基于TOPSIS和AHP法的惠民水庫溢洪道閘門安全分析

胡天曲

(上饒市國控水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江西 上饒 334000)

水庫溢洪道在泄洪、安全度汛方面扮演著重要角色[1-2]，水庫溢洪道閘門存在銹蝕、磨損及老化等安全問題，分析溢洪道閘門的安全性變得尤為重要[3-4]。

目前，關(guān)于溢洪道閘門安全性的研究主要分為兩方面：一是保障閘門安全性，張偉超等[5]提出了閘門防腐處理施工工藝和質(zhì)量控制的具體方法以保障閘門耐久性；二是對(duì)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性鑒定，馬洪雁等[6]利用溢洪道閘門結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給出安全鑒定結(jié)果。溢洪道閘門結(jié)構(gòu)安全分析方法可以掌握溢洪道狀態(tài)，保障水庫的正常運(yùn)行。但現(xiàn)有水庫溢洪道金屬閘門安全鑒定方式通常依據(jù)閘門結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，該方式不能夠充分利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，主觀意識(shí)強(qiáng)，不能區(qū)分各類指標(biāo)對(duì)閘門結(jié)構(gòu)的影響，無法滿足實(shí)際需求[7-8]。針對(duì)上述問題，通過可區(qū)分評(píng)價(jià)對(duì)象重要性的優(yōu)劣解距離法[9-10](Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)和可區(qū)分指標(biāo)特性的層次分析法[11-12](Analytic Hierarchy Process，AHP)，基于實(shí)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量、定性分析，充分體現(xiàn)不同指標(biāo)對(duì)不同閘門金屬結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的安全鑒定。

文章以江西省鳳崗惠民水庫為研究對(duì)象，基于閘門腐蝕程度、涂層厚度、金屬結(jié)構(gòu)厚度及材料強(qiáng)度等實(shí)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，采用TOPSIS和AHP法對(duì)溢洪道不同閘門進(jìn)行安全鑒定。

1 工程概況

鳳岡惠民水庫位于江西省宜黃縣鳳崗鎮(zhèn)澄源村。該水庫工程等級(jí)為Ⅳ級(jí)別，多年平均來水量1822萬m3，總庫容563.3萬m3，興利庫容462.4萬m3，正常蓄水位146.0m，校核洪水位為148.20m，是一座以灌溉為主，兼顧供水等綜合利用的小型水利樞紐工程。該水庫蓄水期間庫區(qū)迎水段易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，為保證水庫閘門的正常運(yùn)行，需要對(duì)閘門金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。基于某檢測(cè)中心站提供的1#、2#和3#閘門金屬腐蝕、涂層厚度、金屬結(jié)構(gòu)厚度及材料強(qiáng)度等檢測(cè)數(shù)據(jù)，利用TOPSIS-AHP法分別對(duì)閘門下游面板、閘門主要承力結(jié)構(gòu)及閘門整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

2 TOPSIS-AHP法基本原理

TOPSIS-AHP法考慮評(píng)價(jià)對(duì)象與指標(biāo)差異性，充分利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單科學(xué)，基本原理如下：

(1)構(gòu)造歸一化初始矩陣。設(shè)有n個(gè)對(duì)象，m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)造原始數(shù)據(jù)矩陣，如式(1)。

(1)

(2)溢洪道閘門安全評(píng)價(jià)中不同的指標(biāo)存在著重要性區(qū)別，因此，采用陳等[11]使用層次分析法確定不同指標(biāo)的權(quán)重，并按照不同指標(biāo)屬性進(jìn)行向量規(guī)范化，如式(2)，得到標(biāo)準(zhǔn)矩陣Z，如式(3)。

(2)

(3)

(3)采用余弦法得到總體方案中的最優(yōu)和最劣方案，其中最優(yōu)方案Z+為Z中每列元素最大值，如式(4)；最劣方案Z-為Z中每列元素最小值，如式(5)。

Z+=(max{z11，z21，…，zn1}，max{z12，z22，

…，zn2}，…，max{z1m，z2m，…，znm})

(4)

Z-=(min{z11，z21，…zn1}，min{z12，z22，

…，zn2}，…，min{z1m，z2m，…，znm})

(5)

(4)計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象i的元素與最優(yōu)方案和最劣方案之間的接近距離，如式(6)和式(7)。

(6)

(7)

式中，wj—第j指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。

(5)計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象i與最優(yōu)方案的貼近程度Si，如式(8)。

(8)

(6)根據(jù)Si計(jì)算值的大小進(jìn)行排序，得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 溢洪道金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)

鳳崗惠民水庫溢洪道由閘室段、泄洪段和挑流鼻坎組成，對(duì)溢洪道閘門進(jìn)行安全評(píng)價(jià)一般會(huì)考慮閘門的腐蝕程度、涂層厚度、金屬結(jié)構(gòu)厚度和材料強(qiáng)度等指標(biāo)。以下為上述4個(gè)實(shí)測(cè)指標(biāo)的檢測(cè)情況。

3.1 腐蝕狀況檢測(cè)

腐蝕會(huì)影響閘門金屬結(jié)構(gòu)安全性，需對(duì)閘門金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)SL 105—2007《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》進(jìn)行腐蝕檢測(cè)抽檢工作，選擇1#、2#和3#共3扇閘門進(jìn)行抽檢工作，本處對(duì)腐蝕嚴(yán)重的2#閘門進(jìn)行重點(diǎn)描述。腐蝕檢測(cè)采用卷尺、游標(biāo)卡尺和焊縫檢驗(yàn)尺進(jìn)行檢驗(yàn)工作，檢測(cè)內(nèi)容包含銹蝕深度、銹蝕面積。其中銹蝕深度采用焊縫檢測(cè)尺檢測(cè)，檢測(cè)精度為0.05mm，檢測(cè)結(jié)果見表1，銹蝕面積檢測(cè)通過卷尺實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表1 溢洪道2#閘門銹蝕深度檢測(cè)結(jié)果

表2 溢洪道2#閘門銹蝕面積檢測(cè)結(jié)果

利用上述閘門腐蝕檢測(cè)方法，檢測(cè)站人員依據(jù)檢測(cè)實(shí)際情況和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同閘門的腐蝕程度予以評(píng)分見表3。

表3 不同閘門腐蝕程度評(píng)分表

經(jīng)腐蝕檢測(cè)，鳳崗惠民水庫閘門腐蝕情況整體良好，除2#閘門外，其他閘門腐蝕情況比較輕。2#最大腐蝕深度為1.44mm，對(duì)閘門無結(jié)構(gòu)性影響，建議進(jìn)行適當(dāng)修復(fù)以避免腐蝕加深影響閘門正常使用。

3.2 涂層厚度檢測(cè)

涂層厚度影響閘門金屬防腐蝕能力，對(duì)涂層厚度檢測(cè)。根據(jù)SL 105—2007《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》進(jìn)行涂層厚度抽檢工作，選擇1#、2#和3#閘門進(jìn)行抽檢工作，選用滄州歐譜OU3600涂層測(cè)厚儀，閘門涂層厚度檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 不同閘門不同檢測(cè)位置涂層厚度檢測(cè)結(jié)果 單位：μm

3.3 金屬結(jié)構(gòu)厚度檢測(cè)

閘門金屬結(jié)構(gòu)厚度降低會(huì)導(dǎo)致閘門無法抵御上游水壓力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)厚度檢測(cè)。根據(jù)GB/T 709—2022《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》進(jìn)行結(jié)構(gòu)厚度抽檢工作為有損檢測(cè)，選擇1#、2#和3#閘門進(jìn)行抽檢工作，選用科電HCH-3000超聲波測(cè)厚儀，選擇與涂層檢測(cè)相同位置，檢測(cè)結(jié)果見表5。

表5 不同閘門不同檢測(cè)位置金屬結(jié)構(gòu)厚度檢測(cè)結(jié)果 單位：mm

3.4 金屬材料強(qiáng)度檢測(cè)

金屬結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度及硬度可以直接反映材料的安全情況。根據(jù)SL 101—2014《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)流程》進(jìn)行材料強(qiáng)度抽檢，選擇1#、2#和3#閘門進(jìn)行抽檢，選用TH140型數(shù)顯硬度計(jì)，選擇與涂層檢測(cè)相同位置進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表6。

表6 不同閘門不同檢測(cè)位置金屬強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果 單位：MPa

4 安全評(píng)價(jià)

4.1 閘門下游面板安全分析

閘門下游面板安全分析流程如下：

(1)構(gòu)建初始指標(biāo)體系表，見表7。閘門腐蝕程度選擇打分結(jié)果，涂層厚度、金屬結(jié)構(gòu)厚度及材料強(qiáng)度指標(biāo)選擇實(shí)測(cè)平均值。

表7 閘門下游面板初始指標(biāo)體系表

(2)基于層次分析法計(jì)算權(quán)重向量，構(gòu)造判別矩陣見式(9)，計(jì)算得到特征值λmax=4.043及權(quán)向量H=[0.201，0.078，0.201，0.520]。

(9)

(3)對(duì)初始矩陣進(jìn)行歸一化處理，見表8。

表8 閘門下游面板不同指標(biāo)歸一化矩陣表

(4)確定最優(yōu)方案和最劣方案見表9。

表9 最優(yōu)方案集合

(5)計(jì)算貼近程度值Si并完成排序見表10。

表10 閘門下游面板TOPSIS評(píng)價(jià)結(jié)果

正理想解D+數(shù)值越小表明與最優(yōu)方案距離越近，負(fù)理想解D+數(shù)值越大表明結(jié)果越差，通過比較貼近程度值Si，可知鳳崗惠民水庫閘門安全程度排序應(yīng)該為3#閘門>1#閘門>2#閘門，符合實(shí)際檢測(cè)情況。

4.2 閘門主要承力結(jié)構(gòu)安全分析

依據(jù)TOPSIS-AHP閘門安全評(píng)價(jià)法，閘門主梁和次梁等主要承力結(jié)構(gòu)安全分析流程如下：

(1)主梁安全評(píng)價(jià)

主梁初始評(píng)價(jià)矩陣見表11，初始矩陣評(píng)價(jià)歸一化及最值見表12，根據(jù)最優(yōu)方案和最劣方案計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)正、負(fù)理想解及貼近程度見表13。

表11 閘門主梁初始評(píng)價(jià)表

表12 閘門主梁初始評(píng)價(jià)表

表13 閘門主梁TOPSIS評(píng)價(jià)結(jié)果

(2)縱梁安全評(píng)價(jià)

縱梁初始評(píng)價(jià)矩陣見表14，初始矩陣評(píng)價(jià)歸一化及最值見表15，根據(jù)最優(yōu)方案和最劣方案計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)正、負(fù)理想解及貼近程度見表16。

表14 閘門縱梁初始評(píng)價(jià)表

表15 閘門縱梁初始評(píng)價(jià)表

表16 閘門縱梁TOPSIS評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表10、表13和表16發(fā)現(xiàn)下游面板、主梁和縱梁的安全評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定差異性，主要是因?yàn)椴煌笜?biāo)對(duì)閘門的不同位置的影響程度不同，如面板是接觸水體的主要結(jié)構(gòu)，腐蝕和涂層厚度的影響相對(duì)較大，而主梁和縱梁距離水面比下游面板遠(yuǎn)，但需要能承受更強(qiáng)的水流沖擊，因此金屬結(jié)構(gòu)的硬度和厚度對(duì)于主梁和總量的影響程度更大。

4.3 閘門整體結(jié)構(gòu)安全分析

溢洪道閘門不同部位的工作狀況存在差異，一般下游面板、縱梁和主梁距離水面的距離逐漸增加。閘門面板重要程度最高，其次為縱梁和主梁，溢洪道綜合整體結(jié)構(gòu)安全分析需考慮不同部位的重要程度。使用層次分析法對(duì)同一閘門的下游面板、主梁和縱梁等進(jìn)行重要程度劃分，以閘門下游面板、主梁和縱梁計(jì)算的貼近程度值作為輸入，見表17，構(gòu)造判別矩陣見式(10)，并計(jì)算得到特征值λmax=3.065和權(quán)向量H=[0.731，0.081，0.188]。

(10)

表17 閘門不同部位貼近程度值Si

將同一閘門不同部位的貼近程度值Si與權(quán)值向量H逐項(xiàng)相乘后累加得到該閘門的安全評(píng)價(jià)值，如1#閘門計(jì)算過程為：0.731×0.672+0.081×0.591+0.188×0.860=0.701，2#閘門和3#閘門計(jì)算過程類似，評(píng)價(jià)值分別為0.152和0.729，通過比較閘門的綜合安全值得到閘門的安全程度評(píng)價(jià)結(jié)果為3#閘門>1#閘門>2#閘門，符合實(shí)際檢測(cè)情況。實(shí)際運(yùn)行管理中2#閘門處于溢洪道正中間位置，承擔(dān)了主要的放水泄洪工作，一般運(yùn)行時(shí)會(huì)首先開啟，啟閉次數(shù)高、工作時(shí)間長(zhǎng)，因此，閘門止水縫漏水和面板腐蝕情況較嚴(yán)重，需要定期進(jìn)行檢修和維護(hù)工作。

5 結(jié)語

本文對(duì)我國水庫溢洪道金屬結(jié)構(gòu)閘門安全管理問題進(jìn)行剖析，利用溢洪道閘門金屬結(jié)構(gòu)腐蝕程度、涂層厚度、金屬結(jié)構(gòu)厚度及材料強(qiáng)度指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用AHP法確定不同指標(biāo)影響，采用TOPSIS法確定不同評(píng)價(jià)對(duì)象(閘門)安全度，結(jié)果表明該評(píng)價(jià)方法的閘門的安全評(píng)價(jià)值結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。為水庫溢洪道閘門結(jié)構(gòu)安全分析提供了一種新的思路，完善了溢洪道金屬閘門安全管理體系。同時(shí)，本分析方法沒有充分考慮閘門側(cè)移等問題對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)論尚有一定局限性，應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目全面考慮，以期完善水庫溢洪道閘門安全管理體系。