基于改進層次分析法的遼寧某水閘安全性評價研究

王 震

(大石橋市財政事務(wù)中心，遼寧 大石橋 115100)

1 概述

水閘是水利工程中常見的建筑物，主要用來調(diào)控水位，實現(xiàn)防洪排澇、灌溉農(nóng)田等功能，當前我國水閘分布較廣，為我國的農(nóng)業(yè)水利經(jīng)濟、電力發(fā)展提供了重要的保障[1]。但不可忽視的是，部分水閘建設(shè)運營周期較長，已出現(xiàn)水位調(diào)控不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)滑移等問題，因而及時排查病患水閘，對其作出修繕、拆除重建的舉措，是當前水利工程領(lǐng)域中一個較為突出的課題。針對水閘安全性評估排查，國內(nèi)外已有諸多學(xué)者進行過相關(guān)研究[2-5]，極大豐富了水閘安全性評估研究領(lǐng)域。層次分析法作為一種定量評估方法，亦在眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，例如地質(zhì)普查、能源行業(yè)、土木工程等行業(yè)[6-8]。同樣，水利工程領(lǐng)域中，引入層次分析法理論，定量描述工程性質(zhì)，準確評估項目性能，可為經(jīng)濟社會的發(fā)展提供重要保障。本文基于改進層次分析法理論，對某水閘工程開展安全性評估研究。

2 改進層次分析法的水閘安全評價理論

2.1 改進層次分析法理論

傳統(tǒng)層次分析法主要聚焦于不同矩陣系列下的差異化判別，采用1～9為權(quán)重比例，常常會出現(xiàn)較為難以掌控的差異性結(jié)果，操作及比較分析存在一定的困難。筆者將針對傳統(tǒng)層次分析法進行改進，利用簡化后的0.1～0.9為權(quán)重分配標準[4-5]，標準矩陣采用模糊歸一化矩陣作為評判計算式，獲得各個指標最優(yōu)化后的權(quán)重解。

2.1.1權(quán)重分配

0.1～0.9的權(quán)重分配區(qū)間可以避免在矩陣解無法找到的情形下，更好進行歸一化，獲得各指標之間的對比方案。筆者認為針對不同指標數(shù)量，進行0.1～0.9權(quán)重區(qū)間劃分是很有必要的，依據(jù)工程實際，考慮采用0.1、0.5、0.9的單行值進行指標權(quán)重分配，0.5作為中間值，表征了兩個指標處于同等重要位置，0.1與0.9分別指代了其中一個指標更重要的狀態(tài)。

2.1.2模糊歸一化矩陣

模糊矩陣作為指標權(quán)重進行計算的重要工具，首先需要構(gòu)建起適用于各指標下的評判矩陣，依據(jù)改進層次分析法的權(quán)重比例[9-10]，獲得評判矩陣W：

W=(wij)m×m

(1)

(i，j=1，2，…，m)

式中wij為權(quán)重比值。

再對評判矩陣W求解平均值，得到第m行代表的指標參數(shù)的平均解，如下式：

(2)

式中Wi為矩陣W的第i行元素平均值，wij為矩陣W的第i行元素，i，j=1，2，…，m。

模糊歸一化是為了將各指標參數(shù)從定性角度轉(zhuǎn)變成定量評價，且各指標參數(shù)基于同一評價基準線對比，模糊化處理各指標參數(shù)的平均值，得矩陣G：

(3)

G=(gij)m×m

(4)

式中g(shù)ij為矩陣G的元素，i，j=1，2，…，m。

列向量的歸一化處理，得到:

(5)

矩陣的歸一化需要一個和向量，根據(jù)各指標參數(shù)的分布，采用模糊矩陣的行向量為求和體，得到下式：

(6)

(7)

進而，獲得各權(quán)重向量的歸一化矩陣:

r=(r1，r2，…，rm)T

(8)

(9)

式中r為權(quán)重向量矩陣，ri為權(quán)重向量矩陣中的元素。

2.1.3確定指標參數(shù)權(quán)重值

由于進行某項工程項目的的安全性評價時，會包括各個專業(yè)方向的專家進行獨立評估，因而，需要將各專家權(quán)重向量進行求和加權(quán)，最終獲得指標參數(shù)的權(quán)重值。

r′=λr

(10)

(11)

式中λ為權(quán)重比例系數(shù)，r′為綜合權(quán)重矩陣，t為評估專家人數(shù)。

2.2 水閘安全指標

水閘安全指標主要可以分為三個大類：表征水閘設(shè)計參數(shù)的穩(wěn)定性指標N、表征水閘功能正常使用的適用性指標、表征水閘結(jié)構(gòu)材料使用壽命的耐久性指標。

水閘穩(wěn)定性指標N涉及到抗洪性能N1、抗?jié)B性能N2、抗滑性能N3、抗傾覆性能N4、承載力性能N5、結(jié)構(gòu)完整性能N6、閘頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能N7、消能防沖性能N8。根據(jù)不同性能參數(shù)分別劃分出所占大類指標的權(quán)重區(qū)間。以抗洪性能N1為例：

(12)

式中Mr為實際洪潮最大疊加期；Md為設(shè)計洪潮最大疊加期。

另一方面，依據(jù)抗洪性能參數(shù)N1劃分出水閘抗洪性能等級，并獲得針對抗洪性能參數(shù)的權(quán)重比(見表1所示)。

表1 抗洪性能參數(shù)的權(quán)重比

依據(jù)二次函數(shù)插值法L=x2獲得各個性能等級下的評分值，如正常性能與病變性能下評分值分別可用下式計算：

(13)

式中 3、0.16、2.65、0.35為二次插值計算系數(shù)，0.95、0.9為表1中抗洪性能參數(shù)權(quán)重邊界值。

因而可獲得三大安全指標中各個子指標的具體評分值，這些子指標評分值分別是三大安全指標在各自控制范圍內(nèi)的權(quán)重體現(xiàn)。

2.3 水閘安全評價

三大安全指標分別聯(lián)系各自控制的子指標評分值與子指標所占權(quán)重，即可獲得三大安全指標的評分值，聯(lián)系三大安全指標自身占水閘安全評價的權(quán)重比，即可獲得水閘安全評分值，采用函數(shù)形式表達如下：

(14)

表2 安全評價等級

依據(jù)所得的安全評分值結(jié)果，結(jié)合表2中安全等級劃分，即可獲得水閘的安全性評價結(jié)果。

3 工程概況

某水閘工程位于遼寧省某濱海城市的擋潮海堤，閘頂設(shè)計高程為4.85 m，寬為3.75 m，涵閘材料采用的是C30混凝土，與海堤連接構(gòu)成穩(wěn)固的水閘上下游護閘墻，閘墩墻厚達0.55 m，設(shè)置水閘孔尺寸為1.8 m×2.1 m矩形。在水閘底板處設(shè)置有擋潮的可旋轉(zhuǎn)式門板，尺寸為1.5 m×1.8 m，根據(jù)水閘頂長度共均勻劃分24個擋潮門板。水閘兩側(cè)臨海與臨江，坡度均為1:1.1，坡面采用綠色護坡，植被網(wǎng)交錯在鋼筋網(wǎng)格中，設(shè)計進水流量為267 m3/s，以10年一遇水位標準設(shè)防，最高潮水位為1996年的3.7 m，屬中型水閘Ⅲ等工程施工設(shè)計。該水閘作為濱海區(qū)域的擋潮閘，保護附近農(nóng)田面積為280.66 km2，控制河流水位長為10.2 km，閘頂整平填土夯實后，作為鄉(xiāng)村公路，聯(lián)通著河流兩岸村民之間的往來，是一座名副其實的功勛水閘。

但近幾年，濱海線往內(nèi)陸慢移，水閘受海水沖刷侵蝕，涵閘混凝土材料受損嚴重，水閘防洪能力大大減弱，在日積月累的海潮沖刷下，涵閘穩(wěn)定性能及正常功能大打折扣；另一方面，水閘安全穩(wěn)定性對閘頂?shù)泥l(xiāng)村公路安全行駛也是巨大的威脅。根據(jù)本項目實地勘察發(fā)現(xiàn)，該水閘抗?jié)B性能、涵閘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、兩翼護坡墻、擋潮門板性能等部分均出現(xiàn)問題，為了更好了解水閘具體的修繕方向，首先需要對該水閘安全性開展評估。

4 改進層次分析法在某水閘安全評價中的應(yīng)用

4.1 構(gòu)建評價指標

根據(jù)改進層次分析法理論，筆者將水閘安全性定為第一層面指標，用Q指代；將水閘安全性指標涵蓋的穩(wěn)定性指標、適用性指標及耐久性指標視為第二層面指標，分別用N、S、F指代；將第二層面的三大類指標各自所涉及的基礎(chǔ)指標視為第三層面指標，其中穩(wěn)定性指標包括的基礎(chǔ)指標已在前文指出，適用性指標包括水閘相對過水能力S1、相對漏水情況S2、系統(tǒng)控制能力S3，耐久性指標包括水閘材料砂漿強度F1、平均碳化深度F2、材料損失率F3、水閘管理維護能力F4，這些均視為第三層面指標?；谒季S導(dǎo)圖模型，獲得評價指標的組織示意(如圖1所示)。

圖1 安全性指標組織示意

4.2 指標評分計算

確定水閘安全性評價各個指標后，項目組引進7個行業(yè)專家進行基礎(chǔ)指標打分，參照改進層次分析法的簡化“0.1～0.9”配比法，對每一個矩陣中的指標元素進行配比，獲得第二層面的3個指標判斷矩陣N、S、F及第一層面指標判斷矩陣Q，如下：

(15)

(16)

(17)

(18)

基于式(2)～(5)，將上述判斷矩陣進行模糊歸一化處理，先后獲得第一層、第二層指標的模糊矩陣，如下為第一層安全性指標與第二層指標模糊歸一化后矩陣：

(19)

(20)

(21)

(22)

在獲得歸一化矩陣后，進行矩陣元素求和，得第一層、第二層指標的行元素和，如下：

IN=(1.21，0.74，1.00，0.95，1.15，1.10，1.10，0.74)T;

Is=(0.86，0.86，1.28)T;

IF=(0.79，0.79，1.11，1.32)T;

IQ=(1.28，1.00，0.72)T。

根據(jù)改進層次分析法指標權(quán)重配比理論，分別計算7位專家各自評判指標的權(quán)重解，并綜合各專家的評判結(jié)果，計算綜合權(quán)重結(jié)果：

IN′=(0.13，0.11，0.12，0.12，0.14，0.14，0.14，0.10)；

Is′=(0.29，0.31，0.40)；

IF′=(0.21，0.21，0.25，0.33)；

IQ′=(0.42，0.33，0.25)。

根據(jù)水閘安全性指標權(quán)重結(jié)果W可看出，適用性指標權(quán)重值在三者二層指標中最大，達0.42，即水閘安全性評判很大程度取決于水閘適用性指標；耐久性指標最低，即影響水閘安全性指標權(quán)重最小值。而在水閘適用性指標中，以承載力性能、結(jié)構(gòu)完整性能、消能防沖性能三者為最重要指標。

4.3 水閘綜合評價

根據(jù)水閘基礎(chǔ)指標的評判標準，7位專家對3個二層指標包含的基礎(chǔ)指標進行量化評分，計算出各個基礎(chǔ)指標的評分值，以抗滑穩(wěn)定性、體積損失率基礎(chǔ)指標為例：

(23)

(24)

式中Kc為工程計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；[Kc]為規(guī)范要求安全系數(shù)值。

0.01

(25)

式中P1為損失體積；P0為原體積。

表3為三個第二層指標分別包括的基礎(chǔ)指標評分值計算結(jié)果。

表3 水閘各基礎(chǔ)指標評分值結(jié)果

綜合表3中結(jié)果，并根據(jù)式(14)計算該水閘安全性評價綜合評估分：

(26)

根據(jù)表2中安全等級劃分可知，該水閘安全類別屬于失效水閘，需要拆除進行重新修建，此為根據(jù)改進層次分析法綜合獲得的水閘安全性評判結(jié)論。

5 結(jié)語

基于改進層次分析法理論，對遼寧某地區(qū)水閘安全性評價開展研究，主要獲得以下幾點認識與結(jié)論：

1) 改進層次分析法以0.1～0.9為權(quán)重分配比，簡化計算，權(quán)重值分配更具有實際工程意義，定量表征水閘安全性指標更為恰當。

2) 從三個層面劃分水閘安全性指標，以水閘安全性為第一層面，穩(wěn)定性指標、適用性指標及耐久性指標視為第二層面指標，以第二層面指標包括的基礎(chǔ)指標為第三層面。

3) 獲得水閘安全性指標中，適用性指標權(quán)重值在第二層面指標中最大，達0.42，而適用性指標包括的基礎(chǔ)指標中，以承載力性能、結(jié)構(gòu)完整性能、消能防沖性能三者為最重要指標參數(shù)?；诰C合評估指標分值，該水閘安全性綜合分為3.301，安全類別屬于失效水閘。