大坝安全量化评价模型研究

张 计，林水生，饶锡保

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

大坝安全量化评价模型研究

张 计，林水生，饶锡保

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

如何实现大坝各单项评价由定性评价到量化评价的转化是大坝安全量化评价技术研究的关键点。通过研究大坝安全性态特点，首先确定大坝安全程度的特定量化评价值，然后结合数学分析工具Matlab，非线性拟合确定了基于Logistic生长曲线模型的大坝安全评价量化评价模型，精确拟合出量化评价参数，拟合决定系数达到0．998 6，实现了大坝安全单项指标评价由定性到量化的转变。

大坝；安全评价；量化评价模型

1 研究背景

我国现有的大坝安全评价体系［1］经过多年的应用，在我国大坝安全管理和除险加固中起到了较大的作用。但是该评价方法主要以定性评价为主，而且3级分级偏粗，虽然可以满足区分大坝是否安全，但还不能满足安全程度判断的需要。随着我国病险水库除险加固的不断深入和综合评价技术的不断完善，目前的大坝安全评价技术已不能满足要求，应该在现有基础上进行进一步完善，实现大坝安全的量化评价。

大坝安全评价是一项非常复杂的系统评价项目，需要对大坝多个单项指标进行评价后最终得到大坝的综合评价，因此，如何实现大坝各单项评价由定性评价到量化评价的转化是大坝安全评价量化评价技术研究的关键。

国内外已有一些学者进行了大坝安全量化评价技术研究，南京水利科学研究院李雷等人就提出了大坝性态危险程度判别模型［2－3］，实现了大坝性态危险程度由定性向量化的转化。但该模型在确定模型参数时，是采用的先随机确定一些模型参数，再根据各模型的特点去寻找与大坝安全性态较为接近的一种模型，在模型参数的确定上具有一定的局限性。本研究首先根据大坝安全性态特点确定出大坝安全程度的特定量化评价值，然后结合数学分析工具，非线性拟合确定了大坝安全程度评价模型的参数，较为精确地提出了大坝安全评价的量化评价模型。

2 大坝安全量化评价模型

项目评价由定性向量化的转变，较简单常规的方法为评分法，即将评价等级进一步细化，根据判别标准，将每个等级采用一定的分值表示。但是，评分法不一定能很好地满足所评价对象的变化规律，因此，通过评分法可以说是一种由定性向定量的转变。要实现由定量至量化的转变，还应根据该评价对象的具体特性，研究出量化评价模型，将评分值转化为能满足评价对象变化规律的量化评价系数。

2．1 大坝安全评价定量判别

现有的大坝安全评价技术在各单项指标评价方面均是分为3个等级，只能较为粗略地定性判断安全程度，为了更加精确地对各单项指标进行评价，可将其进一步细分为安全、基本安全、不安全、很不安全与极不安全5个等级，安全程度由高到低可采用10～0的分值连续表示，定性评价等级与评分对应表见表1。

表1 定性评价等级与评分对应表Table 1 Definitions and scales of qualitative evaluation levels for dam safety

2．2 大坝安全程度变化特性

通过评分法完成了大坝安全评价由定性向定量的转化，而大坝安全程度变化过程应该是一个动态、非线性变化过程，仅仅用评分法的线性规律还不能完成反映大坝安全程度变化规律。大坝及其各分项工程安全程度变化规律主要有以下几点：

（1）稳定阶段。当安全程度为安全时，表明运行状态较为平稳。

（2）平缓变化阶段。当安全程度为基本安全时，有2层含意：一方面可以认为虽然局部有些问题，但不会影响到大坝的安全，在加强监控条件下可以正常运用。另一方面说明了大坝性态已经发生了局部的不正常，对大坝安全程度的影响已经在加大了。

（3）急剧发展阶段。在不安全阶段，大坝安全状态很快发展。即使只有一处发生了明显的严重问题，大坝已不能正常使用，在洪水或其它条件下可能发生较大的事故。此时大坝安全程度快速减小。

（4）在很不安全阶段，危险性很大。很不安全性态说明多处发生了明显的问题，大坝安全程度较低。

（5）极不安全阶段，随时可能出现严重险情，大坝安全程度很低。

综上所述，大坝安全程度变化关系类似于一条S形曲线。第1和第5阶段，状态较为平稳，其它阶段，发展变化较快。

2．3 安全量化评价模型

根据对大坝安全程度变化特性的分析，大坝安全性态变化非常类似于Logistic生长曲线的特征。Logistic模型常用表达式如下：

式中a，b，c表示参数。

现用安全程度系数F来表示大坝安全程度，x表示大坝安全程度评分，因此，x的取值范围为（0，10），F采用（0，1）表示，F值越接近1表示大坝安全程度越高，将（1）式自变量进行转换t＝－10＋2x，让模型满足F与x值取值范围，提出大坝安全评价量化评价模型基本式如式（2）。

根据大坝安全程度变化特点，取S1～S5表示各区间安全程度系数变化幅值，假定5个变化幅值前后对称，且成倍数关系，即：第1与第5阶段状态较为平稳，取S1＝S5＝0．1；第2阶段与第4阶段状态变化稍有加快，取发展速率为第1阶段2倍，S2＝ 0．2；第3阶段为状态变化最为急剧阶段，取发展速率为第2阶段2倍，S3＝0．4。由此大坝安全评价量化评价模型的关键点评分与安全程度系数对应情况见表2。

表2 安全程度系数与评分对应表Table 2 Safety level factor F and corresponding evaluation values

根据确定的关键点，采用数学工具MATLAB中nlinfit函数非线性拟合功能，即可较为精确地得到模型参数。程序关键语句如下：

拟合得到参数a＝1．026 8，b＝0．391 8，c＝1．009 0，拟合决定系数为0．998 6，可见拟合相似程度非常高，拟合曲线图见图1，拟合后各关键点安全程度系数值见表3，因此大坝安全评价量化评价模型表达式为

图1 拟合曲线图Fig．1 Fitting curve of safety level factor F

表3 量化评价模型关键点对应值Table 3 Dam safety levels and corresponding values of the quantitative evaluation m odel

3 大坝安全量化评价模型的意义

根据以上分析，通过将规范中安全评价等级进一步细分，采用量化评价模型，将专家评分转化为了符合大坝安全程度变化规律的量化评价系数，通过该系数即可较为直观地反应大坝各单项指标所处的安全状态，实现了将规范中只能用3个等级进行评价的定性模式转化为采用非线性连续数值表示的量化评价模式。

（1）当量化评价值在0．92以上时，表明该指标安全状况非常好，可以正常运行；

（2）当量化评价值在0．69～0．92区间时，表明该指标安全状况基本正常，只是个别方面存在缺陷；

（3）当量化评价值在0．31～0．68之间时，表明该指标安全状况已存在危险，有个别方面存在安全隐患；

（4）当量化评价值在0．09～0．31之间时，表明该指标已非常危险，在多个方面已经出现明显安全问题；

（5）当量化评价值在0．09以下时，表明该指标已有重大险情。

4 实例应用分析

红旗水库位于修水县四都镇埚头村境内，水系为修河支流彭姑河上游，距镇政府所在地6 km。坝址以上控制流域面积10．9 km2，约占彭姑河总流域面积的24．3%。红旗水库大坝始建于1969年，原设计为小（Ⅰ）型水库，后在施工过程中扩建成中型水库，1972年大坝主体工程竣工。该水库于2004年依据《导则》进行了大坝安全鉴定，通过鉴定，主要鉴定意见如下：

工程质量综合评价为不合格；水利枢纽运行管理评价为差；大坝防洪安全评价为C级；结构安全评定为C级；大坝渗流安全等级评定为C级；金属结构安全性等级评价为C级。综合分析目前该水库存在的病险情况，并结合大坝工程质量、运行管理、抗洪能力、结构稳定、渗流安全及金属结构安全性分析评价成果，红旗水库存在严重的病险问题，应属于“三类坝”。

通过原有评价方式，对红旗水库的安全评价主要为定性评价方式。如果按照量化评价模式，首先对大坝各项指标进行定性评分，然后根据式（3）即可得到量化评价值。红旗水库大坝安全评价指标量化评价表见表4。

表4 红旗水库大坝安全评价指标量化评价表Table 4 Quantitative evaluation of each individual indicator for Hongqi reservoir

根据表4可以看出，原有评价模式下，红旗水库的各项评价指标主要为C级，而通过量化评价模式，原来的C级又细分为了不安全、很不安全、极不安全3个等级。而且即使同一个等级下，每个评价指标也都有各自不同的量化评价值，通过该量化值，可以明确地了解工程该项指标的安全程度。

另外，根据各项评价指标的量化评价值，通过加权法等综合评价方法［4］，就可以得到大坝的综合评价量化评价值。因此，即使同为“三类坝”，也可以根据其综合量化评价值对其病险程度进行清晰的排序，从而为相关管理部门进行决策提供更为明确的依据。

由此可见，通过量化评价模型实现大坝安全的量化评价是可行的，而且具有较强的实际意义。

5 结 语

（1）本文充分分析了大坝安全程度动态变化特点，将大坝安全程度进一步细化，通过评分法以及基于logistic生长曲线模型提出的大坝安全评价量化评价模型，完成了大坝安全评价各单项评价指标有定性评价向量化评价的转变。

（2）本文首先确定了大坝安全程度的特定量化评价值，在模型拟合过程中引入了Matlab数学分析工具，精确拟合出了量化评价模型参数，拟合决定系数达到了0．998 6。

（3）根据本文介绍的大坝安全评价各单项指标评价的量化评价方法，通过加权法等综合评价方法即可实现大坝安全评价的量化评价。

［1］ SL258—2000，水库大坝安全评价导则［S］．（SL258—2000，Guide for Evaluation of Dam Safety［S］．（in Chinese））

［2］ 李 雷，王昭升，张士辰．大坝性态危险程度判别模型研究［J］．安全与环境学报，2007，（6）：149－152．（LI Lei，WANG Zhao-sheng，ZHANG Shi-chen．Study on I-dentifiable Mode of Dam Performance Hazard Degrees［J］．Journal of Safety and Environment，2007，（6）：149－152．（in Chinese））

［3］ 张国栋，李 雷，彭雪辉．基于大坝安全鉴定和专家经验的病险程度评价技术［J］．中国安全科学学报，2008，9（9）：158－166．（ZHANG Guo-dong，LI Lei，PENG Xue-hui．Appraising Techniques for Dam Severity Based on Dam Safety Appraisal and Expert’s Experience［J］．China Safety Science Journal，2008，9（9）：158－ 166．（in Chinese））

［4］ 熊 威，田 波，卢建华．水库大坝安全评价技术与方法探讨［J］．人民长江，2011，6（12）：24－27．（XIONG Wei，TIAN Bo，LU Jian-hua．Discussion on Technologies and Methods of Safety Evaluation of Dams and Reservoirs［J］．Yangtze River，2011，6（12）：24－27．（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Quantitative M odel for Dam Safety Assessment

ZHANG Ji，LIN Shui-sheng，RAO Xi-bao
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The key to assess dam safety is to qualitatively evaluate each individual indicator．We determine the specific quantitative evaluation values of the dam safety level，and then define themodel parameters of the dam safety level by non-linear fittingmathematical analysis tool（Matlab）．Thereby，on the basis of Logistic model，we can get a precise quantitative evaluationmodel，which accurately fits the quantitative evaluation parameterswith the determination coefficientof0．998 6．In thisway，the qualitative evaluation of individual indicators is transformed into quantitative evaluation．

dam；safety assessment；quantitative assessmentmodel

TV321

A

1001－5485（2013）02－0012－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．003

2012－08－25

国家十一五科技支撑计划课题“病险水库除险加固关键技术研究”（2006BAC14B04）

张 计（1978－），男，湖北武汉人，工程师，主要从事岩土工程研究工作，（电话）18971081016（电子信箱）18971081016＠189．cn。