水閘工程安全性綜合評價

張 帥

(撫順市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 撫順 113000)

水閘屬于一種低水頭水工建筑物，多修建于濱海、水庫、河道、湖泊和渠系等地區，因具有泄水和擋水功能為當前廣泛應用的水利工程。二十世紀50—70年代為我國多數水閘的修建時期，水閘施工標準和設計方法受當時經濟、技術等條件限制不盡合理，加之人為因素和污染、凍融、空氣、水流及負荷等自然因素的長期作用，大多數水閘均出現了一定程度的病險和損壞情況，對水閘的安全運行造成嚴重的不利影響，所以科學評價水閘的安全運行狀態極其重要。目前，常用的水閘安全性評價方法有系統決策法、標準比照評價法、專家系統與評估法等，其中系統決策法又可進一步分為灰色評估法、加權梯階評價法和層次分析法等。由于水閘安全性評定存在專家主觀性強、指標權重無固定標準和定性要素多等特征，以上方法通常無法系統、全面的體現水閘的真實狀況。將信息熵理論和參數重要性分值相耦合的改進AHP法，能夠考慮各參評因子的客觀賦權和專家主觀判斷，實現定性參數的量化處理。鑒于此，本文以遼寧省某水閘工程為例，將模糊綜合法和改進AHP法相耦合較為客觀真實的評價了水閘的安全狀態，可為水閘工程的除險加固設計及其服役壽命預測提供科學依據[1-7]。

1 水閘安全性綜合評價體系

水閘安全評價涉及范圍廣、因素多，依據不同的內涵特征可將其大致分為主要素、次要素兩大類，應盡可能地考慮主要因素反映其安全狀況。本文結合現有文獻資料和水閘安全鑒定相關規則[8-9]，按照梯階層次框架構建水閘安全評價體系如表1。設定總目標為水閘整體安全水平，進一步將其分解為閘門啟閉機、消能防沖、混凝土結構、抗滑穩定性、抗滲穩定性和其他6個子系統，結合水閘工程相關資料將子系統再分解為若干個要素，從而構造安全評價因子集Ai=(Ai1,Ai2,…,Aij)，運用改進AHP法構造相應的權重集為Wi=(Wi1,Wi2,…,Wij)。

表1 水閘安全評價梯階層次框架體系

然后將綜合評價結果按照水閘安全鑒定相關資料劃分為A、B、C、D4個等級，各等級下的評估區間和評分閾值如表2。

表2 水閘安全評價等級劃分

2 模糊綜合評價模型

2.1 改進的AHP法

目前，綜合賦權、客觀賦權和主觀賦權法為常用的權重系數求解的三大方法，為保證評價結果的可靠性運用改進AHP法獲取綜合權重。其中，1～9標度準則為傳統AHP法構造對比矩陣的主要依據，若不同要素間的差異性較低則往往難以確定判斷標度，同時賦權過程中易受人為因素的干擾，修正對比矩陣時易出現評判結果偏離實際情況、權重分配不穩定等問題。為解決以上問題，本文結合信息熵原理和參數重要性分值提出改進AHP法，對水閘安全性評判各要素權重運用改進AHP法求解，其主要流程為：

表3 專家評分判定準則

(1)

式中：wijk、eijk為評判專家k針對參評因子Aij賦予的權重值及其安全評分值；cik、hik為參評專家k賦予的客觀權重和熵值。

(2)

2.2 模糊綜合評價

在水利工程安全評價領域模糊綜合法具有廣泛的應用前景，結合以上綜合權重值和專家評分構建模糊評價模型如式(3)所示：

B=w·R

(3)

通過普通的加權乘積運算獲取水閘安全綜合評價值，其運算法則為模糊算子，由此實現水閘運行的狀態評價。

2.3 結果分析

采用具體的分值衡量各評價等級，由此實現模糊向量的單值化處理，然后運用加權平均法計算模糊數學評價的隸屬度，選用最終的一個點值作為水閘安全評價的綜合值。選取不同的分值x1、x2、…、xm作為m個評價等級賦分，則利用以下單值化公式獲取模糊評價值如式(4)所示：

F=∑Bixi/∑Bi

(4)

最終，將水閘安全運行狀態依據F值隸屬的等級給予科學的評判，充分利用了模糊數據信息的向量單值化法兼顧了待評對象的整體特性，由此獲取的評判等級可以系統、客觀的反映水閘運行的真實情況。

3 工程實踐

遼寧省某水閘工程完工于2007年8月，主要包括3孔鋼筋混凝土涵閘，中孔為凈寬12.0 m的通航孔，其頂板高程25.18 m，底板高程16.10 m，兩側景觀人行孔凈寬4.5 m。采用橫拉鋼體門作為船閘閘門，尺寸為6.0 m×6.2 m×2扇，選取平推式雙作用集成啟閉機，并建有直徑為1.5 m、長36.0 m 的充水橡膠滾水壩一座。同時，為滿足工程管理和環境建設需要，建設有充、排水泵房、液壓式啟閉房以及管理用房。水閘主要建筑物為3級、工程防洪設計標準為百年一遇。該工程是集防洪，溝通、控制、調節湖水景觀水位，游船通航，生態園林，景觀休閑為一體的綜合性工程。

為確保水閘工程的安全運行，檢測的主要項目包括：①消能防沖和防滲設施的完整性、有效性；②混凝土結構的耐久性、變形和強度；③啟閉機、電氣設備和閘門的安全性；④水閘安全運行觀測設施和水工構筑物的有效性[10-12]。

依據現場檢測結果深入分析昌南閘工程存在的問題有：①閘墩及其閘兩岸翼墻存在滲水、裂縫和輕微塌陷，水力沖刷防沖槽現象突出，局部結構存在裂縫。②混凝土結構外露鋼筋發現輕微銹斑、鋼筋輕度銹蝕且混凝土保護層脫落；閘底板混凝土強度一般、沖刷破壞嚴重且閘基出現滲漏。③閘門橡膠止水發現輕微漏水，閘門局部變形，閘門局部變形且出現輕微氧化銹蝕，發現漏水情況。④啟閉設施啟閉能力良好、結構完整性和運行情況良好，構件折斷損傷情況輕微。⑤上下游觀測設施勉強滿足要求，損傷問題比較突出，電氣設備基本可以符合運行要求。⑥閘室穩定性復核結果滿足要求，消能效果和過流能力一般[13-14]。

結合現象調查結果邀請5位專家對各項基礎指標給予評判，收集整理各項參評因子的重要性評分構造相應的判斷矩陣f，結果如式(5)：

(5)

充分考慮各項參評要素的具體內涵和5位專家評判結果，經適當調整獲取系統層各要素主、客觀權重，然后利用文中所述有關公式得到水閘安全評價綜合權重wi,結果如式(6)：

w1=[0.308 0.355 0.337]

w2=[0.374 0.338 0.288]

w3=[0.260 0.405 0.335]

w4=[0.350 0.332 0.318]

w5=[0.177 0.246 0.285 0.291]

w6=[0.330 0.386 0.284]

w=[0.205 0.210 0.167 0.188 0.122 0.108]

(6)

充分考慮水閘工程現場勘測結果和專家評分值，經適當調整最終獲取水利工程健康狀況綜合評分值，如表4。

表4 水閘安全運行綜合評分

采用中間型柯西分布構造的隸屬度函數求解R值，結合模糊數學法獲取評價體系中6個子系統的安全評價值Bi，結果如式(7)：

B1=[0.118,0.601,0.244,0.032]

B2=[0.335,0.560,0.053,0.018]

B3=[0.406,0.543,0.037,0.014]

B4=[0.351,0.585,0.045,0.019]

B5=[0.471,0.485,0.023,0.015]

B6=[0.138,0.640,0.184,0.035]

B=[0.302,0.577,0.094,0.021]

(7)

最終，采用公式(4)獲取昌南閘工程F=78.02，按照已劃分的評價等級可以判定該水閘工程達到B類等級。各項參評要素基本可以達到水閘正常運行標準，通過對損壞部位的整治可以確保水閘的正常運行。

4 結 論

(1)通過對熵權法和指標重要性分值的詳細分析提出改進的AHP法，選取模糊綜合法評價分析了閘門啟閉機、混凝土結構、消能防沖、抗滑穩定和抗滲穩定等重要參數的安全狀態。

(2)以遼寧省某水閘工程為例，綜合應用模糊數學法和改進AHP法實現定性指標的定量化處理，該方法較為客觀、準確地反映了水閘工程的運行狀態，可為水閘除險加固方案的制定及其正常運行管理提供決策依據。