觀音閣水庫大壩安全健康狀態評價

龔 祖

(昌圖縣水利勘測設計有限公司,遼寧 鐵嶺 112500)

我國是擁有水庫數量和水庫潰壩數量最多的國家,并且絕大多數水庫修建于20世紀50～70年代,受限于當時經濟發展和施工技術條件大多存在工程質量差、防洪不達標等問題,加之后期運行管理和維修不當,,一旦失事必然導致嚴重后果[1]。因此,調查評估水庫大壩的風險問題及其安全狀態,對于水庫除險加固和資源的合理分配、利用具有重要意義。

為了規范鑒定工作的標準、方法、內容及保證鑒定質量,有關部門綜合考慮防洪能力、運行管理和安全系數復核等因素制定了《水庫大壩安全評價導則》,使評價水平得到了明顯提升[2]。然而,在實際鑒定過程中該導則還存在一些不足,如評價方式主要是定性判斷,決策易出現分歧或爭議;決策時沒有突出各部分的重要程度,未考慮權重因素。此外,影響大壩安全的許多復雜因素存在較大的模糊性,難以用確定性方式分析其輸出輸入關系。為解決以上問題,工程界和學術界使用風險評估法、模糊數學法、專家評分法及層次分析法等評價安全狀況[3-5]。其中,層次分析法作為輔助手段,主要側重于指標權重的計算和排序,通過定量判斷相對重要性和數學表達人的主觀判斷,實現決策過程及其定性判斷的數量化,現已廣泛應用于多因素系統問題研究[6]。模糊綜合評判主要是考慮數學計算和指標權重實現復雜系統問題的線性模糊化處理,從而反映整體狀況[7]。有學者利用多層次的目標體系和模糊理論評價了監測指標體系,優化改進判斷矩陣的一致性檢驗方法,選用熵權法改進權重以保證評價結果的客觀性等[8-10]。這些研究為水庫大壩安全鑒定領域中模糊數學理論和層次分析法的推廣應用奠定了基礎,但是在具體使用時還存在深度較淺、廣度不足等問題[11]。另外,采用模糊數學理論確定隸屬函數缺少依據,由于定性因素較多計算的隸屬度無法客觀真實反映實際情況。因此,文章從社會經濟和結構安全等方面建立評價體系,將模糊數學理論與層次分析法相結合評價觀音閣水庫大壩的健康狀態,該方法既考慮了主觀判斷的不確定性又避免了一致性檢驗計算,保證了權重計算的有效科學性,計算的隸屬度體現了不確定性和模糊性,使得計算結果更加客觀合理,更真實地反映水庫大壩安全實際情況。

1 建模分析

1.1 綜合評價體系

總體上,可以將水庫大壩安全的影響因素劃分成社會經濟和結構安全2類,遵循系統性、代表性、簡約性和可操作性等原則進一步細化各類因素,如表1所示。

表1 水庫大壩安全評價體系

1.2 建模流程

步驟1:設影響大壩安全的因素有m個,可采用合適的評語描述每一種因素,從而構建相應的評語集U:

U={u1,u2,…,uj…,um}

(1)

式中:uj為第j個評語,采用專家咨詢法和主觀經驗判斷法確定每一個評語。為反映優劣程度將其劃分成n個等級,從而構建等級評語集V:

V={v1,v2,…,vi…,vn}

(2)

式中:vi為第j個評價等級,每個評語uj對任一等級vi都存在一個隸屬度rij,可以將該評語的所有等級隸屬度構成模糊向量Y′,其表達式為:

Y′={r1j,r2,j…,rij…,rnj}

(3)

(4)

(5)

式中:aj為第j個評語權重。

(6)

2 實證研究

2.1 工程概況

觀音閣水庫建于太子河干流上,總庫容21.68億m3,控制面積2 795km2,并與下游葠窩水庫形成梯級開發。觀音閣水庫承擔著防洪、灌溉、城市供水、水產養殖及水力發電等多種任務,水庫大壩按設計任務要求,由擋水(共分65個壩段,壩頂長1040m)、溢流(BL15#～27#,總長208m)、底孔(13#、14#壩段,全長32m)及電站壩段組成(8#、9#壩段,全長35m),攔河壩為碾壓混凝土重力壩,壩體剖面為“金包銀”型式,壩體內共設有三層廊道及隧洞。根據太子河流域水庫工程的實際情況,確定葠窩、湯河和觀音閣三座大型水庫除直接供水給本溪、鞍山、遼陽和營口等市部分工業及城市生活用水外,尚應聯合運用,共同補償區間供水。觀音閣水庫作為補償水庫,除直接供給本溪、鞍山、遼陽三市工業及城市生活用水外,再補農業灌溉用水的聯合運用方式較優[13-15]。

2.2 等級劃分

為了反映每個評語的優劣程度,結合水庫大壩的具體情況將評判結果劃分成5個等級,對于不同等級每項評語的優劣程度如表2所示。

表2 各項評語的優劣程度

2.3 結果分析

采用相關公式定量計算評價體系中可以量化的指標權重,對難以定量預測的指標可以選用層次分析法、專家小組集體討論投票表決法、專家征詢法以及主觀經驗判斷法等確定指標權重。為保證水庫安全評價的公正、科學和客觀性,研究選用層次分析(AHP)與專家征詢相結合的方法,通過集中統計多位專家打分值和意見計算確定指標權重,具體流程如下:

1)結合各層次和指標間的關系建立判斷矩陣,由層級A與B中的2個參數可已建立判斷矩陣A,由系統層B中的2個指標和指標層C中的10個指標構造兩個判斷矩陣B1、B2,如表3所示。

表3 判斷矩陣

2)總權重集。研究選用方根法計算上、下層次中的指標權重,總權重利用上下層權重的乘積確定,并考慮技術員和專家意見確定正常工況下各指標權重集,如表4所示。

表4 水庫大壩安全評價指標權重及隸屬度

3)計算隸屬度。采用下式計算關于等級vi評語uj的隸屬度rij,即:

(7)

式中:∈為評語uj隸屬于等級i的次數;n為樣本數量,可見隸屬的樣本數量越多則rij的代表性越好。通過調查統計專業技術人員的評價結果和領域內專家意見,合理確定大壩安全各項指標隸屬度如表4所示。

3 結 論

本研究從社會經濟和結構安全等方面選擇10個指標構建評價體系,將模糊數學理論與層次分析法相結合評價觀音閣水庫大壩安全狀態。結果表明,觀音閣水庫大壩總體處于良好狀態,這與二類壩的安全鑒定結論相一致。該水庫大壩整體質量和運行狀況較好,工程結構安全穩定,未發現明顯不利影響因素,評價結果可以客觀真實地反映水庫大壩實際運行情況,所構建的評價體系和多層次模糊評價法表現出較強的可行性及可靠性。