對閘門產生較大的影響，因此對于各個部位采用平均賦權；對于閘門材料抗拉強度，同樣每個部位的抗拉強度對閘門的影響是基本相同的，因此也采用平均賦權。

層次分析法具體步驟為：構造判斷矩陣，確定兩兩元素相比的判斷值cij，cij表示元素Bi相對于的Bj“重要程度”的判斷值，常用1～9的數字來標度各元素對于上一級的重要程度[9]。具體判斷方法如表1。

表1 1～9標度方法

由cij形成判斷矩陣，

(10)

式中，cii=1，cij·cji=1。

根據式(10)，采用方根法計算權值

(11)

對結果規范化

(12)

對式(10)進行相容性檢驗，定義不相容度R(C)

(13)

當R(C)≤0.1時，式(10)的相容性較好，該方法有效，式(10)不必進行調整；否則重新調整式(10)，直到R(C)≤0.1。

2.5 綜合評判

首先對腐蝕和閘門材料中的二級評判因素進行單因素模糊綜合評判，確定出評判向量，然后再將腐蝕、焊縫、閘門材料三個因素的單個評判向量組合成綜合評判矩陣，根據最大隸屬度原則對閘門進行模糊綜合評判，得出閘門安全狀態。

表2 各個部位的腐蝕隸屬度

3 工程實例

本文以某水庫壩體底孔事故閘門實測的腐蝕、焊縫和材料中的抗拉強度數據進行閘門的安全性綜合評判。

3.1 隸屬度的計算

本文以某水庫底孔事故閘門16個部位每個部位四個測點的腐蝕狀況檢測結果為例，采用偏小型正態分布，計算出腐蝕每個部位的標準差σ將其帶入式(6)。根據式(6)求出腐蝕的隸屬度如表2。

由于各個部位的腐蝕對閘門都有很大的影響，可以認為他們的權重相同，取這16個部位的平均值得到腐蝕的評判向量

r1={0.346 0.352 0.302}

(14)

由最大隸屬度原則，可以看出腐蝕為基本安全。

對于焊縫，選取了底孔事故閘門9個部位對其進行檢測，由于檢測部位較少，數據比較單一，因此本文不另設下級評判。根據《標準》檢驗等級采用B級，檢測數據其缺陷性質分為夾渣和未焊透等幾種結果。根據檢測數據把檢測到的缺陷性質轉化成相應的缺陷當量與《標準》9.2圖8距離-波幅曲線(DAC)的靈敏度圖對比，根據式(7)應用模糊統計的方法確定其隸屬度，整理數據得其評判向量為

r2={0.222 0.445 0.333}

(15)

對于閘門材料中的抗拉強度，選取底孔事故閘門面板、橫梁翼板和橫梁腹板三個部位進行檢測，由于只有三個部位，數據較為簡單，本文采用偏大型的梯形分布，根據GB700—2006《碳素結構鋼的標準》取σmax為500 N/mm2，σmin為370 N/mm2，將檢測數據帶入式(2)將其數值轉化為安全系數，將σmax=500 N/mm2，σmin=370 N/mm2帶入式(3)求得N，然后將求得的值N帶入式(4)得到抗拉強度各個安全等級的數值，通過(2)式計算出的安全系數與式(4)計算出的抗拉強度各個安全等級數值的比較，確定出屬于那一個安全等級，最后將轉化為安全系數的結果帶入式(9)得抗拉強度隸屬度矩陣

對于這三個部位的抗拉強度認為對閘門的影響程度相同，因此賦予三個部位相同的權值，取這三個部位的均值得到抗拉強度的評判向量

r3={0.188 0.406 0.406}

(16)

在對腐蝕，焊縫，閘門材料三個影響因素分別計算完成做出評判后，把他們的結果作為閘門最終評判時的隸屬度向量，得到下式

(17)

3.2 計算權矩陣

腐蝕易導致閘門面板變薄，應力提高[5]，閘門的強度和剛度受到影響，因此賦予較大權值；焊縫相比閘門材料能夠直觀的表現出來，并且閘門材料一般不會發生大的改變，因此焊縫相對閘門材料賦予較大權值。

由表1得判斷矩陣

(18)

對其進行相容性判斷，得R(C)≤0.1。將式(18)代入式(11)、(12)，得到評判因素腐蝕，焊縫，材料的權重向量為

W=(0.648 0.230 0.122)

(19)

3.3 閘門綜合評判

將式(17)和式(19)相乘得到評判矩陣

B=W·R=(0.298 0.380 0.322)

根據最大隸屬度原則，屬于v2評判集的數值較大，所以閘門的安全狀態屬于基本安全。

4 結 論

(1)本文利用工程實際檢測數據，運用模糊綜合評判的方法建立了閘門安全評判體系，通過對閘門重要影響因素的分析，確定出這些因素的隸屬度及權值，建立多級評判框架。通過工程實例，表明本文閘門安全評判體系合理可行。

(2)通過建立閘門安全狀態評判體系，為后期進一步形成系統、完善的水工金屬結構安全狀態評判奠定了基礎。