改進(jìn)層次模糊分析法在水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

摘要：近年來(lái)，水庫(kù)大壩安全事故發(fā)生較頻繁，對(duì)大壩進(jìn)行安全評(píng)價(jià)顯得尤為重要。基于大壩安全運(yùn)行狀態(tài)的代表性指標(biāo)，建立了綜合評(píng)價(jià)體系。在確定各指標(biāo)權(quán)重時(shí)采用了改進(jìn)層次分析（AHP）法，可簡(jiǎn)化判斷矩陣一致性檢驗(yàn)過(guò)程。在確定各指標(biāo)因素的隸屬度時(shí)，使用修正的正態(tài)分布函數(shù)作為隸屬度函數(shù)，并采用專家評(píng)分法確定定性指標(biāo)量化值，確定了水庫(kù)大壩安全模糊綜合評(píng)價(jià)模型。以某水庫(kù)為例，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)，結(jié)果為“基本安全”，并分析了大壩存在的安全隱患，提出了改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià);AHP法;正態(tài)分布函數(shù);模糊綜合評(píng)價(jià)模型

中圖法分類號(hào)：TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2020.08.012

我國(guó)的水庫(kù)大壩在水力發(fā)電、防汛抗旱、農(nóng)業(yè)灌溉等方面發(fā)揮著重要作用。但是大多數(shù)水庫(kù)修建年代比較早，受到當(dāng)時(shí)工程技術(shù)水平的限制，加上后期監(jiān)測(cè)維修不及時(shí)等因素導(dǎo)致工程質(zhì)量存在缺陷，對(duì)周邊環(huán)境生態(tài)及居民生活造成安全隱患。因此，對(duì)水庫(kù)大壩的安全及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確、合理全面的評(píng)價(jià)，對(duì)于保障區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全、人民生命財(cái)產(chǎn)安全及社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展等具有重要意義[1]。

我國(guó)傳統(tǒng)的大壩安全評(píng)價(jià)主要依據(jù)SL258-2000《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[2]（以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》）。雖然依據(jù)《導(dǎo)則》可以規(guī)范、全面地對(duì)大壩安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是以定性為主的評(píng)價(jià)方法，難以產(chǎn)生準(zhǔn)確的決策結(jié)果，在應(yīng)用過(guò)程中存在較大局限性。目前，針對(duì)水庫(kù)大壩的安全評(píng)價(jià)方法，眾多學(xué)者已進(jìn)行了大量研究，實(shí)際工程中多使用模糊評(píng)價(jià)法、層次分析法等，應(yīng)用效果較好。模糊評(píng)價(jià)法考慮了評(píng)價(jià)中多因素的不確定性，并用模糊的方式表達(dá)輸入和輸出之間的關(guān)系[3]。層次分析法[4]在確定各指標(biāo)權(quán)重及排序方面，作為一種輔助手段來(lái)確定結(jié)果，其本質(zhì)是將定性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為定量問(wèn)題。目前，雖然這兩種方法在水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)中積累了大量經(jīng)驗(yàn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于研究程度不夠深入，仍然存在很多未解決的問(wèn)題。對(duì)于層次分析法，在確定多個(gè)因素的相對(duì)重要性時(shí)未考慮多種情況，將不確定性及模糊化進(jìn)行了絕對(duì)化，因此往往給出模糊量[5]。同時(shí)，該方法在比較判斷矩陣一致性時(shí)缺乏整體性。而對(duì)于模糊數(shù)學(xué)理論，在確定隸屬函數(shù)時(shí)的理論依據(jù)不足，使評(píng)價(jià)結(jié)果存在誤差。

本文在《導(dǎo)則》的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了應(yīng)用層次分析法，簡(jiǎn)化了判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)過(guò)程;在形成模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣時(shí)，采取專家打分法對(duì)各定性參數(shù)進(jìn)行定量化計(jì)算，有效避免了主觀判斷影響因素隸屬度的問(wèn)題;為了使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)各因素參數(shù)隸屬度定量計(jì)算的客觀合理，應(yīng)用服從正態(tài)分布的函數(shù)差值法，體現(xiàn)了大壩安全評(píng)價(jià)的模糊性特征。

1 水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)層次表構(gòu)建

多準(zhǔn)則、多因素會(huì)影響水庫(kù)大壩安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，因此必須綜合考慮安全評(píng)價(jià)中各因素的影響。本文構(gòu)建大壩多級(jí)模糊評(píng)價(jià)，選擇《導(dǎo)則》中規(guī)定的7項(xiàng)指標(biāo)為準(zhǔn)則層M進(jìn)行評(píng)判。由于該工程缺乏金屬結(jié)構(gòu)資料且不處于抗震設(shè)計(jì)區(qū)，無(wú)相關(guān)資料，故綜合評(píng)價(jià)時(shí)只考慮5個(gè)準(zhǔn)則及其下屬因素。通過(guò)3個(gè)層次對(duì)大壩安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)構(gòu)層次見(jiàn)表1。

1.2 影響大壩安全因素權(quán)重的確定

1.2.1 比較判斷矩陣的建立

在應(yīng)用層次分析法時(shí)，采用量化的數(shù)值來(lái)表示所有因素兩兩比較的相對(duì)重要性結(jié)果。采用1～9標(biāo)度法[6-7]，用判斷矩陣來(lái)表示下屬層次各因素之間的相對(duì)重要性。例如，針對(duì)水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)中“滲流安全評(píng)價(jià)M5”，將其下屬因素“防滲透設(shè)施現(xiàn)狀m51”“壩基及壩體滲流m52”“其他建筑物滲流m53”的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較，可得表2中的比較判斷矩陣（其中，δij>0，δij=1，δij=1/δji）。

1.2.2 計(jì)算權(quán)向量

目前，有很多方法計(jì)算權(quán)重向量W，本文采用較簡(jiǎn)單的“根法”[8]，具體過(guò)程如下。

計(jì)算判斷矩陣的每一行元素乘積：

2 綜合評(píng)價(jià)體系的建立

2.1 確定隸屬度

《導(dǎo)則》將水庫(kù)大壩安全情況分為4個(gè)等級(jí)，其評(píng)語(yǔ)等級(jí)集合為V={v1，V2，v3，v4}_{安全，基本安全，不安全，很不安全}。一般情況下，采用定性因素和定量因素描述準(zhǔn)則層各下屬因素。由數(shù)值結(jié)果體現(xiàn)定量因素，隸屬度可通過(guò)在隸屬函數(shù)中代人定量因素值確定。目前，在綜合評(píng)價(jià)大壩安全方面，計(jì)算隸屬度的方法比較少。因此，本文借用多專家的主觀經(jīng)驗(yàn)即專家打分的方式計(jì)算各指標(biāo)隸屬度[10]。

單因素影響因子在大壩安全評(píng)價(jià)體系中定性稱為離散型指標(biāo)，為便于構(gòu)建隸屬函數(shù)，應(yīng)量化處理定性因素和在區(qū)間內(nèi)進(jìn)行等級(jí)劃分。在對(duì)單因素進(jìn)行評(píng)價(jià)的過(guò)程中，相應(yīng)的隸屬函數(shù)應(yīng)通過(guò)劃定不同的評(píng)分區(qū)間來(lái)確定。由于主觀性特征的存在，不同專家意見(jiàn)也會(huì)存在差異性，因此，確定各參數(shù)評(píng)分時(shí)需要將多位專家的意見(jiàn)綜合考慮。結(jié)合《導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)，組成小組進(jìn)行可靠、科學(xué)的打分。根據(jù)相關(guān)要求，確定分?jǐn)?shù)依次為80～100分、60～ 80分、50～ 60分、30～ 50分的I～Ⅳ級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)量化值區(qū)間。大壩安全綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為確定隸屬函數(shù)，對(duì)于各區(qū)間內(nèi)因素評(píng)分值，體現(xiàn)靠近區(qū)間中點(diǎn)的幅度與評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度;反之，則該評(píng)價(jià)結(jié)果隸屬越模糊。大壩安全各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度采用服從正態(tài)分布的函數(shù)確定，即

3 應(yīng)用實(shí)例

某水庫(kù)總庫(kù)容9 740萬(wàn)m3，主要功能是城市生活及工業(yè)供水和水力發(fā)電。工程包括大壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞及壩后發(fā)電站。水庫(kù)大壩壩型為均質(zhì)土壩，最大壩高62.60 m，壩頂長(zhǎng)539.00 m，壩頂寬10.00 m。正常蓄水位1027 m。上游壩面設(shè)400.00 mm厚干砌石護(hù)坡，下游壩坡設(shè)混凝土塊護(hù)坡。大壩壩頭左端緊靠供水發(fā)電洞，由洞長(zhǎng)為72.91 m的有壓隧洞和洞長(zhǎng)為144.50 m的無(wú)壓隧洞組成，其中，引渠段長(zhǎng)17.00 m，進(jìn)口閘室段長(zhǎng)10.00 m。岸坡距離大壩左岸40.00 m處為導(dǎo)流泄洪洞，洞長(zhǎng)452.50 m，由洞徑5.50 m的圓形有壓隧洞段和底寬6.00 m、直墻高7.00 m的無(wú)壓隧洞段組成。溢洪道位于大壩左岸約186 m的山體內(nèi)，凈寬40.00 m，總長(zhǎng)152.50 m，堰頂高程為1 021.00 m，為平底寬頂堰。其中，引渠段長(zhǎng)12.0 m。引渠段后的控制段由寬頂堰及閘門進(jìn)行控制，以下為泄槽段，出口采用挑流消能。

水電站位于壩后左岸，通過(guò)直徑為2.60 m的供水發(fā)電洞引水發(fā)電，發(fā)電站設(shè)計(jì)流量為2.60 m3/S，發(fā)電站的尾水進(jìn)入供水管道前的集水池。

3.1 確定各因素權(quán)重

在采用層次分析法判斷一致性的檢驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)5個(gè)因素兩兩重要性比較，建立比較判斷矩陣，見(jiàn)表4。

顯然，得到B。B cB*，即式（6）成立，滿足一致性要求，不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。然后按照式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算可得準(zhǔn)則層權(quán)重向量：

W（2）= （2.1411 0.4066 1.0845 2.0913 0.5065）

對(duì)上述結(jié)果歸一化處理，得到權(quán)重向量：

W（2）=（ 0.344 0.065 0.174 0.336 0.081）

計(jì)算因素層權(quán)重方法同上，綜合計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

3.2 計(jì)算隸屬度

邀請(qǐng)專家對(duì)影響水庫(kù)大壩安全的各因素進(jìn)行打分，按照上述隸屬度計(jì)算方法對(duì)不同評(píng)價(jià)等級(jí)下各單因素的隸屬度進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)表6）。

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析

采用文中所述方法計(jì)算一級(jí)綜合模糊評(píng)價(jià)矩陣Rt：

用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)公式計(jì)算得到水庫(kù)大壩隸屬于不同評(píng)價(jià)等級(jí)的程度：A（2）=W（2）。 A（1）=[ 0.127 0.348 0.111 0.020]。根據(jù)最大隸屬度原則，該水庫(kù)大壩的模糊綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，即處于“基本安全”狀態(tài)，評(píng)價(jià)結(jié)果與水庫(kù)大壩安全鑒定報(bào)告基本一致，說(shuō)明本文構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)模型具有一定的合理性。

由一級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果可知：防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、滲流安全的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果處于Ⅲ級(jí)“不安全”狀態(tài);工程質(zhì)量評(píng)價(jià)、運(yùn)行管理評(píng)價(jià)及結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果處于Ⅱ級(jí)“基本安全”狀態(tài)。因此，建議采取以下措施保證大壩的安全運(yùn)行：

（1）結(jié)合洪水復(fù)核結(jié)果，對(duì)溢洪道護(hù)砌進(jìn)行治理完善，確保溢洪道滿足安全調(diào)洪泄洪能力要求;為了減少大壩滲流，新建大壩防滲帷幕，采用新型防滲措施及材料整治及返修大壩防滲設(shè)施。

（2）對(duì)該工程進(jìn)行全方位清理整治，加強(qiáng)大壩結(jié)構(gòu)及安全監(jiān)測(cè)，完善大壩變形及水庫(kù)位移監(jiān)測(cè)等制度，為大壩安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究水庫(kù)大壩安全的評(píng)價(jià)方法，首先在遵循科學(xué)性、可行性原則的基礎(chǔ)上，選擇了17項(xiàng)代表水庫(kù)大壩安全運(yùn)行的評(píng)價(jià)指標(biāo)建立了評(píng)價(jià)體系。利用改進(jìn)層次分析法對(duì)各級(jí)因素權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了判斷矩陣一致性的過(guò)程，準(zhǔn)確度較高。然后，邀請(qǐng)大壩安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域多位專家對(duì)影響大壩安全的各因素進(jìn)行打分，采用服從正態(tài)分布的隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊數(shù)學(xué)處理，構(gòu)建了模糊綜合評(píng)價(jià)模型。最后，將該模型應(yīng)用于某水庫(kù)大壩的綜合安全評(píng)價(jià)中，驗(yàn)證了模型的可行性，為水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)提供了一種簡(jiǎn)單可行的方法。

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（編輯：李慧）

作者簡(jiǎn)介：郭維維，女，工程師，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)及水環(huán)境方面的工作。E-mail：412012196@qq.com