基于BKS法澇河水庫(kù)安全等級(jí)評(píng)價(jià)

法子凡

(山西鵬右水利規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

作為水資源利用大國(guó)，我國(guó)修建了多座水庫(kù)工程，水庫(kù)工程建設(shè)對(duì)我經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了巨大的效益。由于一些水庫(kù)修建時(shí)期較早，工程質(zhì)量較為低下，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，水庫(kù)工程安全風(fēng)險(xiǎn)顯著提高。針對(duì)這一類(lèi)型的水庫(kù)工程進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，已經(jīng)得到了越來(lái)越多的重視。任睿[1]采用FMECA方法對(duì)水庫(kù)安全情況進(jìn)行研究，認(rèn)為水庫(kù)在泄洪、受力等方面存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，需要采取加固措施；張哲銘[2]結(jié)合監(jiān)測(cè)和檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)水庫(kù)大壩安全情況進(jìn)行分析，認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)數(shù)據(jù)可以真實(shí)反映水庫(kù)的安全情況；李京陽(yáng)等[3]、陳果等[4]分別采用模糊綜合法、層次分析法對(duì)水庫(kù)大壩的安全情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況較為一致。根據(jù)前人研究可知，水庫(kù)工程安全評(píng)價(jià)涉及到多個(gè)學(xué)科、多個(gè)因素，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程[5-7]，結(jié)合澇河水庫(kù)工程實(shí)例，采用BKS方法對(duì)水庫(kù)工程安全情況進(jìn)行分析。

1 工程概況

澇河水庫(kù)位于汾河支流澇河干流上，大壩座落在距臨汾市城東20km的臨汾市堯都區(qū)大陽(yáng)鎮(zhèn)東河堤村東，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧供水、養(yǎng)魚(yú)及旅游等綜合利用的中型水庫(kù)，控制流域面積450.7km2，總庫(kù)容5960萬(wàn)m3。設(shè)計(jì)灌溉面積7.36萬(wàn)畝。

澇河水庫(kù)工程等別為Ⅲ等，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇。抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度。

澇河水庫(kù)于1975年11月動(dòng)工興建，1978年9月下閘蓄水，建有土壩、泄洪洞、灌溉洞及土質(zhì)溢洪道。2003年對(duì)水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固：改建溢洪道，新建泄洪洞進(jìn)水塔工作橋。

大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程560.35m，最大壩高43.15m，壩頂長(zhǎng)865m，壩頂寬6m，壩頂上游側(cè)設(shè)有高1.2m的漿砌石防浪墻。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

水庫(kù)工程安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立主要包括層次結(jié)構(gòu)圖和各指標(biāo)的權(quán)重2個(gè)工作內(nèi)容。結(jié)合前人研究成果，將影響指標(biāo)體系按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制。目前，影響水庫(kù)工程安全的指標(biāo)可從工程質(zhì)量、運(yùn)行管理、防洪、結(jié)構(gòu)、滲流、抗震能力、金屬結(jié)構(gòu)等7個(gè)方面進(jìn)行考慮。通過(guò)向?qū)＜易稍?xún)等方法，確定各指標(biāo)對(duì)水庫(kù)安全的影響程度，從而確定各指標(biāo)的權(quán)重。影響水庫(kù)工程安全的指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3 水庫(kù)大壩安全等級(jí)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

3.1 組合賦權(quán)法

層次分析法首次提出時(shí)間是20世紀(jì)70年代，但主觀因素對(duì)該方法獲取的權(quán)重結(jié)果影響較大，為了改善這一情況，采用粗糙集理論對(duì)該方法進(jìn)行改

進(jìn)，同時(shí)利用熵權(quán)法降低人為因素對(duì)指標(biāo)權(quán)重結(jié)果的影響。該方法應(yīng)用極為廣泛[8-10]，簡(jiǎn)要計(jì)算過(guò)程如下：

(1)

(2)

式中，yji—各指標(biāo)值；p—指標(biāo)個(gè)數(shù)；wi—指標(biāo)權(quán)重。

層次分析法、熵權(quán)法權(quán)重分別為為wi′、wi″，滿(mǎn)足函數(shù)d(wi′，wi″)：

(3)

組合權(quán)重為wz：

wz=αwi′+βwi″

(4)

式中，α，β—分配系數(shù)，滿(mǎn)足以下條件：

d(wi′，wi″)2=(α-β)2

(5)

α+β=1

(6)

指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 大壩安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重

3.2 行為知識(shí)空間法

行為知識(shí)空間法(BKS法)的基本原理如下[5]：假設(shè)指標(biāo)共有L個(gè)可能導(dǎo)致出現(xiàn)的結(jié)果，采用集合ω1、ω2、…、ωL表示。假設(shè)共有n個(gè)影響最終結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，em(m=1，2，…，n)，令em(X)∈{1，2，…，L}，表示評(píng)價(jià)指標(biāo)em對(duì)特征矢量X的分類(lèi)；對(duì)于水庫(kù)工程不同的安全等級(jí)，各個(gè)指標(biāo)結(jié)果為E(X)=(e1，e2，…，em)，因此，輸出結(jié)果共有Ln種。每個(gè)輸出結(jié)果均為BKS中的一個(gè)數(shù)據(jù)。之后利用判決矩陣，在少數(shù)服從多數(shù)的原則下確定水庫(kù)工程的最終安全等級(jí)。

3.3 澇河水庫(kù)安全等級(jí)評(píng)價(jià)

3.3.1工程現(xiàn)狀問(wèn)題

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，工程存在的主要問(wèn)題如下：

(1)右壩肩0+134～0-090處為三級(jí)黃土階地，有2層砂礫石透水層，建壩時(shí)未做處理，1979年在右岸下游坡腳形成管涌，1981—1982年在壩腳設(shè)砂礫料反濾體及6眼減壓井，上游壩岸設(shè)黏土封堵墻，但滲流量沒(méi)有明顯減少；2003年除險(xiǎn)加固做了高噴防滲墻處理，防滲墻頂高程為524、530、544m，底高程496m，經(jīng)運(yùn)行觀察，下游仍有水滲出，滲漏量0.5～1.8L/s。

(2)2021年11月右壩段大壩樁號(hào)0+016～0+121之間，下游壩腳4號(hào)測(cè)壓管(為壩基測(cè)壓管，地面高程530.226m)冒水，樁號(hào)0+121處82-7測(cè)壓管(為壩基測(cè)壓管，地面高程528.959m)冒水，測(cè)壓管加高1m后仍然有水溢出，壩基砂礫石層存在承壓水。

(3)現(xiàn)場(chǎng)檢查，右壩肩在樁號(hào)0+045～0+121之間，高程540～526m之間存在陰濕現(xiàn)象。

(4)上游護(hù)坡為干砌石護(hù)坡，建于20世紀(jì)70年代，多處存在塊石脫落，壩體土裸露現(xiàn)象。

(5)泄洪洞洞身因較大不均勻沉降18.9cm，第6節(jié)洞身產(chǎn)生沿截水環(huán)的環(huán)向裂縫變形，雖經(jīng)修補(bǔ)，但未能結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)；第3、4、5、6節(jié)洞身伸縮縫因不均勻沉降破損，修復(fù)后有多處鼓包現(xiàn)象，并伴有少量滲水；工作閘門(mén)無(wú)配重，閘門(mén)底部止水損壞有噴水現(xiàn)象；泄洪洞出口洞臉及兩側(cè)擋墻砌體損壞嚴(yán)重。下游旅游公路橫跨泄洪洞泄洪通道，影響泄洪安全。

(6)泄洪洞工作閘門(mén)上游側(cè)未配置事故閘門(mén)，泄洪洞工作閘門(mén)及檢修閘門(mén)配套的2臺(tái)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)沒(méi)有行程控制，無(wú)負(fù)荷控制傳感器等；電氣設(shè)備老化，未見(jiàn)備用電源。2臺(tái)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)安全等級(jí)評(píng)定為不安全；啟閉機(jī)室屋頂滲雨，未見(jiàn)避雷設(shè)施，無(wú)應(yīng)急照明；啟閉機(jī)電力配電柜、控制柜技術(shù)落后，主令元件老化，線(xiàn)纜老化，接地不可靠；存在嚴(yán)重安全隱患。

(7)溢洪道進(jìn)口控制段2座交通橋橋底高程低于校核洪水位，橋底凈空不滿(mǎn)足規(guī)范要求，影響行洪安全。

(8)灌溉洞洞身結(jié)構(gòu)老化，進(jìn)口水下閘室結(jié)構(gòu)型式操作不便，不適應(yīng)安全運(yùn)行要求，水下閘室陰暗潮濕環(huán)境，影響電動(dòng)閘閥安全運(yùn)行；進(jìn)口4臺(tái)電動(dòng)閘閥電動(dòng)裝置嚴(yán)重故障，現(xiàn)已無(wú)法運(yùn)行，目前利用出口閘閥控制，并且閘閥下游連接管道已運(yùn)行48年，銹蝕嚴(yán)重；灌溉洞交通廊道頂部漏水嚴(yán)重，運(yùn)行過(guò)程中存在安全隱患。

(9)用于觀測(cè)浸潤(rùn)線(xiàn)的測(cè)壓管，數(shù)量偏少，部分測(cè)壓管損壞，不能正常運(yùn)行。

3.3.2大壩等級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，將調(diào)查結(jié)果向業(yè)內(nèi)專(zhuān)家問(wèn)詢(xún)，獲取各指標(biāo)評(píng)分，大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分見(jiàn)表2。

表2 大壩安全等級(jí)劃分

通過(guò)數(shù)據(jù)整理，澇河水庫(kù)工程等級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)，見(jiàn)表3。

表3 大壩安全等級(jí)

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

根據(jù)分析，選取了7類(lèi)23個(gè)指標(biāo)作為水庫(kù)安全等級(jí)的影響因素，采用組合賦權(quán)的方法獲取各指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合澇河水庫(kù)工程的實(shí)際情況，問(wèn)詢(xún)業(yè)內(nèi)權(quán)威專(zhuān)家獲取各指標(biāo)的分值，最終確定澇河水庫(kù)安全等級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)，需要采取除險(xiǎn)加固工程措施。

4.2 建議

(1)對(duì)右壩肩砂礫石層進(jìn)行防滲處理；對(duì)上游干砌石護(hù)坡進(jìn)行更換；

(2)更換泄洪洞工作閘門(mén)及檢修閘門(mén)啟閉機(jī)，修復(fù)加固洞身沉降裂縫部位；

(3)對(duì)泄洪洞啟閉機(jī)室進(jìn)行相應(yīng)改造升級(jí)；

(4)更換灌溉洞進(jìn)口閘閥及連接段管道，對(duì)交通廊道漏水部位進(jìn)行加固處理；

(5)改造溢洪道進(jìn)口控制段段左右岸側(cè)墻，修復(fù)泄槽段高邊坡?lián)鯄Γ瑢?duì)溢洪道消力池進(jìn)行清淤疏浚，清理溢洪道進(jìn)口雜物；

(6)盡快完善工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)工程安全監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)相關(guān)觀測(cè)計(jì)量記錄，完善監(jiān)測(cè)資料；

(7)加強(qiáng)對(duì)水庫(kù)的維修養(yǎng)護(hù)，進(jìn)一步完善水庫(kù)運(yùn)行管理，對(duì)水庫(kù)歷史資料進(jìn)行收集整理，建立檔案庫(kù)，按照相關(guān)規(guī)定分類(lèi)整編、存檔和保管；

(8)汛期應(yīng)加強(qiáng)工程巡視，密切關(guān)注水庫(kù)異常情況，水庫(kù)除險(xiǎn)加固前低水位運(yùn)行，確保水庫(kù)工程安全。