基于風險優(yōu)先數的范家屯水庫大壩安全評估

郎 穎

（撫順市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 撫順 113006）

0 引 言

目前，對于水利工程風險評估應用最多的方法是FMECA 法[1-2]。然而在分析水庫大壩安全性時FMECA 法還存在許多不足，如專業(yè)技術人員對FMECA 法中的指標評分具有較大的人為差異，所以使用FMECA 法存在較大主觀性及不確定性；在分析水庫大壩安全風險時傳統(tǒng)的FMECA 法忽略了各隱患之間的相互影響，而是直接分析安全隱患[3]。鑒于此，針對水庫大壩安全性分析提出適用性較好的FMECA-某層次分析法，采用模糊層次分析法改進原有的FMECA 方法，從而保證評估結果的客觀嚴謹性。

1 評價方法

1.1 FMECA 法

FMECA 法是一種普遍應用于水電行業(yè)風險程度、失效模式和后果的風險分析方法，該方法設定了失效原因被檢出程度(DDDR)、失效后果嚴重程度(EESR)和失效發(fā)生概率(OOPR)三個指標。其中，是否容易采取措施阻止失效發(fā)生以及是否容易發(fā)現失效與失效原因被檢出程度有關。依據相似系統(tǒng)失效記錄或工程實踐經驗，各指標使用1~5 標定，如表1 所示。

表1 FMECA 法中的各指標標定值

對于失效后果嚴重程度，危害很小是指造成的經濟損失、環(huán)境污染和人員傷害均很小；危害小是指造成的經濟損失、環(huán)境污染和人員傷害較小；危害嚴重是指造成明顯的經濟損失，可能污染環(huán)境和人員傷害甚至死亡；危害非常嚴重是指造成較大經濟損失、明顯的環(huán)境污染和人員上網；災難性危害是指造成巨大經濟損失、嚴重環(huán)境污染和3 人以上死亡[4]。

風險優(yōu)先數(RRPN)就是各指標的乘積，其數值大小反映了失效模式的風險嚴重程度，其表達式為：

1.2 土石壩安全評估體系

根據FMECA 法和水庫大壩實際情況分析導致隱患發(fā)生的原因及可能出現的各種安全隱患[5]，從壩基異常滲漏、結構異常破壞、洪水漫壩和材料老化變質等角度建立土石壩安全隱患體系，如表2 所示。

表2 土石壩安全隱患評估體系

1.3 FMECA-模糊層次法

采用模糊層次法全面分析失效后果嚴重程度(EESR)和失效發(fā)生概率(OOPR)，參照FMECA 評分表和風險矩陣的權重計算方法構造判斷矩陣，以內部安全為例簡要說明計算流程[6-8]。

1.3.1 確定因素集合U

根據表1 可以構造水庫大壩內部安全隱患因素集U：U={U1，U2，U3}，其 中U3、U2、U1分 別為材料變質老化、壩基異常滲漏和結構異常破壞。

1.3.2 確定評語集合V

根據相關資料和土石壩特點可以建立水庫大壩失效發(fā)生概率評語集V1和失效后果嚴重程度評語集V2，即對應于不會發(fā)生、極不可能發(fā)生、不可能發(fā)生、可能發(fā)生和極可能發(fā)生，對應于危害很小、危害小、危害嚴重、危害非常嚴重和災難性危害。

1.3.3 構造模糊評判矩陣R

根據各因素ui的評語和專家評分表，利用下式計算最終評語pj，即：

式中：nj表示評語的出現次數。通過上述計算構造因素ui對評語集V的評判向量ri=(p1，p2，p3，p4，p5)，各個因素ui及其對應的評判向量ri為判斷矩陣的列和行，由此可以建立判斷矩陣R。

1.3.4 確定因素權重集A

參照1~9 標度準則邀請領域內的多位專家對各安全隱患的相互影響程度進行評分建立權重矩陣A，經一致性檢驗和最大特征根λmax計算求出各隱患的權重，詳細流程見文獻[9]。

1.3.5 模糊綜合評估

將模糊判斷矩陣R與權重矩陣A利用合成算子( +)?，進行計算，則：

其中，bj=(a1r1j+a2r2j+a3r3j)。

根據失效后果嚴重程度(EESR)和失效發(fā)生概率(OOPR)的評估結果，參照表3 種的等級評判標準及《水庫大壩安全評價導則》確定大壩內部安全評估等級[10]。

表3 大壩安全等級標準

2 實例分析

2.1 水庫大壩概況

范家屯水庫是一座以灌溉、防洪為主，兼養(yǎng)魚、旅游等功能的小（1）型水庫，壩址位于鐵嶺縣凡河流域福利河中游，控制集水面積27km2，總庫容950 萬m3，建成后保護了下游耕地和2.19 萬人口[11-13]。

2.2 安全隱患分析

根據范家屯水庫大壩（4 級土石壩）實際情況和表1 評估體系進行該水庫安全隱患分析，如表4 所示。

表4 范家屯水庫安全隱患分析表

2.3 確定評判矩陣

通過邀請領域內的5 位專家按照表3 范家屯水庫安全隱患分析表進行評分，結果如表5 所示。

表5 范家屯水庫的EESR 和OOPR 評分表

采用公式（2）和表4 可以建立因素集合中的ui對于失效發(fā)生概率評語集V1的評判向量：r1=(0.2，0.6，0.2，0，0)、r2=(0.6，0.4，0，0，0)、r3=(0.5，0.3，0.2，0，0)，從 而 進 一 步 建 立 判 斷 矩 陣R1：

同理，采用相同的方法可以建立因素集合中的ui對于失效后果嚴重程度評語集V2的評判向量和判斷矩陣R2：

2.4 計算因子權重

對范家屯水庫大壩各安全因素邀請領域內的5位專家參照1~9 標度準則進行權重評分，1#專家的權重評分，如表6 所示。

表6 1#專家對大壩內部安全隱患權重評分

結合表5 權重評分可以構造判斷矩陣：

通過一致性檢驗、最大特征根計算和歸一化處理可以確定權重向量W=[0 . 5470，0.1085,0.3445]，其一致性比率CR=0.052 滿足小于0.1 的檢驗要求。同理，對其它4 位專家評分表利用相同的方法進行處理可以得到相應的統(tǒng)計數據如表7 所示。通過算數平均計算可以確定U1、U2、U3這三個安全隱患的權重為0.4961、0.1594、0.3445。

表7 內部安全隱患指標權重

2.5 模糊數學分析

將模糊判斷矩陣R與權重矩陣A利用合成算子( +?)， 進行計算，可以確定失效發(fā)生概率B1和失效后果嚴重程度B2的評判結果及其比例分布情況（圖1），即：

圖1 范家屯水庫大壩內部安全隱患評判結果

由圖1 可知，有37.1%的專家認為范家屯水庫大壩內部不會發(fā)生安全隱患，有46.1%的專家認為極不可能發(fā)生安全隱患，有10.0%的專家認為不可能發(fā)生，有6.8%的專家認為可能發(fā)生失效，沒有專家認為極可能發(fā)生失效，按照最大隸屬度準則判定該水庫大壩極不可能發(fā)生安全隱患。另外，有27.2%的專家認為范家屯水庫大壩內部失效危害小，有50.0%的專家認為失效危害嚴重，有22.8%的專家認為失效危害非常嚴重，沒有專家認為失效危害很小和災難性危害，按照最大隸屬度準則判定該水庫大壩發(fā)生失效造成的危害嚴重。

根據失效后果嚴重程度和失效發(fā)生概率評估結果，參照表2 安全等級標準可以判定該水庫大壩屬于A 等級，這與范家屯水庫大壩安全鑒定結論及實際情況保持一致。

3 結 論

1）文章對FMECA 法確定的評分表利用模糊層次分析法進行評分，該方法保證了評估結果的科學合理性，有效解決了傳統(tǒng)FMECA 法存在的主觀性及未考慮各安全隱患相互影響的問題，通過合理分配及分析權重保證評估結果的說服力和可靠性。

2）對鐵嶺縣范家屯水庫大壩利用FMECA-模糊層次分析法進行評估，結果顯示該水庫大壩屬于A等級，這與范家屯水庫大壩安全鑒定結論及實際情況保持一致，說明該方法切實可行有效。