基于層次分析法的水庫土石壩工程病險特點研究

王甫 譚政 熊威 顏揚

摘要：為消除壩體安全隱患，保障水庫大壩安全，中國已建成水庫9.7萬多座，92%左右為土石壩，土石壩在水庫大壩安全中具有舉足輕重的地位。通過構建水庫大壩安全評價層次結構模型，基于大壩安全風險和病險頻度綜合權重進行分析，并通過層次分析法及帕累托法，量化得出水庫土石壩主要病險指標和因素。研究表明：水庫土石壩病險特點具有均衡性、全面性、規(guī)律性；水庫病險依次是滲流安全、結構安全、防洪能力；水庫病險主要因素是大壩滲流安全、泄洪能力、大壩結構安全、泄水建筑物結構安全、大壩壩頂高程和防浪墻高程等；不同等級規(guī)模水庫病險特點有所不同。研究結果對當前水庫土石壩工程除險加固具有參考意義。

關鍵詞：土石壩；病險特點；層次分析法；帕累托法；大壩安全評價

中圖法分類號：TV697 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.009

文章編號：1006-0081（2024）02-0053-07

0 引 言

水庫土石壩工程多建成于20世紀50～70年代，普遍存在工程標準偏低、管理力量薄弱、監(jiān)測設施不足、老化失修嚴重等問題。國家高度重視水庫大壩安全，1998年以來，中國累計投入近3 000億元資金，對2 800多座大中型水庫和6.9萬座小型水庫進行了除險加固，水庫安全狀況不斷改善。“十四五”期間，中國計劃投入近 1 000 億元完成現(xiàn)有1.94萬座病險水庫的除險加固任務，其中大、中、小型病險水庫分別約80座、470座和1.88萬座。受限于水庫服役時間長、加固資金有限、建設質量參差不齊、管理維護不到位等因素，目前還有相當數(shù)量的水庫土石壩工程存在病險情。研究水庫土石壩工程病險原因，分析歸納病險特點，可為水庫加固精準施策提供技術支撐。

水庫大壩安全評價一直是大壩管理的基礎課題和研究熱點，也是大壩除險加固的依據(jù)。為了對水庫大壩安全進行評價，制定了SL 258-2017《水庫大壩安全評價導則》（以下簡稱《導則》），從工程質量、運行管理、防洪、滲流、結構、抗震、金屬結構等7個指標層進行評價，但評價主要以定性評價為主，各指標重要程度視為等同，評價分為A、B、C級（A級為安全可靠；B級為基本安全，但有缺陷；C級為不安全），評價時以最低級別作為大壩安全等級，難以反映不同指標在大壩安全評價中的重要程度。為解決這一問題，專家學者通過層次分析法、熵權法、模糊綜合評價法、云模型、拓撲博弈論等建立大壩整體性態(tài)評價模型，以降低傳統(tǒng)分析方法中的主觀性和指標權重相等的影響，但對具體某個水庫安全評價中的病險總體性特點規(guī)律研究相對較少。

本文根據(jù)《導則》建立大壩安全綜合評價指標體系，根據(jù)搜集到的中國各省市2019～2023年安全鑒定結論為“三類壩”的184座水庫土石壩工程（大型水庫12座，中型水庫77座，小型水庫95座）的鑒定及加固資料的整理和分析，基于大壩安全風險和病險指標頻度，通過層次分析法量化確定各指標權重，結合帕累托曲線分析病險水庫的主要因素，從而得出水庫土石壩工程病險特點。

1 研究方法

1.1 構建層次結構模型

本文將大壩安全綜合評價結論分解為7個指標層，按照SL 258-2017《水庫大壩安全評價導則》及專家學者研究成果提出大壩安全評價的22個指標因素，構建“水庫大壩安全評價-指標層-因素層”的遞階層次結構，如表1所示。

1.2 層次分析法

引入層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）來確定各因素的權重，該方法將復雜的問題及眾多因素分解成一個有序的遞階層次結構，通過兩兩比較及計算矩陣最大特征根和其對應特征向量，來確定各指標的權重。

（1）建立判斷矩陣。Saaty提出一致矩陣法，即兩兩相互比較，采用相對尺度，盡可能減少性質不同的諸因素相互比較的困難，提高準確度。為比較每一個因素對目標的影響，確定它們在目標中的重要程度，每次取兩個因素對目標的影響之比為比較標度a，比較結果為判斷矩陣A。采用1～9標度法，由專家根據(jù)各指標的性質、相對關系以及實際經(jīng)驗給出，如表2所示。

（2）計算權向量和判斷矩陣的一致性。根據(jù)判斷矩陣，求出最大特征根所對應的特征向量，所求特征向量即為各評價因素的重要性排序，即各指標的權重。帶入A的特征值及求出相對的特征向量，其中與最大特征根λ對應的特征向量ω歸一化處理后得出各權重值ω。為驗證判斷矩陣一致性，參考相關文獻，用Saaty提出的一致性比率CR作為衡量標準，通過公式檢驗：CR=CI/RI，其中：CI=（λ-n）/（n-1），RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，當CR0.1時，可認為判斷矩陣滿足一致性檢驗。

1.3 確定權重

大壩安全風險權重是通過層次分析法將行業(yè)內專家對大壩安全各指標、因素的打分量化而得，病險頻度權重是對中國各省市2019～2023年安全鑒定結論為“三類壩”的184座水庫土石壩工程評級為C的指標層、因素層分析得出。

（1）大壩安全風險。邀請行業(yè)內專家根據(jù)大壩安全風險程度打分，加權平均后給出表1水庫大壩安全評價各指標層和各因素層的1～9標度，構建指標層和因素層兩兩判斷矩陣，采用軟件IBMSPSS Statistics 26.0版進行統(tǒng)計分析。本層次分析法模塊計算最大特征根對應的特征向量，一致性檢驗通過后，得出指標層權重值ω和因素層權重值ω。此處得到的因素層權重值為上一層指標層對應的相對權重，為進行全因素綜合比較，需將該因素權重值乘以該因素對應的上一層指標層權重值得出組合權重。

（2）大壩病害頻度。整理184座水庫樣本資料并統(tǒng)計分析表1中各指標和因素造成水庫安全評價為C級的數(shù)量，將其作為指標層和因素層兩兩判斷矩陣的權重計算基礎，構建指標層和因素層兩兩判斷矩陣，采用統(tǒng)計分析軟件IBMSPSS Statistics 26.0的層次分析法模塊計算最大特征根對應的特征向量，一致性檢驗通過后，得出指標層權重值ω和因素層權重值ω，計算出各因素組合權重。

1.4 綜合評價

綜合考慮大壩安全風險和大壩病害頻度，將指標層權重值ω和ω相乘、因素層權重值ω和ω相乘，對乘積結果分別進行歸一化處理，得出最終指標層權重值ω和因素層權重值ω。

將指標層權重值和因素層組合權重值分別按值從大到小排序，繪制帕累托圖，確定影響水庫大壩安全評價的主要因素（累計權重達0.8）和次要因素（累計權重0.8～0.9）。

2 研究結果

2.1 大壩安全風險權重

根據(jù)文中構建的水庫大壩安全評價層次分析模型，結合專家打分，加權平均得出指標層兩兩判斷矩陣，如表3所示。

采用統(tǒng)計分析軟件IBMSPSS Statistics 26.0的層次分析法模塊，計算求得各指標層權重ω=（0.066，0.082，0.270，0.211，0.198，0.031，0.142），一致性檢驗CR0.1。計算因素層權重方法同上，通過一致性檢驗，綜合計算結果見表4。

2.2 大壩病害頻度權重

整理樣本資料并區(qū)分大中型水庫和小型水庫，統(tǒng)計分析各因素造成安全評價為C級的數(shù)量，將其分別作為指標層和因素層兩兩判斷矩陣的權重，以此為基礎展開相關的計算和分析。經(jīng)統(tǒng)計，樣本數(shù)據(jù)安全評價指標層及因素層C級數(shù)量分別見表5和圖1。

根據(jù)表5和圖1構建指標層和因素層兩兩比對矩陣，采用統(tǒng)計分析軟件IBMSPSS Statistics 26.0版本層次分析法模塊計算特征向量最大特征值，并驗證計算結果。結果顯示，各指標層和因素層一致性比例CR0.1，表明構建的兩兩判斷矩陣滿足層次分析法一致性驗證，指標層和因素層權重計算成果見表6。

2.3 綜合評價權重

綜合考慮大壩安全風險和大壩病害頻度對水庫大壩安全的影響，將兩指標層權重值對應相乘、兩因素層權重值對應相乘，乘得結果分別進行歸一化處理后得出最終指標層權重值和因素層權重值，結果見表7。

將表4數(shù)據(jù)按照從大到小排序后累加繪制帕累托圖，如圖2所示。圖2（a）～（c）對應表7的組合權重，根據(jù)結果可以確定影響水庫大壩安全綜合評價的主要因素（累計頻率達0.8）和次要因素（累計頻率0.8～0.9）。

2.4 評價小結

由圖2（d）～（f）可知，大中型水庫土石壩工程指標層主要病險指標是滲流安全指標、結構安全指標與金屬結構安全指標，次要病險指標是防洪能力不足。小型水庫土石壩工程指標層主要病險指標是滲流安全指標、結構安全指標與防洪能力不足，次要病險指標是工程質量不合格。水庫土石壩工程總體上指標層主要病險指標是滲流安全指標、結構安全指標與防洪能力不足，次要病險指標是金屬結構安全指標。

由圖2（a）～（c）可知，大中型水庫土石壩工程病險因素層主要因素是大壩滲流安全、泄洪能力、閘門結構安全、大壩結構安全、泄水建筑物結構安全、啟閉機結構安全、大壩壩頂高程和防浪墻高程、輸水建筑物滲流安全；次要因素是泄水建筑物滲流安全、輸水建筑物結構安全與安全監(jiān)測。小型水庫土石壩工程病險主要因素是大壩滲流安全、泄洪能力、大壩結構安全、泄水建筑物結構安全、大壩壩頂高程和防浪墻高程；次要因素是輸水建筑物結構安全、大壩質量與安全監(jiān)測。水庫土石壩工程總體上病險因素層主要因素是大壩滲流安全、泄洪能力、大壩結構安全、泄水建筑物結構安全、大壩壩頂高程和防浪墻高程、閘門結構安全與輸水建筑物結構安全；次要因素是啟閉機結構安全、大壩質量與輸水建筑物滲流安全。各指標和因素分布較均勻，沒有出現(xiàn)“絕壁式”權重，充分體現(xiàn)出水庫大壩安全評價是7個指標和22個因素共同影響的結果，水庫土石壩工程病險特點具有均衡性和全面性。

3 討 論

3.1 基于大壩安全風險和病險頻度的水庫土石壩安全評價 根據(jù)表6總體來看，當前水庫土石壩工程主要病險指標是結構安全指標、滲流安全指標、工程質量不合格與金屬結構安全指標，其中結構安全指標主要是泄水建筑物結構安全指標和輸水建筑物結構安全指標，這說明前幾輪水庫加固是成功的。雖然從病險頻度分析，防洪能力不足導致水庫評為“三類壩”數(shù)量顯著降低，但隨著近年來極端氣候、超標準洪水的頻度和強度顯著增強，且土石壩不能抵御洪水漫頂，2018～2021年11座潰壩事故中有8座因超標準洪水所致，防洪能力仍然是水庫土石壩工程安全的重中之重。本文引入大壩安全風險權重分析，彌補了病險頻度分析水庫病害特點未考慮不同指標危害程度的不足，能更全面反映當前水庫土石壩工程應重點關注的病害問題。

3.2 不同規(guī)模水庫土石壩工程病險特點

由表7和圖2可知，從大壩安全風險和病害頻度綜合權重中可分析得出，當前水庫土石壩工程主要病險指標是滲流安全指標、結構安全指標與防洪能力不足。大中型水庫和小型水庫主要病害指標有所區(qū)別，大中型水庫需更關注金屬結構安全指標，小型水庫更應關注防洪安全指標；當前水庫土石壩工程主要病險因素是大壩滲流安全、泄洪能力、大壩結構安全、泄水建筑物結構安全、大壩壩頂高程和防浪墻高程、閘門結構安全、輸水建筑物結構安全，大中型水庫和小型水庫主要病害因素基本相同，但有所區(qū)別的是大中型水庫主要病害因素更多，小型水庫主要病害因素更集中。

4 結 語

中國水庫土石壩工程數(shù)量大、類型多、分布廣，病險情況復雜。本文通過構建水庫大壩安全評價層次結構模型，基于大壩安全風險和病險頻度綜合權重進行分析。綜合考慮病害指標、因素出現(xiàn)的頻度及危害，通過繪制帕累托曲線，初步分析了當前水庫土石壩工程病險特點。下一步可結合大尺度和大規(guī)模樣本數(shù)據(jù)研究病險特點是否與區(qū)域、壩型、壩高等有關，總結不同病險問題所對應的加固技術，為當前病險水庫土石壩工程病險治理與加固提供參考。

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（編輯：張 爽）

Study on risk characteristics of reservoir earth and rockfill dam project

in new era based on analytic hierarchy processWANG Fu，TAN Zheng，XIONG Wei，YAN Yang

（1.Changjiang Survey Planning Design Research Co.，Ltd. ，Wuhan 430010，China； 2.National Dam Safety Engineering Technology Research Center，Wuhan 430010，China； 3.China Water Resources Pearl River Planning Surveying and Designing Co.，Ltd.，Guangzhou 510610，China）

Abstract：In order to eliminate dam safety hazards and ensure the safety of reservoir dams，a hierarchical structure model for reservoir dam safety evaluation was constructed.Based on the comprehensive weight analysis of dam safety risk and risk frequency，we quantitatively analyzed the main risk indicators and factors of earth and rockfill dam engineering by constructing the hierarchical structure model of dam safety evaluation and Pareto method. The study showed that the risk characteristics of reservoir earth and rockfill dam project were balanced，comprehensive and regular. The main indexes of reservoir risk were seepage safety，structural safety and insufficient flood control capacity in turn. The main factors of reservoir risk were seepage safety of dam，flood discharge capacity review，dam structure safety，structure safety of drainage buildings，dam top elevation and wave wall elevation review，etc. The characteristics of reservoir risk were different in different sizes. The research results can provide a reference for the current reservoir earth and rockfill dam engineering．

Key words：earth and rockfill dam；defectiveness characteristics；analytic hierarchy process；Pareto method；dam safety assessment