基于量化評價模型的水庫除險加固穩定性研究

曹利軍，魏 平

(水發規劃設計有限公司，濟南 250014)

0 引 言

水庫工程建設利國利民，在國民經濟與社會發展上起到了重要的推動作用，但水庫年久失修、功能退化等也為水利工程的正常運轉帶來較大的安全風險。隨著大規模的水庫除險加工程逐漸增多，通過除險加固處理不僅能夠改善水庫大壩現狀，而且在促進經濟、社會可持續發展等方面有著重要的作用。因此，采取科學有效的方法準確評價水庫除險加固穩定性，是病險水庫治理工程需要解決的一個重要問題。當前，有較多學者開展了關于水庫除險加固穩定性評價的研究。沈振中、甘磊、徐力群等研究了病險水庫除險加固效果的量化評價模型[1]，該模型預先構建除險加固效果影響因素集，并對指標量化處理，包括評價指標等級劃分、指標靜態與動態權重處理等，建立了加固效果評價模型，以對加固穩定性進行評價。孫瑋瑋、龍智飛、周克發等對小型水庫除險加固績效評估指標體系[2]進行了研究，主要構建除險加固績效評估指標體系，通過分析不同指標描述對象以及特點，制定相應的信息獲取方法，以對加固效果進行評估。雖然上述研究獲得了一定的評價效果，但是評價準確性較差。為此，本文設計一種基于量化評價模型的水庫除險加固穩定性研究方法。

1 水庫除險加固穩定性評價指標體系

影響水庫加固穩定性效果的因素較多，影響因素是相互作用、相互聯系的。因此，為了實現對水庫除險加固穩定性進行評價，就需要根據水庫加固治理效果的層次性與動態性特點，對各種因素采用定性和定量指標進行描述[3]。預先分析水庫結構，水庫簡單結構圖見圖1。

圖1 水庫簡單結構圖

因此，建立水庫除險加固穩定性評價的指標體系。指標體系見表1。

表1 水庫除險加固穩定性評價指標體系

2 基于量化評價模型的指標量化處理

在水庫除險加固穩定性評價指標建立的基礎上，需要對指標進行判分，通過上述步驟可知，水庫除險加固穩定性評價指標設計信息特征，加固前后效果評價，因此指標屬性劃分為時效指標與非時效指標，通過量化評價模型確定屬性指標評估值[4]。量化評價模型是指把數理統計學應用于科學數據，以使數理統計學構造出來的模型得到經驗上的支持，獲取相應的數值結果。基于量化評價模型的指標量化處理過程主要包含兩部分，即非時效指標量化處理與時效指標量化處理[5]，詳細內容如下。

1) 非時效指標量化處理。這部分指標內容處理主要以治理前指標數值為基準[6]，計算加固后穩定指標參數增長倍數。其相應計算公式如下：

(1)

式中：x為指標安全度分數；t為指標安全度與指標標準范圍值的比值，假定加固處理后指標與指標標準范圍值的比值達到2.54倍及以上，則表示加固成功；a、b為公式系數，通常取a=1/170，b=1/105。

2) 時效指標量化處理。這部分指標的處理是根據加固前后指標參數變化程度以確定量化值。其表達式為：

S=a/[1+e-k(x-xe)]

x∈[0,100]

(2)

式中：S為加固穩定性程度，S越大代表穩定性越優；a、k、x均為計算系數。

在此基礎上，依據量化評價模型確定指標權重。為評判指標量化值對指標權重的影響，引入直線型隸屬度函數。見圖2。

圖2 直線型隸屬度函數

對于正指標，其指標值越大越好，表達式如下：

(3)

對于逆指標，即指標越小越好，表達式如下：

(4)

式(3)與式(4)中：y為指標評價值；x為有量綱指標實際值；xmax為有量綱指標最大值；xmin為有量綱指標最小值。

依據上述計算，首先對層級較低的指標權重進行賦分，再依次對上一層級指標進行賦分，最終得到各個指標的權重。

3 水庫除險加固穩定性評價模型構建

在上述建立評價指標與指標量化處理后，需要對評價指標體系進行數學處理，以得到效果綜合評價結果，從而定量直觀反映加固穩定性。因此在數學處理過程中，需要對穩定性評價等級劃分。綜上所述，將上述加固治理效果評價等級數確定為5級，將其構成評價集集合為Q={Q1,Q2,Q3,Q4,Q5}，其對應的是穩定性極好、穩定性較好、穩定性好、穩定性一般與穩定性差。加固穩定性評價等級集及其含義見表2。

表2 水庫除險加固穩定性評價等級

在建立加固穩定性評價等級后，對水庫風險評價，采用故障樹分析方法進行評價。故障樹分析方法是一種邏輯因果關系圖，即頂上事件為根節點，中間事件為中桿點，基本事件為葉基點。故障樹基本結構見圖3。

該方法既能夠對單一事件分析，又能夠對多個事件分析。根據上述樹形圖，建立故障樹的結構函數，公式如下：

(5)

圖3 故障樹樹形圖

式中：p為故障樹中底層基本事件發生的概率。

在此基礎上，根據評價目標值在評價等級中對應的位置以確定其應屬的等級，從而對水庫除險加固穩定性作出真實有效的評價。

為對水庫除險加固穩定性客觀評估，建立穩定性提升模型，其提升模型的表達式如下：

(6)

式中：C為穩定等級增加倍數；S1、S2分別為加固前后指標穩定度；Smax為指標穩定性最大值；Smin為穩定度最小值。

根據表2指標穩定等級以及判斷標準可知，S2或者C的等級越高，穩定程度越高；S1和S2越接近，穩定性等級越低；當S1和S2接近度相同時，S2越小則指標評價值越小。基于上述分析，建立加固前后穩定性計算公式：

X=[(Xmax-Xmin)C+Xmin]S

(7)

式中：Xmax為最大評價值；Xmin為最小評價值。

因此，依據上述過程完成基于量化評價模型的水庫除險加固穩定性的研究。

4 實驗對比

為驗證所設計的基于量化評價模型的水庫除險加固穩定性研究方法的有效性，以某地區水庫為例進行分析研究。該水庫防洪保護人口約為20萬人，是一座以防洪、灌溉為主的綜合性水庫。水庫壩頂長400 m，頂寬6.50 m，頂高程17.20 m，壩頂防浪墻頂高程為18.30 m。由于受到主觀條件的限制，該水庫建設標準低、質量差、配套不全與工程遺留問題較多。該水庫壩體土體物理學參數統計特性見表3。

表3 實驗壩體物理力學參數統計特性

依據上述統計資料作為實驗數據，同時為保證實驗嚴謹性，將傳統的病險水庫除險加固效果的量化評價模型、小型水庫除險加固績效評估指標體系與所研究的方法進行對比，對比3種研究方法的評價準確性。

4.1 庫水位評估結果對比

此次設計的基于量化評價模型的水庫除險加固穩定性研究方法與傳統病險水庫除險加固效果的量化評價模型、小型水庫除險加固績效評估指標體系的庫水位-滲流量評估結果見圖4。

圖4 庫水位評估結果對比

分析圖4可知，此次研究的結果與實際結果相差較小，庫水位最高為249 m左右。將傳統的評估方法與實際值對比可知，病險水庫除險加固效果的量化評價模型評估的最高水位為245 m左右，相差較大。小型水庫除險加固績效評估指標體系評估的最高水位為242 m左右，與實際值相差較大。對比可知，此次研究的基于量化評價模型的水庫除險加固穩定性方法在庫水位評估上準確性比傳統方法評估準確性高。

4.2 滲流量評估結果對比

傳統的病險水庫除險加固效果的量化評價模型、小型水庫除險加固績效評估指標體系與所設計的基于量化評價模型的水庫除險加固穩定性研究方法在滲流量上的對比結果見圖5。

圖5 滲流量評估結果對比

由圖5可知，加固后，水庫壩后滲流量滲漏流量較小。此次研究的基于量化評價模型的水庫除險加固穩定性研究方法獲得的結果與實際的滲流量相差較小，基本能夠準確評估。由傳統的病險水庫除險加固效果的量化評價模型、小型水庫除險加固績效評估指標體系獲得的結果可知，與實際結果相差較大，代表傳統病險水庫除險加固效果的量化評價模型、小型水庫除險加固績效評估指標體系的評估準確性較低。

綜上所述，此次研究的基于量化評價模型的水庫除險加固穩定性研究方法在水庫水位與滲流量評估上準確性比傳統方法評估準確性高，由此能夠證明此次研究的方法在水庫除險加固穩定性研究上也能夠獲得較高的準確性。原因是此次研究的基于量化評價模型的水庫除險加固穩定性研究方法建立了水庫除險加固穩定性評價指標體系，并采用量化評價模型對指標量化處理，對水庫除險加固穩定性進行了評價，從而保證了較高的準確性。

5 結 語

本文設計了一種基于量化評價模型的水庫除險加固穩定性研究方法，該方法明確提出綜合評價指標體系，在實際的評價中可以根據實際評價目標選取指標體系，具有較高的指導意義與實際應用價值。并通過實驗驗證了此次研究的方法的有效性，能夠為其他水庫除險加固穩定性評估上提供一定的幫助。

但是水庫除險加固治理工程是一個復雜系統，系統內部各種因素相互作用與影響，因此水庫加固穩定性評價涉及范圍廣、難度大，此次研究僅針對其中一部分進行了研究，還存在一定的不足。在后續研究中，將繼續研究更加有效的評價方法，完全實現水庫除險加固效果的定量評價，最大限度地減少人為因素對最終評價結果的影響。