水電工程初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策

劉國清 郭勇

摘 要：水利水電工程施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇直接影響到工程的投資及安全，施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇必須綜合考慮導(dǎo)流工程的投資、建設(shè)工期及其風(fēng)險(xiǎn)率。文章在綜合考慮施工導(dǎo)流多重不確定因素的基礎(chǔ)上給出了導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算模型，并利用TOPSIS方法建立了導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策模型。通過工程實(shí)例分析，證明風(fēng)險(xiǎn)分析方法及多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策模型是可靠適用的。

關(guān)鍵詞：施工導(dǎo)流；導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)；風(fēng)險(xiǎn)；多目標(biāo)決策；TOPSIS方法

1 概述

導(dǎo)流初期標(biāo)準(zhǔn)的選擇貫穿水利水電工程建設(shè)全過程，影響施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)的因素主要有水文、水力及其它不確定性因素。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)越高，導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)就越低，而投資就會(huì)越大，反之，投資就會(huì)降低，而風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增大。

2 施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 施工洪水的不確定性 施工洪水過程變化受眾多因素影響，極其復(fù)雜且具有隨機(jī)性。根據(jù)壩址的實(shí)測資料，按同頻率法放大計(jì)算洪水過程線。最大洪峰流量采用P-Ⅲ典型隨機(jī)抽樣均值，其密度函數(shù)為：f（x）=（X-α）e （1）

式中：α，β，a0為P-Ⅲ型分布的形狀、刻度和位置參數(shù)；Γ（α）為α的伽瑪參數(shù)。并且有α=4C2s，β=2/（CC），α=（1-2CC）；為P-Ⅲ型分布的均值，Cv為P-Ⅲ型分布的變差系數(shù)，Cs為P-Ⅲ型分布的偏態(tài)系數(shù)。

2.2 導(dǎo)流建筑物泄流能力的不確定性 設(shè)計(jì)、施工等的不確定性導(dǎo)致泄水建筑物的泄流能力亦存在不確定性，可假定為三角分布。其分布函數(shù)為：f（x）=

式中：a為導(dǎo)流建筑最大泄流量；b為導(dǎo)流建筑物泄流量均值； c為導(dǎo)流建筑物最大泄流量。

2.3 其它不確定性 在設(shè)計(jì)過程中，地形資料、庫容曲線及調(diào)洪起調(diào)水位等也存在一定的不確定性。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)率及動(dòng)態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

2.4.2 基于Monte-Carlo方法的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型。由水文及水力隨機(jī)參數(shù)分別模擬洪水過程及導(dǎo)流建筑物的泄流能力，經(jīng)過計(jì)算，得到圍堰的上游水位。根據(jù)上游水位的計(jì)算結(jié)果，可統(tǒng)計(jì)得出導(dǎo)流系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)率。

3 初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策

3.1 決策目標(biāo)及其計(jì)算方法 在水電工程建設(shè)中，初期施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇，除技術(shù)上可行外，還需考慮導(dǎo)流工程的投資、工期及導(dǎo)流工程承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)率。處理投資、工期與風(fēng)險(xiǎn)三者之間的關(guān)系，取決于兩個(gè)方面的約束，一個(gè)是最大容許的施工進(jìn)度要求，一個(gè)是最大容許投資費(fèi)用的限制。對于這兩個(gè)要求的理解就是當(dāng)導(dǎo)流發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，有沒有容許的時(shí)間和費(fèi)用恢復(fù)導(dǎo)流建筑物。因此導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選擇的決策指標(biāo)主要有導(dǎo)流建筑物的投資規(guī)模（確定型費(fèi)用）、圍堰施工的最大平均強(qiáng)度（確定型施工進(jìn)度）及超載洪水導(dǎo)致潰堰時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)損失（不確定型費(fèi)用）。

3.1.1 導(dǎo)流工程投資。在導(dǎo)流建筑物規(guī)模確定的情況下，投資規(guī)?？梢园词剑?）進(jìn)行估算。

3.1.2 圍堰施工的最大平均強(qiáng)度。圍堰施工最大平均強(qiáng)度D表示在考慮泄水建筑物的施工進(jìn)度、截流歷時(shí)、基坑排水時(shí)間條件下，圍堰的最大平均填筑強(qiáng)度。

3.1.3 超載洪水導(dǎo)致潰堰時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)損失。土石圍堰發(fā)生超載洪水后，假定河道具有一定的防洪能力和預(yù)防潰堰措施。在確定導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)分析不考慮潰堰對下游的淹沒損失，只計(jì)算圍堰基坑內(nèi)損失，某次超載洪水導(dǎo)致潰堰的風(fēng)險(xiǎn)損失可按式（6）進(jìn)行估算。

式中： k為圍堰運(yùn)行使用年限； i為風(fēng)險(xiǎn)損失折算成工程投資概算基準(zhǔn)年的折現(xiàn)率。

3.2 初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策模型

3.2.1 TOPSIS方法簡介。逼近于理想解的排序方法（Technique for Order by Similarity to Ideal Solution）[4]（簡稱TOPSIS方法）是一種借助于一多目標(biāo)決策問題的“理想解”和“負(fù)理想解”去排序的方法。所謂理想解就是一設(shè)想好的最好的解（方案），它的各個(gè)屬性值都達(dá)到各候選方案中的最好的值；而一負(fù)理想解是另一設(shè)想的最壞的解，它的各屬性的值都達(dá)到各候選方案中的最壞的值。

上式中的J是效益型目標(biāo)的集，J′是成本型目標(biāo)集。

然后根據(jù)公式（8）～（10）計(jì)算距離S*、S-和相對接近度C*，對所有方案（初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行排序。

4 工程實(shí)例分析

4.1 工程概況 某水電站裝機(jī)容量2100MW，正常蓄水位高程2895m，死水位2825m，水庫總庫容39.6億m3，心墻堆石壩最大壩高315.0m，工程規(guī)模為一等大（1）型。根據(jù)《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范（DL/T5397-2007）》，選定的導(dǎo)流建筑物為Ⅲ級(jí)。對于Ⅲ級(jí)導(dǎo)流建筑物，土石類圍堰相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期20～50年。

由水文洪水資料成果可知，20～50年一遇的洪峰流量分別為QP=5%=5300m3/s、QP=3.33%=5900m3/s、QP=2%=6360m3/s。各方案上游土石圍堰高度一致，最大高度均為56.0m，均布置兩條城門洞型導(dǎo)流洞。不同標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的兩條導(dǎo)流洞的尺寸為13.5m×16.0m、14.0m×17.0m及15.0m×17.0m。

4.2 施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算 根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)資料，按照公式1～4應(yīng)用導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析方法和計(jì)算機(jī)仿真，20年、30年及50年一遇洪水時(shí)圍堰的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)如表1所示。

4.3 決策指標(biāo)計(jì)算 根據(jù)施工總進(jìn)度及概算資料，按照公式5～7進(jìn)行計(jì)算，不同導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的決策指標(biāo)如表2所示。

4.4 各方案排序 各方案導(dǎo)流圍堰的施工強(qiáng)度一致，因此可針對不同的投資和風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重進(jìn)行方案排序的敏感性分析，應(yīng)用多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策模型（TOPSIS排序方法），按照公式8～19對各方案排序值進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行敏感性分析，然后進(jìn)行方案排序，排序值最大者最優(yōu)。不同權(quán)重時(shí)各導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的排序見表3。

4.5 計(jì)算結(jié)果分析 由計(jì)算結(jié)果可見，當(dāng)投資權(quán)重大于0.8時(shí)，采用20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)于其它兩個(gè)方案；當(dāng)投資權(quán)重小于0.8時(shí)，采用50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)均優(yōu)于其它兩個(gè)方案。因此，推薦初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為采用50年一遇洪水重現(xiàn)期。

5 結(jié)語

文章在分析導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)與導(dǎo)流建筑物的投資、工期及風(fēng)險(xiǎn)度基礎(chǔ)上，根據(jù)決策目標(biāo)的定量計(jì)算方法，利用TOPSIS方法建立了多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策模型。通過工程實(shí)例驗(yàn)證分析，表明多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策模型是可行的、有效的。同時(shí)，還對不同的目標(biāo)權(quán)重進(jìn)行敏感性分析，可為不同的決策者提供更多的選擇依據(jù)。

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作者簡介：劉國清（1982-），男，湖北咸寧人，工學(xué)碩士，工程師。