基于改進(jìn)灰靶模型的蘭窩水庫大壩安全性態(tài)評價(jià)研究

華 夏

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，沈陽 110166)

土壩是平原地區(qū)小型水庫的主要壩型。受到其自身特性的影響，隨著土壩運(yùn)行時(shí)間的增長，其病害與缺陷將會不可避免地顯現(xiàn)出來，從而影響到土壩本身的正常運(yùn)行[1]。但是，大壩的破壞過程并不是一朝一夕發(fā)生的，是一個(gè)漫長漸變的過程。因此，這種破壞進(jìn)程是可以通過各種理論和技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)的。所以，在土壩的運(yùn)行期間，需要定期進(jìn)行安全監(jiān)測和評價(jià)，并以評價(jià)結(jié)果為指導(dǎo)，選擇合理的維護(hù)和加固措施以實(shí)現(xiàn)水庫的長期健康運(yùn)行?；谏鲜稣J(rèn)知，本次研究擬采用加權(quán)灰靶決策模型對遼寧省蘭窩水庫除險(xiǎn)加固工程前后的大壩安全性態(tài)進(jìn)行評價(jià)研究，從而確定除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)的有效性。

1 工程背景

遼寧省營口市鲅魚圈區(qū)蘭窩水庫始建于20世紀(jì)70年代，是一座以灌溉為主，兼具防洪和水產(chǎn)養(yǎng)殖等諸多功能于一體的小型水庫。水庫的集雨面積為10.5km2，總庫容約19萬m3。蘭窩水庫的主要建筑物有水庫大壩、溢洪道以及放水涵管等，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)，工程等別為別為Ⅴ等，主要水工建筑物級別為5級[2]。由于大壩建成年份較早，當(dāng)時(shí)并沒有進(jìn)行專門的地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)。大壩為均質(zhì)土壩，全長220m，最大壩高4.0m，壩頂寬3.5m，大壩迎水坡坡比為1∶1.5，沒有護(hù)坡，背水側(cè)坡比為1∶2.5，現(xiàn)狀壩頂高程為45.15-45.40m。由于蘭窩水庫年久失修，壩體存在明顯的滲漏現(xiàn)象，防滲不能滿足要求；溢洪道簡陋不堪，泄洪安全難以保證；放水涵管沒有閘門和啟閉機(jī)等控制設(shè)施，年久失修，漏水現(xiàn)象比較嚴(yán)重。總之，水庫存在的病險(xiǎn)問題制約著水庫自身效益的發(fā)揮，威脅著下游地區(qū)的安全，同時(shí)也對社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生一定的不利影響，亟待進(jìn)行除險(xiǎn)加固。2017年，遼寧省營口市擬對該水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固，針對水庫大壩存在的主要問題，主要除險(xiǎn)加固內(nèi)容有：利用水泥土攪拌樁防滲墻對土壩進(jìn)行垂直防滲，設(shè)計(jì)深度為21.0m，頂部高程為18.0m，設(shè)計(jì)有效厚度200mm；對土壩的背水坡進(jìn)行貼坡排水導(dǎo)滲；對土壩迎水面的塊石護(hù)坡進(jìn)行翻修；采取壓重方案對壩腳的液化土層進(jìn)行處理；對土壩頂部的防汛道路進(jìn)行硬化。

2 基于灰靶理論的大壩安全性態(tài)評價(jià)模型

2.1 模型原理

灰靶理論是灰色理論的重要組成部分，由灰色系統(tǒng)理論的創(chuàng)始人——鄧聚龍教授提出[3]。該理論的主要優(yōu)勢是可以用于處理小樣本、貧信息以及不確定條件下的模式識別問題，是解決多目標(biāo)決策與評價(jià)的重要方法和有效方法[4]?；野欣碚摰暮诵膬?nèi)容有兩部分，靶心度分析和貢獻(xiàn)度分析。其中靶心度分析指的是在沒有標(biāo)準(zhǔn)模式的情況下，通過以灰靶為目標(biāo)，同時(shí)利用可信度對灰靶上的信息的真實(shí)程度大小進(jìn)行衡量[5]。具體而言，就是首先通過各方案的比較構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)模型作為灰靶的靶心，然后按照一定的計(jì)算分紅公式，計(jì)算各個(gè)方案的靶心距，并據(jù)此劃分等級結(jié)構(gòu)。靶心度的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：γ(uo，ui)為靶心度；γ(uo(k),ui(k))為指標(biāo)的靶心系數(shù)；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

在傳統(tǒng)的灰靶模型中，將上述公式中的1/n視為指標(biāo)權(quán)重，而所有評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的靶心系數(shù)的均值即為靶心度，因此各個(gè)評價(jià)指標(biāo)對于靶心度的重要程度是相同的[6]。顯然，在實(shí)際情況中，不同指標(biāo)的重要性程度顯然不同。為了解決上述問題，本次研究中在靶心度求解中引入指標(biāo)權(quán)重，獲得改進(jìn)靶心度計(jì)算公式：

(2)

式中：ωk為待評模式k的指標(biāo)權(quán)重。

顯然，上述改進(jìn)灰靶模型，通過引入指標(biāo)權(quán)重有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)灰靶模型的缺陷，有利于通過模型評價(jià)獲得最符合實(shí)際情況的結(jié)果。

2.2 改進(jìn)灰靶模型的計(jì)算的基本步驟

利用改進(jìn)灰靶模型進(jìn)行計(jì)算評價(jià)時(shí)，一般需要經(jīng)過如下步驟：

1)構(gòu)建評價(jià)對象的待選方案集與評價(jià)指標(biāo)集，構(gòu)造相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)矩陣。

2)確定標(biāo)準(zhǔn)模型，根據(jù)指標(biāo)的不同特征將其分為成本性指標(biāo)、效益型指標(biāo)以及適中型指標(biāo)，然后按照一定的方式構(gòu)造最優(yōu)效果向量。

3)對評價(jià)指標(biāo)的處理，主要包括兩方面的內(nèi)容：①消弱指標(biāo)間的相關(guān)性與量綱統(tǒng)一；②進(jìn)行灰靶極性變換。

4)將每個(gè)待選方案與最優(yōu)效果向量也就是標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行比較，利用公式計(jì)算出靶心系數(shù)。

5)將靶心系數(shù)與相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重代入改進(jìn)后的靶心度計(jì)算公式，計(jì)算出靶心度，并根據(jù)靶心度進(jìn)行灰靶決策。

3 蘭窩水庫大壩安全性態(tài)評價(jià)

3.1 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

由于蘭窩水庫設(shè)施工、運(yùn)行方面的具體資料十分有限，研究中主要依據(jù)大壩的安全鑒定報(bào)告以及現(xiàn)場巡查記錄，通過和相關(guān)專家進(jìn)行討論，獲得大壩安全性態(tài)評價(jià)指標(biāo)，并依照脆弱度計(jì)算方法進(jìn)行各個(gè)指標(biāo)脆弱度計(jì)算。與大壩潰決可能性所不同的是，脆弱度關(guān)注的是大壩安全檢查過程中發(fā)現(xiàn)的隱患[7]。大壩單個(gè)缺陷的脆弱度進(jìn)行計(jì)算可以根據(jù)彭雪輝等人的研究成果，其計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Vi為單個(gè)缺陷脆弱度；C為不安全等級系數(shù)，實(shí)際缺陷取10，潛在缺陷取5；S1為大壩現(xiàn)狀與標(biāo)準(zhǔn)之間差別，取值為0-1之間；S2為特征關(guān)聯(lián)度，通常默認(rèn)為1；S3為臨時(shí)措施無效程度，通常默認(rèn)為1；AEF為年超越率。

根據(jù)蘭窩水庫大壩單個(gè)評價(jià)指標(biāo)的脆弱度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，獲得各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。由于指標(biāo)量綱與性質(zhì)差別較大，各個(gè)評價(jià)指標(biāo)具有不可共度性。因此，研究中對評價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使其全部量化至區(qū)間[0,1]之間。經(jīng)過上述計(jì)算和處理，最終獲取蘭窩水庫大壩加固前和加固后對于各指標(biāo)的指標(biāo)值結(jié)果如表1所示。

表1 基于脆弱度的大壩安全性態(tài)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

3.2 評價(jià)等級與流程

根據(jù)灰色理論和水庫的安全現(xiàn)狀，以靶心度計(jì)算結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行水庫安全等級劃分，劃分結(jié)果與范圍如表2所示。

表2 水庫安全狀態(tài)分析標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表2 水庫安全狀態(tài)分析標(biāo)準(zhǔn)

按照上節(jié)提出的改進(jìn)靶心度計(jì)算公式，以水庫的實(shí)際資料和本節(jié)利用脆弱度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算獲取的大壩評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和指標(biāo)值計(jì)算大壩加固前和加固后的靶心度。經(jīng)過計(jì)算，蘭窩水庫加固前的靶心度為0.508，加固后的靶心度為0.908.對比表2，蘭窩水庫大壩加固前的安全評價(jià)等級為三級，屬于病險(xiǎn)狀態(tài)，說明大壩的主要指標(biāo)難以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，大壩設(shè)計(jì)或工程質(zhì)量存在比較嚴(yán)重的問題，因此不能按照設(shè)計(jì)指標(biāo)正常運(yùn)行大壩，需要降低使用標(biāo)準(zhǔn)或報(bào)廢重建。加固后的大壩評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為一級，健康，說明大壩的各項(xiàng)運(yùn)用指標(biāo)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工作狀態(tài)屬于正常水平，大壩不存在比較明顯的質(zhì)量問題，可以按照正常設(shè)計(jì)進(jìn)行大壩運(yùn)行。由此可見，蘭窩水庫大壩加固后比加固前更優(yōu)，說明水庫大壩的除險(xiǎn)加固措施是必要的和有效的。

4 結(jié) 論

由于土石壩具有材料易得、施工方便等諸多優(yōu)勢，因此應(yīng)用十分廣泛，是我國上世紀(jì)修建的中小型水庫大壩的主要壩型。由于這些土石壩設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，且經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，病險(xiǎn)情況比較普遍。因此，開展大壩的定期安全評價(jià)，并對病險(xiǎn)水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固，對確保水庫大壩安全運(yùn)行具有重要意義。文章以遼寧省蘭窩水庫大壩為例，對基于改進(jìn)灰靶模型的大壩安全性態(tài)評價(jià)展開研究，并獲得如下主要結(jié)論：

1)在對傳統(tǒng)灰靶模型的缺陷分析基礎(chǔ)上，通過引入指標(biāo)權(quán)重實(shí)現(xiàn)對模型的改進(jìn)，構(gòu)建起基于指標(biāo)權(quán)重的改進(jìn)灰靶評價(jià)模型。該模型可以從不同側(cè)面闡釋評價(jià)指標(biāo)之間關(guān)系，使評價(jià)結(jié)果更接近實(shí)際情況。

2)利用改進(jìn)后的灰靶模型對蘭窩水庫大壩安全性態(tài)進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果顯示加固前的蘭窩水庫大壩為三級，屬于病險(xiǎn)狀態(tài)，需要進(jìn)行加固處理；加固后的蘭窩水庫大壩屬于一級，屬于健康狀態(tài)，大壩的除險(xiǎn)加固措施是必要的和有效的。