基于變權(quán)模糊層次法的涵洞運(yùn)行安全評(píng)估

2022-03-24 04:47:20查松山尚俊偉王東棟

水利技術(shù)監(jiān)督 2022年3期

查松山，尚俊偉，王東棟

(中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽合肥 230001)

1 概述

涵洞作為眾多取水輸水建筑物中的一種類型，相對(duì)其它水工建筑物具有工程規(guī)模小、功能相對(duì)單一、結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、數(shù)量眾多、與堤防結(jié)合緊密的特點(diǎn)[1]。很多涵洞由于年久失修，老化、損壞嚴(yán)重，影響其正常使用并給建筑物運(yùn)行安全帶來(lái)隱患。故對(duì)涵洞進(jìn)行安全評(píng)估，能夠?yàn)楹吹木S修加固與持續(xù)健康運(yùn)行提供技術(shù)支撐。但目前涵洞工程成熟的安全評(píng)估方法相對(duì)較少，有關(guān)涵洞安全評(píng)價(jià)和鑒定的規(guī)程規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，因此，對(duì)涵洞安全評(píng)估方法進(jìn)行研究十分必要。

近幾十年來(lái)，水工建筑物安全評(píng)估主要側(cè)重于大中型水利水電工程的研究[2]。對(duì)涵洞工程的安全評(píng)估主要參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定進(jìn)行，缺少反映涵洞特點(diǎn)的評(píng)估方法。盡管涵洞結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但其安全評(píng)估涉及因素較多，且這些影響因素常常難以量化表述。如何根據(jù)工程特點(diǎn)，在各類因素中提取關(guān)鍵因素，進(jìn)行量化歸一，建立一種評(píng)估準(zhǔn)確、可信且便捷的涵洞評(píng)估方法是亟待解決的問題。

2 涵洞變權(quán)層次模糊安全評(píng)估體系構(gòu)建

2.1 多層次安全模糊評(píng)估模型

模糊綜合評(píng)估是一種基于模糊數(shù)學(xué)理論的評(píng)估方法[3- 5]。該方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)估轉(zhuǎn)化為定量評(píng)估，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素影響的待評(píng)對(duì)象做出一個(gè)總體評(píng)估。涵洞工程安全評(píng)估是一種受多因素制約的非確定性問題，可以利用模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)其安全運(yùn)行進(jìn)行合理有效的評(píng)估。

涵洞安全評(píng)估要考慮的因素很多，每個(gè)因素又包含多個(gè)層次，安全評(píng)估層次結(jié)構(gòu)可能是三級(jí)或更多的層次結(jié)構(gòu)。解決這種多層次的涵洞安全評(píng)估方法是：首先對(duì)最低層次的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行模糊評(píng)估，然后不斷地對(duì)上一層次的各指標(biāo)進(jìn)行模糊評(píng)估，直到得出涵洞的安全評(píng)估結(jié)果。以下按照三層指標(biāo)結(jié)構(gòu)為例說(shuō)明具體步驟：

(1)確定因素集

設(shè)第一層指標(biāo)為“涵洞安全狀況”U；第二層指標(biāo)集為U={u1，u2，…，un}；劃分其中的ui(i=1，2，…，n)，得第三層指標(biāo)集為Ui={ui1，ui2，…，uim}。

(2)選擇評(píng)估集

設(shè)涵洞安全評(píng)估集為V={v1，v2，…，vp}，其中評(píng)估指標(biāo)vk(k=1，2，…，p)一般由“正常”、“基本正常”、“病險(xiǎn)”三個(gè)評(píng)估結(jié)果組成，即p=3。

(3)建立權(quán)重向量

(4)進(jìn)行模糊評(píng)判

=(bi1，bi2，…bip)

對(duì)評(píng)估向量(bi1，bi2，…bip)應(yīng)用最大隸屬度原則可得到ui的模糊綜合評(píng)估結(jié)果。進(jìn)一步考慮各指標(biāo)的綜合影響，向上一層綜合。ui屬于評(píng)估集中第k個(gè)元素的隸屬度為rik，則

(ri1，ri2，…rip)=(bi1，bi2，…bip)

可得第一層指標(biāo)“涵洞安全狀況”U的模糊綜合評(píng)估模型為

=(b1，b2，…bp)

對(duì)評(píng)估向量(b1，b2，…bp)應(yīng)用最大隸屬度原則可得到“涵洞安全狀況”U的模糊綜合評(píng)估結(jié)果。

2.2 評(píng)估指標(biāo)體系和權(quán)重變化

2.2.1評(píng)估指標(biāo)選擇

根據(jù)涵洞的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)涵洞病害分布及成因分析，將防洪能力、結(jié)構(gòu)安全、滲流安全、工程質(zhì)量、金屬結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)備、運(yùn)行管理作為涵洞安全運(yùn)行的一級(jí)評(píng)估指標(biāo)，各一級(jí)指標(biāo)繼續(xù)向下細(xì)分，如防洪能力的二級(jí)評(píng)估指標(biāo)由過(guò)流能力、啟閉臺(tái)高程、堤頂高程、消能防沖等組成。各層次的評(píng)估指標(biāo)又可標(biāo)識(shí)為“強(qiáng)制滿足要求”指標(biāo)和“可彈性接受”指標(biāo)，“強(qiáng)制滿足要求”指標(biāo)不滿足要求時(shí)，就會(huì)使評(píng)估目標(biāo)喪失正常功能，如防洪能力；“可彈性接受”指標(biāo)對(duì)工程安全不起決定作用的非關(guān)鍵部位指標(biāo)，如運(yùn)行管理指標(biāo)。

2.2.2評(píng)估指標(biāo)量化

評(píng)估指標(biāo)引入安全值概念，安全值規(guī)定在0～1之間取值，數(shù)值越小，對(duì)涵洞安全越不利。評(píng)估指標(biāo)量化根據(jù)其不同性質(zhì)分為定量指標(biāo)和定性指標(biāo)，定量指標(biāo)可采用具有連續(xù)嚴(yán)格單調(diào)性質(zhì)的直線型隸屬度函數(shù)進(jìn)行安全值量化，定性指標(biāo)可采用德爾菲法進(jìn)行安全值量化。

2.2.3評(píng)估指標(biāo)權(quán)重及變權(quán)

由于涵洞安全狀況是隨著時(shí)間的推移而不斷變化的，在這個(gè)過(guò)程中，各個(gè)評(píng)估指標(biāo)狀況本身的變化及其它影響狀況的改變，將使得各個(gè)評(píng)估指標(biāo)對(duì)涵洞的安全狀態(tài)的影響程度發(fā)生一定的改變，因而各個(gè)評(píng)估指標(biāo)間權(quán)重的分配也將不斷變化，為了保證評(píng)估結(jié)果的合理性，在涵洞工程安全評(píng)估中，就需要?jiǎng)討B(tài)地調(diào)整某項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

對(duì)于“強(qiáng)制滿足要求”指標(biāo)，評(píng)估過(guò)程中有且僅有一項(xiàng)指標(biāo)不滿足要求，其權(quán)重就調(diào)整為1，同一級(jí)滿足要求的其余指標(biāo)權(quán)重調(diào)整為0，則其上一層的評(píng)定結(jié)果完全由該項(xiàng)指標(biāo)決定。同一級(jí)有多項(xiàng)指標(biāo)不滿足要求。則同一級(jí)滿足要求的其余指標(biāo)權(quán)重調(diào)整為0，不滿足要求的指標(biāo)可根據(jù)“改進(jìn)的0.1～0.9標(biāo)度法”確定權(quán)重[6]，則其上一層的評(píng)定結(jié)果由多項(xiàng)不滿足要求的指標(biāo)評(píng)分結(jié)果按照權(quán)重疊加計(jì)算。

2.3 安全評(píng)估集與隸屬度函數(shù)

2.3.1安全評(píng)估集

涵洞的底層指標(biāo)安全值與評(píng)估等級(jí)見表1。

表1 安全值與評(píng)估等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系表

2.3.2隸屬度函數(shù)

建立涵洞各評(píng)估指標(biāo)對(duì)評(píng)估等級(jí)的隸屬函數(shù)如圖1所示，對(duì)應(yīng)“正常/A”等級(jí)的隸屬函數(shù)見式(1)，對(duì)應(yīng)“基本正常/B”等級(jí)的隸屬函數(shù)見式(2)，對(duì)應(yīng)“病險(xiǎn)/C”等級(jí)的隸屬函數(shù)見式(3)[7]。

(1)

(2)

(3)