江西宜春市酌江水庫除險加固治理效果評價

呂繼賓

(宜春市袁州區(qū)電力建設管理站,江西 宜春 336000)

引 言

據統(tǒng)計，截止2017年我國已修建水庫98795座，水電站4.82萬座，裝機容量3.41億kW，總庫容9035億m3。受運行管理措施、庫盤地質形態(tài)、大壩環(huán)境條件和施工質量等諸多因素限制，全國總水庫的43%均屬于病險水庫，因此水庫加固整治仍面臨著巨大的考驗。針對病險水庫的加固整治效果利用合理有效的評價模型分析，對于全面消除水庫安全隱患和加固治理方案的優(yōu)化設計具有重要意義。例如，劉展志等綜合考慮水體環(huán)境、經濟內部收益率、灌溉和防洪效益增量等構建水庫加固效果評估體系，采用改進的云模型和評價等級標準科學分析了水庫加固成效；蔡德所等利用多元回歸法和灰色模型GM(1,1)擬合預測了關鍵段堆石壩面板撓度的變形檢測數據，運用Matlab軟件完成數據的運算分析；王寧等以非線性組合優(yōu)化問題實現(xiàn)判斷矩陣的一致性檢驗，通過對傳統(tǒng)層次分析法的優(yōu)化提出了水庫加固效果模擬退火評價模型；潘翔等從指標時效性的角度建立了大壩加固效果評價量化模型，對比分析了時效性指標與指標等級、大壩形態(tài)變化之間的關系；胡江等提出了水庫加固方案優(yōu)化設計的LQI和風險理論，在此基礎上建立定量評估水庫加固效應模型和快速估算潰壩損失的公式。然而，對于每個指標權重的計算現(xiàn)有評價方法仍以定性分析為主，未考慮水庫加固效果評價存在的不確定性和模糊性特征。針對水庫加固效果評價存在的層次結構多、要素多的特點[1-7]。文章利用三標度法改進傳統(tǒng)的層次分析法以解決主觀決策對權重計算的影響問題，綜合應用模糊數學法構建水庫加固效果評估模型，并以江西省袁州區(qū)酌江水庫加固工程為例驗證了其可行性。

1 評價指標體系的建立

水庫除險加固工程涉及到的技術復雜、范圍寬泛、內容較多，且不同區(qū)域的水庫運行和水文條件存在較大差異，為了能夠更加真實、全面的掌握水庫加固效果應選擇具有代表性的數據信息。因此，評價指標體系的建立要服從定量定性相結合、完備性、層次性和科學性等原則，從復雜的信息中篩選出有價值的數據，最終選取施工工藝、技術適用性、滲透坡降、工程投資等28個指標構建多結構、多要素評價體系，見表1。

表1 酌江水庫加固效果評價體系與評分值

2 改進三標度層次分析法確定權重

采用1-9標度法構造判斷矩陣為傳統(tǒng)層次分析法重要基礎，該標度過于細化、分級較多，難以準確掌握不同標度形成的比較尺寸，這在一定程度上降低了矩陣的精準度，并增大了評估的難度。針對每個指標的重要度專家運用三標度準則判別時，可以省去復雜的檢驗環(huán)節(jié)，有效解決1-9標度法存在的計算量大、偏差大和主觀性強等問題。所以，本文對每個指標的重要度利用專家較容易給出的三標度法排序，即對每個指標權重利用改進三標度法求解，其主要步驟為：

步驟一：評價體系中準則層的比較矩陣為C=(cij)，專家按照以下方法構造：

(1)

步驟二：根據公式(2)和比較矩陣C構造判斷矩陣A=(aij)，即：

(2)

式中：n為比較矩陣的階數；ri、rj為比較矩陣的行和列。

步驟三：每個指標權重的計算。通過對每個指標權重的求解，經整合運算和標準化處理輸出最終的權重，計算式為：

(3)

(4)

根據以上流程和改進的三標度法可以求解出水庫加固效果評價每個指標的權重，將其表示成集合的形式為W={ω1,ω2,…,ωn}。

3 模糊綜合評價模型

采用不同評價等級的隸屬度函數構造模糊關系映射矩陣，其中模糊關系的合成運算為模糊綜合評價的關鍵環(huán)節(jié)，考慮水庫除險加固每個評價因素的隸屬等級狀況完成綜合評價，該過程屬于一項多層次、多要素的復雜性系統(tǒng)問題，對此選用模糊數學法來評價，其主要流程如下：

步驟一：確定因子集U。結合不同層次的評價元素形成因子集U，如將運行管理、技術適用性評價、社會發(fā)展影響、工程投資等因素集成，形成的因子集為U={u1,u2,…,um}，其中ui為單項因子，i=1,2，…，m。

步驟二：構造評語集V。結合水庫運行現(xiàn)狀和加固治理目標要求，針對不同的評價等級給予合適的評語，將其構成集合V，即V={v1,v2,…,vn}，vi為評價等級，j=1，2，…，n。

步驟三：單因子模糊評價。設ui為因子集中第i個元素，對于評價等級vj該單因子的隸屬度為rij，則獲取所有單因子的模糊評價矩陣R。

步驟四：加固效果模糊綜合評價。根據每個元素ui隸屬于不同等級的程度，建立單因子模糊權重子集W={ω1,ω2,…,ωn}，然后利用合成算子對R與W作模糊運算處理，由此獲取水庫加固效果的綜合評判集B，其數學表達式為：

B=(bi)=W°R

(5)

式中：bj為水庫加固效果綜合評價值。

最終，按照最大隸屬度原則判定加固效果所處的等級，模糊綜合法有效解決了多因子權重分配困難的問題，同時考慮了不同層次中各元素的貢獻率。

4 實例應用

4.1 工程概況

在特殊的歷史環(huán)境下修建的江西省宜春市酌江水庫，其勘測、設計及施工等方面均存在一定的缺陷，加之維修管理不善和建設期資金的不足，給水庫大壩留下了許多安全隱患。通過對整個水庫工程的勘查與檢測，發(fā)現(xiàn)大壩、溢洪道、輸水洞等存在的問題有：①上游混凝土護坡風化破損嚴重喪失相應的功能，下游護坡坡面風化破損嚴重，樹木、雜草叢生，坡面無排水，壩腳無排水棱體；背坡坡腳逢大雨時有清水自路面淌出，壩體壩基存在一定滲漏，壩肩處存在強風化區(qū)域存在繞滲。②溢洪道兩岸為山體，巖石裸露，凹凸不平，風化嚴重，整體無襯砌，溢洪道無消能設施，出口處漿砌石工程部分損毀。③啟閉塔及啟閉設施不能正常使用，輸水洞出口無啟閉設施，進出口鋼管破損嚴重。④無系統(tǒng)水位、雨量觀測等設施。

根據安全鑒定結論和水庫運行時發(fā)現(xiàn)的問題，充分考慮設計規(guī)范、標準和安全鑒定意見實施酌江水庫除險加固工程。該工程主要建設項目由滑坡體加固處理、渠首加固、老涵管封堵工程、老隧洞洞身襯砌、老隧洞洞身灌漿5個分部工程組成。其中，單位工程建設內容包括：①滑坡體加固處理：滑坡體抗滑樁、滑坡體土方開挖、滑坡體加固擋土墻、滑坡體漿砌石“人”字形護坡、草皮護坡。②渠首加固：1#節(jié)制閘閘室、閘墩、啟閉框架、跌坎消力池、2#節(jié)制閘閘室、閘墩、啟閉框架、東干渠襯護、漿砌石護坡。③老涵管封堵工程：土方開挖、砂卵石封堵、原涵管C20混凝土封堵、充填灌漿、土方回填。④老隧洞洞身襯砌：模板、鋼筋制安、止水銅片安裝和隧洞混凝土襯砌。⑤老隧洞洞身灌漿：引水隧洞回填灌漿、固結灌漿[6-12]。

4.2 評價指標權重的確定

步驟一：評估專家依據三標度法對每個指標的重要度判別，然后利用公式(1)建立相應的比較矩陣C。以準則層中加固設計與施工方案C1為例，采用三標度法構造的比較矩陣CC1如下：

步驟二：根據公式(2)與比較矩陣C，結合專家意見建立評價體系中三級指標的判斷矩陣A為：

步驟三：采用公式(3)、(4)求解水庫加固效果每個三級指標的權重，經標準化處理得到最終權重集為：

w11=(0.2856,0.1430,0.5714)

步驟四：重復以上運算步驟，可以依次求解出每個層級中所有因子的權重。

4.3 模糊綜合評價

步驟一：構建評語集。結合現(xiàn)有研究資料和水庫大壩安全評定標準，構建水庫加固效果評語集V={很好，好，一般，很差}，采用五級制將評價等級劃分為V1-V5級，不同等級下的評分區(qū)間見表2。

表2水庫加固效果各評價等級分值

參考江西省重要水庫的安全鑒定指導意見、水庫大壩安全評價導則、水利水電工程等級劃分及洪水標準等資料，采用等級打分方案邀請10名專家對酌江水庫除險加固工程給予評分(表1)，統(tǒng)計整理關于28個因素每位專家的評價等級，見表3。

表3 三級指標專家評判等級

續(xù)表3 三級指標專家評判等級

步驟二：每個元素的隸屬度求解。通過統(tǒng)計分析每個元素的專家評定等級，確定評價體系中各二級指標的隸屬度矩陣，結果如下：

步驟三：綜合評價一級層次。將隸屬度矩陣r11和C1的權重集w11=(0.2856,0.1430,0.5714)輸入公式(5)，由此獲取對應于該層次的評價結果為：

BC1=w11°r11=(0.2855,0.5716,0.1429,0,0)

步驟四：采用以上方法和流程可以依次確定其它一級、二級、三級指標的評價值，以BC1為例，其隸屬于不同等級的評價值為：

BA=w31°r31=(0.2507,0.6280,0.1213,0,0)

4.4 結果分析

根據最大隸屬度原則和BA評價結果，屬于“好”等級的評價值最大為0.6280，可見酌江水庫除險加固工程的整治效果達到“好”等級，加固治理項目的實施很大程度上改善了水庫的運行狀況，實際效果達到預期目標和設計要求，該評價結果與水庫加固情況、工程驗收結論吻合，驗證了三標度耦合模糊數學評價模型適用于水庫加固效果的評價研究。

5 結論

1)參照水庫安全鑒定指導意見和大壩安全評價導則，針對病險水庫加固工程特點選取28項要素構建評價體系，將每個指標權重利用改進三標度層次分析法求解，從而有效規(guī)避了主觀決策對加固效果評價的影響。結合加固工程相關資料和專家意見建立隸屬度矩陣，通過對評價因素集、評語集的分析引入模糊綜合評價模型，對三級評價系統(tǒng)利用該模型進行評價與分析。

2)將酌江水庫除險加固工程利用所構建的模型科學評判，結果顯示該工程隸屬于“好”等級的程度最大，評價結果能夠客觀、真實的反映加固后水庫的運行情況，驗證了模糊數學法與三標度準則相耦合的模型適用于水庫加固效果的評價。