基于層次分析法的土石壩風(fēng)險(xiǎn)因子識別體系的構(gòu)建

夏美龍 沈均榕

摘 要：以磨盤山水庫為例，構(gòu)建土石壩風(fēng)險(xiǎn)因子識別系統(tǒng)，研究層次分析法在土石壩風(fēng)險(xiǎn)因子識別中的運(yùn)用并計(jì)算得到相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重。研究結(jié)果表明：磨盤山大壩的失效模式有漫壩破壞、滲透破壞和邊坡失穩(wěn)三種，而滲透坡降、抗剪斷摩擦系數(shù)f、洪水、泄洪、抗剪斷凝聚力c和臨界坡降等是風(fēng)險(xiǎn)因子識別的重要指標(biāo)。土石壩風(fēng)險(xiǎn)因子識別體系的構(gòu)建為土石壩風(fēng)險(xiǎn)分析奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：土石壩 風(fēng)險(xiǎn)因子識別 層次分析法 失效模式

我國病險(xiǎn)水庫大壩量大面廣，且逐年增多。在我國已建成各類水庫98002座中，土石壩在已潰壩中所占比例超過90%。因此，加強(qiáng)土石壩風(fēng)險(xiǎn)分析，正確地識別土石壩風(fēng)險(xiǎn)因子，對土石壩長效安全運(yùn)行很有理論和工程意義。風(fēng)險(xiǎn)識別方法主要采用層次分析法。目前，層次分析法廣泛應(yīng)用于政治、經(jīng)濟(jì)、教育、環(huán)境等各個(gè)方面，并主要應(yīng)用于安全科學(xué)和環(huán)境科學(xué)。在水利工程方面，文獻(xiàn)應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評價(jià)，但對于土石壩整體風(fēng)險(xiǎn)因子識別體系的構(gòu)建，尚未有完整的描述。本文結(jié)合土石壩的自身特點(diǎn)，研究工作采用層次分析法進(jìn)行土石壩風(fēng)險(xiǎn)因子識別。

1.層次分析法

Saaty于1977年提出了層次分析法。用層次分析法對土石壩進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，就是根據(jù)分析對象的性質(zhì)和所要達(dá)到的目的，將分析對象分解成各個(gè)因素，將這些因素按照其間的隸屬關(guān)系分層分類自上而下分為目標(biāo)層（土石壩風(fēng)險(xiǎn)）、準(zhǔn)則層（失效模式）和指標(biāo)層（風(fēng)險(xiǎn)因子），如圖 1所示。每一層的因素根據(jù)它們之間對于上一層因素的相對重要性，由專家對土石壩工程的實(shí)際運(yùn)行狀況的判斷給出失效模式和風(fēng)險(xiǎn)因子的定量分析，再根據(jù)矩陣運(yùn)算確定出每一因素相對于上一層相應(yīng)的因素所占的權(quán)重。計(jì)算得出指標(biāo)層所有風(fēng)險(xiǎn)因子所占權(quán)重，由大到小進(jìn)行排序最終識別出主要風(fēng)險(xiǎn)因子以及相應(yīng)的失效模式。

CI為一致性指標(biāo)。CI值越接近 0，判斷矩陣的一致性越好。隨機(jī)一致性指標(biāo)值如表 2所示。

CR為隨機(jī)一致性比例。當(dāng)CR≤0.1時(shí)，判斷矩陣的的一致性可以接受。

2.磨盤山大壩風(fēng)險(xiǎn)因子識別

磨盤山水庫位于黑龍江省哈爾濱市，大壩為粘土心墻土石壩。2013年9月發(fā)生了心墻滲透破壞，大壩滲透變形仍在發(fā)展，影響大壩安全。因此正確識別大壩風(fēng)險(xiǎn)因子為土石壩工程的除險(xiǎn)加固奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)是一項(xiàng)非常重要和迫切的工作。將土石壩風(fēng)險(xiǎn)設(shè)為目標(biāo)層，磨盤山大壩可能的失效模式列出為準(zhǔn)則層，每一個(gè)失效模式可能的風(fēng)險(xiǎn)因子列出為指標(biāo)層，磨盤山土石壩層次分析結(jié)構(gòu)模型如圖 2所示。

采用專家小組商議結(jié)果，對同層元素兩兩比較進(jìn)行量化得到各個(gè)判斷矩陣。運(yùn)用層次分析法，通過MATLAB算出每一層元素相對上一層相應(yīng)的元素所占的權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)和隨機(jī)一致性檢驗(yàn)。

由表3可知，漫壩破壞、滲透破壞和邊坡失穩(wěn)這三種失效模式所占權(quán)重較大，而剩下四種失效模式所占權(quán)重比較小。可以初步識別得出，磨盤山大壩主要的失效模式為漫壩破壞、滲透破壞和邊坡失穩(wěn)。將這三種失效模式的風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重計(jì)算列于表4—表6。

由表4可知，洪水、泄洪、庫容和風(fēng)浪這四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子所占權(quán)重較大，而剩下兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子所占權(quán)重比較小?？梢猿醪阶R別得出，漫壩破壞主要的風(fēng)險(xiǎn)因子為洪水、泄洪、庫容和風(fēng)浪。

由表5可知，滲透坡降和臨界坡降這兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子所占權(quán)重都比較大?？梢猿醪阶R別得出，滲透破壞主要的風(fēng)險(xiǎn)因子為滲透坡降和臨界坡降。

由表 6可知，抗剪斷摩擦系數(shù)f和抗剪斷凝聚力c這兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子所占權(quán)重較大，而剩下一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子所占權(quán)重比較小?？梢猿醪阶R別得出，邊坡失穩(wěn)主要的風(fēng)險(xiǎn)因子為抗剪斷摩擦系數(shù)f和抗剪斷凝聚力c。

識別出來的這些風(fēng)險(xiǎn)因子在分析中不可能都考慮到，如果考慮全部風(fēng)險(xiǎn)因子的影響，則會不利于簡化計(jì)算，使問題變得復(fù)雜。因此，識別出主要的風(fēng)險(xiǎn)因子，很有工程實(shí)際意義。計(jì)算漫壩破壞、滲透破壞和邊坡失穩(wěn)失效模式下的風(fēng)險(xiǎn)因子相對于目標(biāo)層土石壩風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重并由大到小排序，計(jì)算結(jié)果列于表 7。選擇權(quán)重較大的風(fēng)險(xiǎn)因子為主要風(fēng)險(xiǎn)因子，所以最終得到磨盤山土石壩主要風(fēng)險(xiǎn)因子是滲透坡降、抗剪斷摩擦系數(shù)f、洪水、泄洪、抗剪斷凝聚力c、臨界坡降、風(fēng)浪和庫容。

3.結(jié)論

以磨盤山大壩為例，運(yùn)用層次分析法識別土石壩風(fēng)險(xiǎn)因子并構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)因子識別體系完整全面、可操作性強(qiáng)，研究結(jié)果表明影響磨盤山土石壩正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)因子分為外部荷載和壩體物理力學(xué)性質(zhì)兩部分，包括滲透坡降、抗剪斷摩擦系數(shù)f、洪水、泄洪、抗剪斷凝聚力c、臨界坡降、風(fēng)浪和庫容等。其相應(yīng)的失效模式為漫壩破壞、滲透破壞和邊坡失穩(wěn)，這與磨盤山大壩發(fā)生滲透破壞的實(shí)際工程情況相符。該風(fēng)險(xiǎn)因子識別體系還可以推廣應(yīng)用到其他水工結(jié)構(gòu)如溢洪道、導(dǎo)流洞等的風(fēng)險(xiǎn)因子識別工作中。

【基金項(xiàng)目：土石壩長效安全運(yùn)行重大關(guān)鍵技術(shù)研究（201501033）】

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