基于模糊層次分析法的鬧德海水庫大壩安全評價

馮秀紅

（遼寧省鬧德海水庫管理局，遼寧阜新 123000）

基于模糊層次分析法的鬧德海水庫大壩安全評價

馮秀紅

（遼寧省鬧德海水庫管理局，遼寧阜新 123000）

本文基于鬧德海水庫大壩監(jiān)測資料和《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL 258—2000），運用模糊層次分析法建立了鬧德海水庫大壩安全評價模型，該模型同時考慮影響水庫大壩安全的定量因子和定性因子，運用模糊層次分析法確立了各影響因子的權(quán)重，定量地實現(xiàn)了水庫大壩安全評價。通過實際工程應(yīng)用，驗證了此方法的有效性，為大壩安全風(fēng)險的控制及評價提供了科學(xué)依據(jù)。

鬧德海水庫；模糊層次分析法；大壩安全評價

我國水庫大壩數(shù)量在世界上首屈一指。為維護(hù)水庫大壩的安全性和經(jīng)濟(jì)效益，保障水庫周圍人民群眾的切身利益和人身安全，維護(hù)當(dāng)?shù)厣鐣姆€(wěn)定，促進(jìn)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對水庫大壩的安全性作出合理評價顯得尤為重要［1］。

目前，我國實施的《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL 258—2000）中，對水庫大壩的安全評價作出了明確的規(guī)范，主要從防洪安全性、結(jié)構(gòu)安全性和抗震安全性三個方面，對水庫大壩的安全性進(jìn)行綜合分析研究［2］。但導(dǎo)則中影響大壩安全的因子多為定性因子，無法對水庫大壩安全作出定量評價。本文以鬧德海水庫為工程背景，基于模糊層次分析法，提出相對較好的解決辦法，實現(xiàn)水庫大壩安全穩(wěn)定性的定量化評價。

1 模糊層次分析法簡介

模糊層次綜合評價法（FAHP）是20世紀(jì)70年代美國運籌學(xué)T.L.Saaty教授提出的一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。它以模糊數(shù)學(xué)理論和層次分析法為基礎(chǔ)，引入模糊數(shù)學(xué)中的“隸屬度”，用隸屬函數(shù)對具有模糊性的指標(biāo)進(jìn)行處理。模糊數(shù)學(xué)評價用隸屬函數(shù)描述方案的得分來量化指標(biāo)實測值，可以較好地解決綜合評價中的模糊性（如因素類屬之間的不清晰性、專家認(rèn)識評價上的模糊性等），可最大限度地減少人為因素。另外，與最初的層次分析法相比，模糊層次分析法可以為我們提供更加方便合適的選擇，在水庫大壩安全性評價方面也比較新穎，能夠從另一種角度完成定量化評價。

1.1 主要評價思路

主要評價思路是：首先對影響水庫大壩安全的因素進(jìn)行歸納和總結(jié)，確定最核心的方面，然后利用層次分析法建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型；再在已經(jīng)確定的評價因素、因子的評價等級標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)值的基礎(chǔ)上，運用模糊數(shù)學(xué)知識原理，構(gòu)造模糊評價矩陣，對該矩陣進(jìn)行多層的復(fù)合運算，最終確定評價目標(biāo)的等級。

由于影響水庫大壩安全性的因素很多，而且各種影響因素隨機組合，并且沒有明確的影響程度大小，另外，每個因素之間又存在相互隸屬關(guān)系或者并列關(guān)系，層次繁多，進(jìn)行安全性評價時，比較難于得到準(zhǔn)確唯一的結(jié)論。因此針對大壩的這些特點，本文采用模糊層次評價方法，得到模糊集，進(jìn)而完成最終的綜合評價。

1.2 主要步驟

1.2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

按照前文提到的導(dǎo)則為主要依據(jù)確定層次結(jié)構(gòu)模型［3］，該模型主要可以將水庫大壩安全評價體系分為三個層次：第一層為目標(biāo)層，主要針對為水庫大壩安全評價；第二層為準(zhǔn)則層，包含導(dǎo)則中明確規(guī)定的七個方面，例如工程質(zhì)量評價、大壩運行管理評價、防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、結(jié)構(gòu)安全評價、滲流安全評價、金屬結(jié)構(gòu)和抗震性能復(fù)核；最后一層為因素層，包含各種影響大壩安全的因素［4］。因此可以得到如圖1所示的結(jié)構(gòu)層次圖。

圖1 大壩安全評價結(jié)構(gòu)層次模型

1.2.2 確定權(quán)重集

前文提到，因大壩的安全評價十分復(fù)雜，涉及到的因素又很繁雜，其對大壩的安全性影響程度也不同，因此必須確定這些影響因素的相應(yīng)權(quán)重。在上述的層次分析法中，我們將影響因素兩兩比較，得到相應(yīng)的權(quán)值，最后得到最終的安全評價權(quán)重集W。

1.2.3 確定評價集

評價集指的是評價者對相應(yīng)評價對象作出的各種評價結(jié)果所組成的集合，用V來表示［5］。它一般是由評價人根據(jù)現(xiàn)實情況確定，劃分的等級一般在3～9級之間，即評價集V=｛V1，V2，Vm｝（3≤m≤9）。在大壩安全評價中，可以令V=｛V1，V2，V3｝，各評語分別代表｛安全，安全性一般，不安全｝，由高到低表示安全程度。

1.2.4 建立判斷矩陣

模糊層次分析法最主要的內(nèi)容是評價人按照前面建立的層次模型中的每個因素的相對重要性作出具體的判斷，這些判斷的結(jié)果利用相應(yīng)的標(biāo)度進(jìn)行表示，主要是用數(shù)值1～9，最后寫成判斷矩陣R（單項指標(biāo)），1～9標(biāo)度的具體含義見表1。

表1 1～9標(biāo)度的含義

其中

1.2.5 綜合評價

模糊層次綜合評價的主要原則是：先從最低層開始進(jìn)行評價，并將每層的評價結(jié)果看作是上一層因素的評價集，再組成更高一層的因素評價矩陣，再對高一層進(jìn)行綜合評價，直到完成所有的評價［6］。這就要求我們在建立相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)模型時，必須考慮每一層因素中的相互獨立性，不能存在依賴關(guān)系。所以各層應(yīng)該保持一致的綜合評價算法，模型如下：

在式（2）中，“°”表示模糊綜合運算符，稱為模糊算子。它有許多形式，其中最常用的是“取大取小算子”和“乘與和算子”。按照上述的方法，從最低一層開始不斷進(jìn)行模糊運算，最終得到總體模糊評價集E=（e1，e2，…，en），歸一化后得E′=（e′1，e′2，…，e′n），其中

1.2.6 得到最終評價結(jié)論

在完成以上的計算后，可以得到具體的計算結(jié)果，最后通過總體評判集E′，根據(jù)最大隸屬度原則對大壩安全性作出評估，給出合理的評價結(jié)論。

2 實例分析

2.1 工程概況

鬧德海水庫位于遼寧省阜新市彰武縣西北部柳河中游，是一座防洪滯沙、農(nóng)田灌溉、工業(yè)供水等綜合利用的大（2）型水庫，是柳河上唯一已建大型控制性工程。水庫建設(shè)于偽滿年代，于1942年10月竣工，歷經(jīng)70余年，進(jìn)行了四次加固改造。

該工程為Ⅱ等工程，主要建筑物為2級。水庫樞紐工程由擋水壩段、溢流壩段、排沙中孔、底孔和輸水洞等建筑物組成。大壩為混凝土重力壩，壩頂高程194m，壩頂寬度5m，最大壩高44.5m，大壩總長167m，溢流壩段長75m，堰頂高程181.5m。溢流壩段設(shè)有五個排沙底孔，孔底高程151m，尺寸為1.7m×2.35m；溢流壩段左側(cè)設(shè)有兩個排沙中孔，孔底高程163m，尺寸為1.7m×1.85 m。輸水洞距離右壩頭50m，進(jìn)口高程164.8m，洞徑3m，向阜新提供工業(yè)和生活用水。

2.2 安全評價

2.2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

按照前文的步驟，對鬧德海水庫大壩進(jìn)行安全評價時，先建立相應(yīng)的模型，主要參考圖1。

2.2.2 確定權(quán)重集

根據(jù)層次分析法，在確定其各個影響因素的權(quán)重值時，首先從最低一層也就是因素層開始，根據(jù)各個因素對上一層的重要程度，相互比較確定孰輕孰重得到評判矩陣，利用數(shù)學(xué)方法求出各因素的權(quán)值并歸一，然后通過一致性檢驗后得到因素層對準(zhǔn)則層的權(quán)重集［7］。然后，采用相同的方法確定準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的權(quán)重集。為了接下來表述方便，權(quán)重集均用Wij來表示，下標(biāo)i=1為準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的權(quán)重集，i=2為因素層對準(zhǔn)則層的權(quán)重集；下標(biāo)j代表被評價指標(biāo)的編號，當(dāng)只有一個指標(biāo)時，可以省去j。權(quán)重集對各工程應(yīng)是通用的［8］。

根據(jù)各專項的安全性評價，按圖1的層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造判斷矩陣，并用方根法計算相應(yīng)的權(quán)重，得到如表2所列的結(jié)果。

表2 判斷矩陣A—B數(shù)值

根據(jù)上表可得WA=｛0.290，0.045，0.137，0.290，0.073，0.027，0.137｝，之后同理可依次得到每一層的權(quán)重，WB1=｛0.279，0.649，0.072｝，WB2=｛0.088，0.243，0.669｝，WB3=｛0.333，0.333，0.333｝，WB4=｛0.397，0.397，0.092，0.076，0.037｝，WB5=｛0.661，0.272，0.067｝，WB6=｛0.637，0.258，0.105｝，WB7=｛0.636，0.230，0.089，0.045｝，最后對上述結(jié)果進(jìn)行檢驗，確定各判斷矩陣滿足一致性，因此不需要再進(jìn)行調(diào)整。

2.2.3 確定評語集

在頒布的導(dǎo)則中，安全性的評價采用A、B、C三級，依次表示安全、基本安全、不安全［9］。為了和導(dǎo)則保持一致，方便模糊層次分析法的推廣和應(yīng)用，本文對評價對象的評語也采用3級，為｛安全，基本安全，不安全｝［10］。

2.2.4 建立評價矩陣

建立評價矩陣時，需要評價者進(jìn)行打分，打分的主要依據(jù)是鬧德海水庫近段時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。

2.2.4.1 巡視檢查情況

工程管理處按照右岸、左岸、壩頂、廊道的路線進(jìn)行現(xiàn)場檢查，每月2次，主要檢查壩體表面有無裂縫、脫落、滑動及異常變形。2016年一季度現(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn)異常情況。

a.水平位移監(jiān)測分析。壩頂水平位移監(jiān)測采用真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和倒垂線組合方式。激光準(zhǔn)直系統(tǒng)布置在壩頂上游側(cè)，共設(shè)11個測點。用于監(jiān)測各壩段的水平位移，測點編號為LA1～LA10。與此同時，在緊靠激光準(zhǔn)直監(jiān)測系統(tǒng)端點處布設(shè)2套倒垂線，作為激光準(zhǔn)直系統(tǒng)端點的工作基準(zhǔn)，將相對水平位移校正為絕對位移。水平位移向下游為正，向上游為負(fù)。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以得到：壩體最大水平位移為-7.95mm（向上游），對應(yīng)測點為LA2，發(fā)生在2016年1月27日；壩體最大水平位移變化量為2.62mm，對應(yīng)測點為LA4。

過程線見圖2～圖5，從圖中可知，2016年1—3月各測值正常，水平位移不大，變化較小，且與往年同期變化趨勢基本相同。

圖2 主壩水平位移過程線（一）

b.垂直位移監(jiān)測分析。壩頂垂直位移采用真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和雙金屬標(biāo)組合方式進(jìn)行監(jiān)測，真空激光準(zhǔn)直監(jiān)測系統(tǒng)布置在壩頂上游側(cè)，共11個測點，用于監(jiān)測各壩段的垂直位移，測點編號為LA1～LA10；2套雙金屬標(biāo)位于激光準(zhǔn)直系統(tǒng)兩端點附近，作為激光準(zhǔn)直系統(tǒng)端點的工作基準(zhǔn)，將相對垂直位移校正為絕對位移。垂直位移向下為正，向上為負(fù)。

圖3 主壩水平位移過程線（二）

圖4 主壩水平位移過程線（三）

圖5 主壩水平位移過程線（四）

根據(jù)監(jiān)測成果可以得到：壩體最大垂直位移為14.29mm，對應(yīng)測點為LA3，發(fā)生在2016年2月24日；壩體最大垂直位移變化量為13.68mm，對應(yīng)測點為LA5。

過程線見圖6～圖9，從圖中可知，該季度各測點測值均有一定的變化，其中LA2～LA8比其他測點變化大，最大變化量為13.68mm。各測點過程線的“毛刺”現(xiàn)象，可能與自動化采集誤差有關(guān)。

圖6 主壩垂直位移過程線（一）

圖7 主壩垂直位移過程線（二）

圖8 主壩垂直位移過程線（三）

圖9 主壩垂直位移過程線（四）

2.2.4.3 滲流監(jiān)測分析

a.壩基揚壓力監(jiān)測分析。橫向揚壓力監(jiān)測分析：

沿壩基布置2個橫向揚壓力監(jiān)測斷面，分別布設(shè)3個測點，共6個測點，用于監(jiān)測壩基橫向揚壓力。測點編號為UP2-1、UP2-2、UP2-3、UP9-1、UP9-2、UP9-3。

第二，不僅應(yīng)當(dāng)切實立足實際的教學(xué)活動，也應(yīng)超出各個具體內(nèi)容并從更一般的角度去思考相關(guān)研究的意義，即是真正做到“小中見大”，用具體的例子說出普遍性的道理，從而真正起到“以點帶面”的作用．

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以得到：壩基橫向揚壓力水位最大值為159.11m（水頭高10.11m），發(fā)生在2016年1月21日，對應(yīng)測點為UP2-3；壩基橫向揚壓力水位最大變化量為3.25m，對應(yīng)測點為UP9-2。

過程線見圖10～圖11，從圖中可知，各測點揚壓力水位總體正常，且明顯低于庫水位（如揚壓力水位最高為159.11m，對應(yīng)的庫水位為175.76m）。除測點UP9-2外，其余測值變化不大，最大變化量為1.61m，說明壩基橫向揚壓力較穩(wěn)定。

圖10 壩基橫向揚壓力過程線（一）

圖11 壩基橫向揚壓力過程線（二）

該季度測點UP9-2水位變化較大，最大變化量為3.25m，且有逐漸升高的趨勢（可能受庫水位升高的影響），但相比往年測值而言，水位不大，建議密切關(guān)注該測點測值變化。

縱向揚壓力監(jiān)測分析：

壩基揚壓力監(jiān)測沿縱向斷面布置8個測點。采用NVP型振弦式滲壓計，用于監(jiān)測壩基縱向揚壓力。測點編號為UP1、UP3、UP4、UP5、UP6、UP7、UP8、UP10。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以得出：壩基縱向揚壓力水位最大值為160.50m（水頭高13.5m），發(fā)生在2016年3月18日，對應(yīng)測點為UP10；壩基縱向揚壓力水位最大變化量為3.36m，對應(yīng)測點為UP8。

過程線見圖12～圖14，從圖中可知，該季度各測點揚壓力水位與往年水位持平或有所下降，且均明顯低于庫水位（如揚壓力水位最高為160.50m，對應(yīng)的庫水位為176.57m），各測點揚壓力水位變化較穩(wěn)定，說明壩基縱向揚壓力較穩(wěn)定。

圖12 壩基縱向揚壓力過程線（一）

圖13 壩基縱向揚壓力過程線（二）

圖14 壩基縱向揚壓力過程線（三）

b.廊道滲流量監(jiān)測分析。廊道滲流量監(jiān)測采用1套量水堰滲流量儀，測點編號為WE1。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以得出：廊道滲流量最大值為0.006L／s，發(fā)生在2016年2月1日。

過程線見圖15，從圖中可知，該季度滲流量測值較小，變化穩(wěn)定，無異?，F(xiàn)象。

圖15 壩體滲流量過程線

c.繞壩滲流監(jiān)測分析。在壩體左、右岸壩肩分別布置2個監(jiān)測斷面，共4個斷面；每個斷面布設(shè)3個測點，共12個繞壩滲流測點，用于監(jiān)測繞壩滲流。

根據(jù)監(jiān)測成果可以得出：繞壩滲流水位最大值為177.40m，發(fā)生在2016年3月24日，對應(yīng)測點為R2-4；繞壩滲流水位高程最大變化量為1.37m，對應(yīng)測點為R2-4。

過程線見圖16～圖19，從圖中可知，該季度各測點測值正常，水位變化趨勢與前兩年同期基本相同。左岸與庫水位相關(guān)性較為明顯，右岸繞滲測點水位較穩(wěn)定，變化較小。

圖16 繞壩滲流過程線（一）

圖17 繞壩滲流過程線（二）

2.2.4.4 環(huán)境量監(jiān)測分析

a.降雨量監(jiān)測分析。在庫區(qū)安裝1套翻斗式雨量計，用于監(jiān)測降雨量。

庫區(qū)雨量站于2015年11月中旬出現(xiàn)故障，至今無法采集到雨量的數(shù)據(jù)，暫不對降水量進(jìn)行分析。

圖18 繞壩滲流過程線（三）

圖19 繞壩滲流過程線（四）

b.庫水位監(jiān)測分析。在主壩安裝1套雷達(dá)式水位計，用于監(jiān)測庫水位。

庫水位過程線見圖20，從圖中可知，該季度庫水位最高為177.70m，發(fā)生在2016年3月29日。

圖20 庫水位過程線

c.氣溫監(jiān)測分析。在庫區(qū)安裝1套地表溫度計，用于監(jiān)測庫區(qū)氣溫變化，目前采用自動化監(jiān)測。氣溫過程線見圖21，從圖中可知，最高氣溫為8℃，發(fā)生在2016年3月30日。

圖21 氣溫過程線

根據(jù)鬧德海水庫的監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，確定隸屬函數(shù)的閾值為（3，6，8），評價者對鬧德海水庫的實際情況打分為U=｛7，4，3，5，5，3，5，3，2，5，6，4，4，3，6，3，4，3，3，4，6，5，6，4｝，由此得到的評價矩陣為

2.2.5 模糊綜合評價及安全性結(jié)果

根據(jù)式（2）計算得到各層評價為EB1=｛0.222，0.788，0｝，EB2=｛0.210，0.790，0｝，EB3=｛0.500，0.500，0｝，EB4=｛0.489，0.511，0｝，EB5=｛1，0，0｝，EB6=｛0.310，0.690，0｝，EB7=｛0.911，0.893，0｝，大壩的綜合評價為EA=｛0.490，0.510，0｝。

為對水庫大壩的安全性作出定量評價，把評語集V=｛安全，安全性一般，不安全｝定量化為V=（8，6，3），采用P=EVT來表示水庫大壩安全評價指標(biāo)，顯然指標(biāo)值越大安全性越好［11］。經(jīng)計算，鬧德海水庫大壩的安全評價指標(biāo)值為6.98，按照確定的閥值，屬于安全性一般。

3 結(jié) 語

a.本文將層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論整合在一起，建立了大壩安全的多層次模糊綜合評價模型，通過鬧德海水庫大壩的實例應(yīng)用，證實這種方法科學(xué)合理，適合水庫大壩的安全性評價。

b.本文提出的大壩安全多層次模糊綜合評價法，相比較以往的評價方法有了很大的進(jìn)步。建立的模糊模型不僅考慮了各專項指標(biāo)在工程總體上的影響程度，也量化了各種參數(shù)指標(biāo)，較客觀地反映了水庫大壩的實際情況，相比于現(xiàn)在的方法顯得更加合理。

［1］ 張小飛，蘇國韶，吳彰敦.基于層次模糊綜合評價的水庫大壩安全評價法［J］.廣西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009（3）：321-325.

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Evaluation of Naodehai Reservoir dam safety based on fuzzy analytic hierarchy process

FENG Xiuhong
（Liaoning Naodehai Reservoir Administration，F(xiàn)uxin 123000，China）

In the paper，fuzzy analytic hierarchy process（AHP）is utilized for establishing Naodehai Reservoir dam safety evaluation model on the basis of Naodehai Reservoir Dam monitoring data and‘Reservoir Dam Safety Evaluation Guidance’（SL 258-2000）.Qualitative factors and quantitative factors affecting the safety of reservoir dam are considered in the model at the same time.Fuzzy analytic hierarchy process（AHP）is applied for determining the weights of all influence factors. Reservoir dam safety evaluation is realized quantitatively.The effectiveness of the method is verified through practical project application，thereby providing scientific basis for controlling and evaluating dam safety risk.

Naodehai Reservoir；fuzzy analytic hierarchy process（AHP）；dam safety evaluation

TV697

A

1673-8241（2016）09-0035-08

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2016.09.009