基于層次分析法的土石壩風險因子識別體系的構建

夏美龍 沈均榕

摘 要：以磨盤山水庫為例，構建土石壩風險因子識別系統，研究層次分析法在土石壩風險因子識別中的運用并計算得到相應的指標權重。研究結果表明：磨盤山大壩的失效模式有漫壩破壞、滲透破壞和邊坡失穩三種，而滲透坡降、抗剪斷摩擦系數f、洪水、泄洪、抗剪斷凝聚力c和臨界坡降等是風險因子識別的重要指標。土石壩風險因子識別體系的構建為土石壩風險分析奠定了堅實基礎。

關鍵詞：土石壩 風險因子識別 層次分析法 失效模式

我國病險水庫大壩量大面廣，且逐年增多。在我國已建成各類水庫98002座中，土石壩在已潰壩中所占比例超過90%。因此，加強土石壩風險分析，正確地識別土石壩風險因子，對土石壩長效安全運行很有理論和工程意義。風險識別方法主要采用層次分析法。目前，層次分析法廣泛應用于政治、經濟、教育、環境等各個方面，并主要應用于安全科學和環境科學。在水利工程方面，文獻應用于邊坡穩定性評價，但對于土石壩整體風險因子識別體系的構建，尚未有完整的描述。本文結合土石壩的自身特點，研究工作采用層次分析法進行土石壩風險因子識別。

1.層次分析法

Saaty于1977年提出了層次分析法。用層次分析法對土石壩進行風險分析，就是根據分析對象的性質和所要達到的目的，將分析對象分解成各個因素，將這些因素按照其間的隸屬關系分層分類自上而下分為目標層（土石壩風險）、準則層（失效模式）和指標層（風險因子），如圖 1所示。每一層的因素根據它們之間對于上一層因素的相對重要性，由專家對土石壩工程的實際運行狀況的判斷給出失效模式和風險因子的定量分析，再根據矩陣運算確定出每一因素相對于上一層相應的因素所占的權重。計算得出指標層所有風險因子所占權重，由大到小進行排序最終識別出主要風險因子以及相應的失效模式。

CI為一致性指標。CI值越接近 0，判斷矩陣的一致性越好。隨機一致性指標值如表 2所示。

CR為隨機一致性比例。當CR≤0.1時，判斷矩陣的的一致性可以接受。

2.磨盤山大壩風險因子識別

磨盤山水庫位于黑龍江省哈爾濱市，大壩為粘土心墻土石壩。2013年9月發生了心墻滲透破壞，大壩滲透變形仍在發展，影響大壩安全。因此正確識別大壩風險因子為土石壩工程的除險加固奠定堅實基礎是一項非常重要和迫切的工作。將土石壩風險設為目標層，磨盤山大壩可能的失效模式列出為準則層，每一個失效模式可能的風險因子列出為指標層，磨盤山土石壩層次分析結構模型如圖 2所示。

采用專家小組商議結果，對同層元素兩兩比較進行量化得到各個判斷矩陣。運用層次分析法，通過MATLAB算出每一層元素相對上一層相應的元素所占的權重，并進行一致性檢驗和隨機一致性檢驗。

由表3可知，漫壩破壞、滲透破壞和邊坡失穩這三種失效模式所占權重較大，而剩下四種失效模式所占權重比較小。可以初步識別得出，磨盤山大壩主要的失效模式為漫壩破壞、滲透破壞和邊坡失穩。將這三種失效模式的風險因子權重計算列于表4—表6。

由表4可知，洪水、泄洪、庫容和風浪這四個風險因子所占權重較大，而剩下兩個風險因子所占權重比較小。可以初步識別得出，漫壩破壞主要的風險因子為洪水、泄洪、庫容和風浪。

由表5可知，滲透坡降和臨界坡降這兩個風險因子所占權重都比較大。可以初步識別得出，滲透破壞主要的風險因子為滲透坡降和臨界坡降。

由表 6可知，抗剪斷摩擦系數f和抗剪斷凝聚力c這兩個風險因子所占權重較大，而剩下一個風險因子所占權重比較小。可以初步識別得出，邊坡失穩主要的風險因子為抗剪斷摩擦系數f和抗剪斷凝聚力c。

識別出來的這些風險因子在分析中不可能都考慮到，如果考慮全部風險因子的影響，則會不利于簡化計算，使問題變得復雜。因此，識別出主要的風險因子，很有工程實際意義。計算漫壩破壞、滲透破壞和邊坡失穩失效模式下的風險因子相對于目標層土石壩風險的權重并由大到小排序，計算結果列于表 7。選擇權重較大的風險因子為主要風險因子，所以最終得到磨盤山土石壩主要風險因子是滲透坡降、抗剪斷摩擦系數f、洪水、泄洪、抗剪斷凝聚力c、臨界坡降、風浪和庫容。

3.結論

以磨盤山大壩為例，運用層次分析法識別土石壩風險因子并構建的風險因子識別體系完整全面、可操作性強，研究結果表明影響磨盤山土石壩正常運行的風險因子分為外部荷載和壩體物理力學性質兩部分，包括滲透坡降、抗剪斷摩擦系數f、洪水、泄洪、抗剪斷凝聚力c、臨界坡降、風浪和庫容等。其相應的失效模式為漫壩破壞、滲透破壞和邊坡失穩，這與磨盤山大壩發生滲透破壞的實際工程情況相符。該風險因子識別體系還可以推廣應用到其他水工結構如溢洪道、導流洞等的風險因子識別工作中。

【基金項目：土石壩長效安全運行重大關鍵技術研究（201501033）】

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