基于層次分析法的水庫土石壩工程病險(xiǎn)特點(diǎn)研究

王甫 譚政 熊威 顏揚(yáng)

摘要：為消除壩體安全隱患，保障水庫大壩安全，中國已建成水庫9.7萬多座，92%左右為土石壩，土石壩在水庫大壩安全中具有舉足輕重的地位。通過構(gòu)建水庫大壩安全評價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型，基于大壩安全風(fēng)險(xiǎn)和病險(xiǎn)頻度綜合權(quán)重進(jìn)行分析，并通過層次分析法及帕累托法，量化得出水庫土石壩主要病險(xiǎn)指標(biāo)和因素。研究表明：水庫土石壩病險(xiǎn)特點(diǎn)具有均衡性、全面性、規(guī)律性；水庫病險(xiǎn)依次是滲流安全、結(jié)構(gòu)安全、防洪能力；水庫病險(xiǎn)主要因素是大壩滲流安全、泄洪能力、大壩結(jié)構(gòu)安全、泄水建筑物結(jié)構(gòu)安全、大壩壩頂高程和防浪墻高程等；不同等級規(guī)模水庫病險(xiǎn)特點(diǎn)有所不同。研究結(jié)果對當(dāng)前水庫土石壩工程除險(xiǎn)加固具有參考意義。

關(guān)鍵詞：土石壩；病險(xiǎn)特點(diǎn)；層次分析法；帕累托法；大壩安全評價(jià)

中圖法分類號：TV697 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.009

文章編號：1006-0081（2024）02-0053-07

0 引 言

水庫土石壩工程多建成于20世紀(jì)50～70年代，普遍存在工程標(biāo)準(zhǔn)偏低、管理力量薄弱、監(jiān)測設(shè)施不足、老化失修嚴(yán)重等問題。國家高度重視水庫大壩安全，1998年以來，中國累計(jì)投入近3 000億元資金，對2 800多座大中型水庫和6.9萬座小型水庫進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，水庫安全狀況不斷改善?！笆奈濉逼陂g，中國計(jì)劃投入近 1 000 億元完成現(xiàn)有1.94萬座病險(xiǎn)水庫的除險(xiǎn)加固任務(wù)，其中大、中、小型病險(xiǎn)水庫分別約80座、470座和1.88萬座。受限于水庫服役時(shí)間長、加固資金有限、建設(shè)質(zhì)量參差不齊、管理維護(hù)不到位等因素，目前還有相當(dāng)數(shù)量的水庫土石壩工程存在病險(xiǎn)情。研究水庫土石壩工程病險(xiǎn)原因，分析歸納病險(xiǎn)特點(diǎn)，可為水庫加固精準(zhǔn)施策提供技術(shù)支撐。

水庫大壩安全評價(jià)一直是大壩管理的基礎(chǔ)課題和研究熱點(diǎn)，也是大壩除險(xiǎn)加固的依據(jù)。為了對水庫大壩安全進(jìn)行評價(jià)，制定了SL 258-2017《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》（以下簡稱《導(dǎo)則》），從工程質(zhì)量、運(yùn)行管理、防洪、滲流、結(jié)構(gòu)、抗震、金屬結(jié)構(gòu)等7個(gè)指標(biāo)層進(jìn)行評價(jià)，但評價(jià)主要以定性評價(jià)為主，各指標(biāo)重要程度視為等同，評價(jià)分為A、B、C級（A級為安全可靠；B級為基本安全，但有缺陷；C級為不安全），評價(jià)時(shí)以最低級別作為大壩安全等級，難以反映不同指標(biāo)在大壩安全評價(jià)中的重要程度。為解決這一問題，專家學(xué)者通過層次分析法、熵權(quán)法、模糊綜合評價(jià)法、云模型、拓?fù)洳┺恼摰冉⒋髩握w性態(tài)評價(jià)模型，以降低傳統(tǒng)分析方法中的主觀性和指標(biāo)權(quán)重相等的影響，但對具體某個(gè)水庫安全評價(jià)中的病險(xiǎn)總體性特點(diǎn)規(guī)律研究相對較少。

本文根據(jù)《導(dǎo)則》建立大壩安全綜合評價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)搜集到的中國各省市2019～2023年安全鑒定結(jié)論為“三類壩”的184座水庫土石壩工程（大型水庫12座，中型水庫77座，小型水庫95座）的鑒定及加固資料的整理和分析，基于大壩安全風(fēng)險(xiǎn)和病險(xiǎn)指標(biāo)頻度，通過層次分析法量化確定各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合帕累托曲線分析病險(xiǎn)水庫的主要因素，從而得出水庫土石壩工程病險(xiǎn)特點(diǎn)。

1 研究方法

1.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

本文將大壩安全綜合評價(jià)結(jié)論分解為7個(gè)指標(biāo)層，按照SL 258-2017《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》及專家學(xué)者研究成果提出大壩安全評價(jià)的22個(gè)指標(biāo)因素，構(gòu)建“水庫大壩安全評價(jià)-指標(biāo)層-因素層”的遞階層次結(jié)構(gòu)，如表1所示。

1.2 層次分析法

引入層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）來確定各因素的權(quán)重，該方法將復(fù)雜的問題及眾多因素分解成一個(gè)有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較及計(jì)算矩陣最大特征根和其對應(yīng)特征向量，來確定各指標(biāo)的權(quán)重。

（1）建立判斷矩陣。Saaty提出一致矩陣法，即兩兩相互比較，采用相對尺度，盡可能減少性質(zhì)不同的諸因素相互比較的困難，提高準(zhǔn)確度。為比較每一個(gè)因素對目標(biāo)的影響，確定它們在目標(biāo)中的重要程度，每次取兩個(gè)因素對目標(biāo)的影響之比為比較標(biāo)度a，比較結(jié)果為判斷矩陣A。采用1～9標(biāo)度法，由專家根據(jù)各指標(biāo)的性質(zhì)、相對關(guān)系以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出，如表2所示。

（2）計(jì)算權(quán)向量和判斷矩陣的一致性。根據(jù)判斷矩陣，求出最大特征根所對應(yīng)的特征向量，所求特征向量即為各評價(jià)因素的重要性排序，即各指標(biāo)的權(quán)重。帶入A的特征值及求出相對的特征向量，其中與最大特征根λ對應(yīng)的特征向量ω歸一化處理后得出各權(quán)重值ω。為驗(yàn)證判斷矩陣一致性，參考相關(guān)文獻(xiàn)，用Saaty提出的一致性比率CR作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過公式檢驗(yàn)：CR=CI/RI，其中：CI=（λ-n）/（n-1），RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，當(dāng)CR0.1時(shí)，可認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)。

1.3 確定權(quán)重

大壩安全風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重是通過層次分析法將行業(yè)內(nèi)專家對大壩安全各指標(biāo)、因素的打分量化而得，病險(xiǎn)頻度權(quán)重是對中國各省市2019～2023年安全鑒定結(jié)論為“三類壩”的184座水庫土石壩工程評級為C的指標(biāo)層、因素層分析得出。

（1）大壩安全風(fēng)險(xiǎn)。邀請行業(yè)內(nèi)專家根據(jù)大壩安全風(fēng)險(xiǎn)程度打分，加權(quán)平均后給出表1水庫大壩安全評價(jià)各指標(biāo)層和各因素層的1～9標(biāo)度，構(gòu)建指標(biāo)層和因素層兩兩判斷矩陣，采用軟件IBMSPSS Statistics 26.0版進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。本層次分析法模塊計(jì)算最大特征根對應(yīng)的特征向量，一致性檢驗(yàn)通過后，得出指標(biāo)層權(quán)重值ω和因素層權(quán)重值ω。此處得到的因素層權(quán)重值為上一層指標(biāo)層對應(yīng)的相對權(quán)重，為進(jìn)行全因素綜合比較，需將該因素權(quán)重值乘以該因素對應(yīng)的上一層指標(biāo)層權(quán)重值得出組合權(quán)重。

（2）大壩病害頻度。整理184座水庫樣本資料并統(tǒng)計(jì)分析表1中各指標(biāo)和因素造成水庫安全評價(jià)為C級的數(shù)量，將其作為指標(biāo)層和因素層兩兩判斷矩陣的權(quán)重計(jì)算基礎(chǔ)，構(gòu)建指標(biāo)層和因素層兩兩判斷矩陣，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件IBMSPSS Statistics 26.0的層次分析法模塊計(jì)算最大特征根對應(yīng)的特征向量，一致性檢驗(yàn)通過后，得出指標(biāo)層權(quán)重值ω和因素層權(quán)重值ω，計(jì)算出各因素組合權(quán)重。

1.4 綜合評價(jià)

綜合考慮大壩安全風(fēng)險(xiǎn)和大壩病害頻度，將指標(biāo)層權(quán)重值ω和ω相乘、因素層權(quán)重值ω和ω相乘，對乘積結(jié)果分別進(jìn)行歸一化處理，得出最終指標(biāo)層權(quán)重值ω和因素層權(quán)重值ω。

將指標(biāo)層權(quán)重值和因素層組合權(quán)重值分別按值從大到小排序，繪制帕累托圖，確定影響水庫大壩安全評價(jià)的主要因素（累計(jì)權(quán)重達(dá)0.8）和次要因素（累計(jì)權(quán)重0.8～0.9）。

2 研究結(jié)果

2.1 大壩安全風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重

根據(jù)文中構(gòu)建的水庫大壩安全評價(jià)層次分析模型，結(jié)合專家打分，加權(quán)平均得出指標(biāo)層兩兩判斷矩陣，如表3所示。

采用統(tǒng)計(jì)分析軟件IBMSPSS Statistics 26.0的層次分析法模塊，計(jì)算求得各指標(biāo)層權(quán)重ω=（0.066，0.082，0.270，0.211，0.198，0.031，0.142），一致性檢驗(yàn)CR0.1。計(jì)算因素層權(quán)重方法同上，通過一致性檢驗(yàn)，綜合計(jì)算結(jié)果見表4。

2.2 大壩病害頻度權(quán)重

整理樣本資料并區(qū)分大中型水庫和小型水庫，統(tǒng)計(jì)分析各因素造成安全評價(jià)為C級的數(shù)量，將其分別作為指標(biāo)層和因素層兩兩判斷矩陣的權(quán)重，以此為基礎(chǔ)展開相關(guān)的計(jì)算和分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，樣本數(shù)據(jù)安全評價(jià)指標(biāo)層及因素層C級數(shù)量分別見表5和圖1。

根據(jù)表5和圖1構(gòu)建指標(biāo)層和因素層兩兩比對矩陣，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件IBMSPSS Statistics 26.0版本層次分析法模塊計(jì)算特征向量最大特征值，并驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。結(jié)果顯示，各指標(biāo)層和因素層一致性比例CR0.1，表明構(gòu)建的兩兩判斷矩陣滿足層次分析法一致性驗(yàn)證，指標(biāo)層和因素層權(quán)重計(jì)算成果見表6。

2.3 綜合評價(jià)權(quán)重

綜合考慮大壩安全風(fēng)險(xiǎn)和大壩病害頻度對水庫大壩安全的影響，將兩指標(biāo)層權(quán)重值對應(yīng)相乘、兩因素層權(quán)重值對應(yīng)相乘，乘得結(jié)果分別進(jìn)行歸一化處理后得出最終指標(biāo)層權(quán)重值和因素層權(quán)重值，結(jié)果見表7。

將表4數(shù)據(jù)按照從大到小排序后累加繪制帕累托圖，如圖2所示。圖2（a）～（c）對應(yīng)表7的組合權(quán)重，根據(jù)結(jié)果可以確定影響水庫大壩安全綜合評價(jià)的主要因素（累計(jì)頻率達(dá)0.8）和次要因素（累計(jì)頻率0.8～0.9）。

2.4 評價(jià)小結(jié)

由圖2（d）～（f）可知，大中型水庫土石壩工程指標(biāo)層主要病險(xiǎn)指標(biāo)是滲流安全指標(biāo)、結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)與金屬結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)，次要病險(xiǎn)指標(biāo)是防洪能力不足。小型水庫土石壩工程指標(biāo)層主要病險(xiǎn)指標(biāo)是滲流安全指標(biāo)、結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)與防洪能力不足，次要病險(xiǎn)指標(biāo)是工程質(zhì)量不合格。水庫土石壩工程總體上指標(biāo)層主要病險(xiǎn)指標(biāo)是滲流安全指標(biāo)、結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)與防洪能力不足，次要病險(xiǎn)指標(biāo)是金屬結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)。

由圖2（a）～（c）可知，大中型水庫土石壩工程病險(xiǎn)因素層主要因素是大壩滲流安全、泄洪能力、閘門結(jié)構(gòu)安全、大壩結(jié)構(gòu)安全、泄水建筑物結(jié)構(gòu)安全、啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)安全、大壩壩頂高程和防浪墻高程、輸水建筑物滲流安全；次要因素是泄水建筑物滲流安全、輸水建筑物結(jié)構(gòu)安全與安全監(jiān)測。小型水庫土石壩工程病險(xiǎn)主要因素是大壩滲流安全、泄洪能力、大壩結(jié)構(gòu)安全、泄水建筑物結(jié)構(gòu)安全、大壩壩頂高程和防浪墻高程；次要因素是輸水建筑物結(jié)構(gòu)安全、大壩質(zhì)量與安全監(jiān)測。水庫土石壩工程總體上病險(xiǎn)因素層主要因素是大壩滲流安全、泄洪能力、大壩結(jié)構(gòu)安全、泄水建筑物結(jié)構(gòu)安全、大壩壩頂高程和防浪墻高程、閘門結(jié)構(gòu)安全與輸水建筑物結(jié)構(gòu)安全；次要因素是啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)安全、大壩質(zhì)量與輸水建筑物滲流安全。各指標(biāo)和因素分布較均勻，沒有出現(xiàn)“絕壁式”權(quán)重，充分體現(xiàn)出水庫大壩安全評價(jià)是7個(gè)指標(biāo)和22個(gè)因素共同影響的結(jié)果，水庫土石壩工程病險(xiǎn)特點(diǎn)具有均衡性和全面性。

3 討 論

3.1 基于大壩安全風(fēng)險(xiǎn)和病險(xiǎn)頻度的水庫土石壩安全評價(jià) 根據(jù)表6總體來看，當(dāng)前水庫土石壩工程主要病險(xiǎn)指標(biāo)是結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)、滲流安全指標(biāo)、工程質(zhì)量不合格與金屬結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)，其中結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)主要是泄水建筑物結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)和輸水建筑物結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)，這說明前幾輪水庫加固是成功的。雖然從病險(xiǎn)頻度分析，防洪能力不足導(dǎo)致水庫評為“三類壩”數(shù)量顯著降低，但隨著近年來極端氣候、超標(biāo)準(zhǔn)洪水的頻度和強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，且土石壩不能抵御洪水漫頂，2018～2021年11座潰壩事故中有8座因超標(biāo)準(zhǔn)洪水所致，防洪能力仍然是水庫土石壩工程安全的重中之重。本文引入大壩安全風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重分析，彌補(bǔ)了病險(xiǎn)頻度分析水庫病害特點(diǎn)未考慮不同指標(biāo)危害程度的不足，能更全面反映當(dāng)前水庫土石壩工程應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的病害問題。

3.2 不同規(guī)模水庫土石壩工程病險(xiǎn)特點(diǎn)

由表7和圖2可知，從大壩安全風(fēng)險(xiǎn)和病害頻度綜合權(quán)重中可分析得出，當(dāng)前水庫土石壩工程主要病險(xiǎn)指標(biāo)是滲流安全指標(biāo)、結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)與防洪能力不足。大中型水庫和小型水庫主要病害指標(biāo)有所區(qū)別，大中型水庫需更關(guān)注金屬結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)，小型水庫更應(yīng)關(guān)注防洪安全指標(biāo)；當(dāng)前水庫土石壩工程主要病險(xiǎn)因素是大壩滲流安全、泄洪能力、大壩結(jié)構(gòu)安全、泄水建筑物結(jié)構(gòu)安全、大壩壩頂高程和防浪墻高程、閘門結(jié)構(gòu)安全、輸水建筑物結(jié)構(gòu)安全，大中型水庫和小型水庫主要病害因素基本相同，但有所區(qū)別的是大中型水庫主要病害因素更多，小型水庫主要病害因素更集中。

4 結(jié) 語

中國水庫土石壩工程數(shù)量大、類型多、分布廣，病險(xiǎn)情況復(fù)雜。本文通過構(gòu)建水庫大壩安全評價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型，基于大壩安全風(fēng)險(xiǎn)和病險(xiǎn)頻度綜合權(quán)重進(jìn)行分析。綜合考慮病害指標(biāo)、因素出現(xiàn)的頻度及危害，通過繪制帕累托曲線，初步分析了當(dāng)前水庫土石壩工程病險(xiǎn)特點(diǎn)。下一步可結(jié)合大尺度和大規(guī)模樣本數(shù)據(jù)研究病險(xiǎn)特點(diǎn)是否與區(qū)域、壩型、壩高等有關(guān)，總結(jié)不同病險(xiǎn)問題所對應(yīng)的加固技術(shù)，為當(dāng)前病險(xiǎn)水庫土石壩工程病險(xiǎn)治理與加固提供參考。

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（編輯：張 爽）

Study on risk characteristics of reservoir earth and rockfill dam project

in new era based on analytic hierarchy processWANG Fu，TAN Zheng，XIONG Wei，YAN Yang

（1.Changjiang Survey Planning Design Research Co.，Ltd. ，Wuhan 430010，China； 2.National Dam Safety Engineering Technology Research Center，Wuhan 430010，China； 3.China Water Resources Pearl River Planning Surveying and Designing Co.，Ltd.，Guangzhou 510610，China）

Abstract：In order to eliminate dam safety hazards and ensure the safety of reservoir dams，a hierarchical structure model for reservoir dam safety evaluation was constructed.Based on the comprehensive weight analysis of dam safety risk and risk frequency，we quantitatively analyzed the main risk indicators and factors of earth and rockfill dam engineering by constructing the hierarchical structure model of dam safety evaluation and Pareto method. The study showed that the risk characteristics of reservoir earth and rockfill dam project were balanced，comprehensive and regular. The main indexes of reservoir risk were seepage safety，structural safety and insufficient flood control capacity in turn. The main factors of reservoir risk were seepage safety of dam，flood discharge capacity review，dam structure safety，structure safety of drainage buildings，dam top elevation and wave wall elevation review，etc. The characteristics of reservoir risk were different in different sizes. The research results can provide a reference for the current reservoir earth and rockfill dam engineering．

Key words：earth and rockfill dam；defectiveness characteristics；analytic hierarchy process；Pareto method；dam safety assessment