混凝土坝健康模糊综合诊断方法研究

田振华，王 嵩，朱赵辉

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.北京中水科工程总公司，北京 100048；3.辽宁省水利厅，辽宁 沈阳 110003）

混凝土坝健康模糊综合诊断方法研究

田振华1，2，王 嵩3，朱赵辉1，2

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.北京中水科工程总公司，北京 100048；3.辽宁省水利厅，辽宁 沈阳 110003）

影响混凝土坝健康状况的因素众多，建立的混凝土坝健康综合诊断指标体系，既包含有定量指标，又包含有定性指标，同时，定性指标指标值的确定带有模糊性，并且混凝土坝健康等级之间的界限也难以准确的界定。模糊综合诊断模型通过确定各个诊断指标的权重及其隶属度向量获得模糊评判矩阵，然后把模糊评判矩阵与诊断指标的权重集进行模糊运算并进行归一化，得到诊断指标健康值，确定被诊断对象的等级层次，最终对混凝土坝健康进行评价，工程实例计算结果表明：模糊综合诊断模型计算结果与实际运行情况相符。本文利用模糊综合诊断模型解决了大坝健康综合诊断指标体系中的模糊性问题。

模糊综合诊断；诊断指标；隶属度向量；监测资料

混凝土坝健康综合诊断是一个多层次、多项目的复杂递归分析问题，对混凝土坝健康状况的综合诊断不仅仅取决于对单个测点、单个项目监测资料所反映出局部健康状况的诊断，更重要的还取决于对混凝土坝多个测点、不同项目监测资料和其它检测与设计施工信息所反映出的混凝土坝整体结构健康状况的诊断。因此，要真正对混凝土坝的健康状况作出科学、合理的诊断，就必须通过研究综合诊断方法将各种定量和定性资料有机地联系起来，进行综合比较、分析和诊断。影响混凝土坝健康状况的因素众多，建立的混凝土坝健康综合诊断指标体系，既包含有定量指标，又包含有定性指标。由于定性指标指标值的确定带有模糊性，并且混凝土坝健康等级之间的界限也难以准确的界定，因此，可利用模糊综合诊断模型，对混凝土坝健康状况进行综合诊断。

1 混凝土坝健康综合诊断指标体系的构建

混凝土坝健康综合诊断问题事实上是一个多项目、多层次的递阶分析问题，为了使混凝土坝健康综合诊断结果准确、合理和可信，有必要根据混凝土坝健康综合诊断问题内在的物理与逻辑关系，将众多影响因素进行合理的概括、归纳和提炼，构建出一个包含众多有代表性诊断指标、结构层次化的健康综合诊断指标体系。本文在总结前人研究成果［1-3］的基础上，结合混凝土坝健康综合诊断的具体特点，通过分析研究诊断指标的选取原则，开展混凝土坝健康综合诊断指标体系的研究，以建立混凝土坝的健康诊断评价集，并量化确定健康等级。

1.1 健康诊断指标体系选取原则 诊断指标是定量研究混凝土坝健康状况的基础，指标选取是否合适，直接影响到健康综合诊断的结论。诊断指标选取太多，会造成指标间信息重叠繁杂，干扰诊断结果；指标选取太少，所选的指标缺乏足够代表性，影响诊断结果的准确性。在构建混凝土坝健康综合诊断指标体系时，诊断指标的选取，应遵循下述7条原则［4-6］：内涵明确性、代表性、独立性、完备性、层次和系统性、简捷可操作性以及定性定量相结合。

对于混凝土坝的健康诊断而言，较重要且必需的监测项目有：环境量监测；变形监测项目中的水平位移、垂直位移、裂缝和接缝等；渗流监测项目中的坝基和坝体扬压力、绕坝渗流、渗流量；应力应变监测项目中包括坝趾、坝踵和坝体局部应力；温度监测项目中的混凝土及坝基温度等。这些监测项目都直接反映了混凝土坝实测性态的健康状况，因此可直接选取他们作为指标体系中的诊断指标。

1.2 健康诊断指标体系构建 结合诊断指标选取原则，可按以下7种层次构建混凝土坝健康综合诊断指标体系：（1）第一层。待诊断混凝土坝的健康状况，它是混凝土坝健康综合诊断指标体系的最高层，也称为最终目标层；（2）第二层。包括坝体及坝基、近坝库区两个诊断指标。这一层主要从混凝土坝结构组成的角度来分析选取诊断指标；（3）第三层。主要包括实测性态、巡视检查等诊断指标。该层主要是通过分析坝体及坝基和近坝库区两个诊断指标的健康诊断方法来选取诊断指标；（4）第四层。主要包括混凝土坝安全监测量化诊断指标（如变形监测、渗流监测、应力应变监测等）、巡视检查非量化诊断指标（如变形现象和渗流现象等）等指标；（5）第五层。主要包括水平位移、垂直位移、倾斜、裂缝；坝基扬压力、坝体扬压力、渗流量、绕坝渗流；坝踵、坝趾、局部应力；变形现象巡视结果，渗流现象巡视结果；设计复核和施工复核的具体项目。此层是第四层诊断指标的进一步分解细化；（6）第六层。实现第五层的各种监测项目所采用的具体监测方法，如水平位移的主要监测方法有垂线、引张线、视准线等；（7）第七层。测点层，即对于各种监测方法，分别设置有多个监测点和巡视点进行监测。

按上述的层次化结构就可构建一个多层次、多项目的混凝土坝健康综合诊断指标体系。当进行混凝土坝健康综合诊断时，可从最底层开始，自下而上逐级递归分析诊断，从而最终得到混凝土大坝健康状况的诊断结果。从指标体系第七层测点层开始，相邻上下层之间都具有关联隶属的关系，每一级都是其上一级的诊断信息源，也是其上一级的一个诊断子项目，而对每一级的健康诊断又都是对其下一级诊断结果的综合。

1.3 健康等级划分 健康等级划分太多，不仅使计算工作量加大，还会难以界定健康等级间的界限；健康等级划分太少，就不能真实准确地反映大坝健康状况。根据一些学者的研究［7］，本文采用介于三级法和五级法之间的四级法对混凝土坝进行健康诊断，即取健康评价集为四级，其健康评价等级集合为：

式中：V1、V2、V3、V4分别代表健康、亚健康、病变和危情。

2 诊断指标权重确定方法

混凝土坝健康综合诊断中各诊断指标权重分配不同会直接导致混凝土坝健康状况最终诊断结果的改变，因而权重的合理性、准确性直接影响诊断结果的可靠性。目前关于权重的确定方法有数十种之多，大致可归为主观赋权法和客观赋权法两类。

AHP法［2］的标度是反映各定性量之间重要程度关系的一种尺度，同层的不同诊断指标对于上一层指标的重要性程度，一般分为“强烈大”、“极端大”、“明显大”、“稍微大”和“相同”，其具体标度见表1。但在混凝土健康诊断体系中，两个相互比较的指标，出现“强烈大”和“极端大”这种情况，根据诊断指标选取的代表性原则，重要性程度小的指标就没有选取的必要。因此，本文对AHP赋权模型进行归一化改进，只设置重要性程度“相同”和“稍微大”这两种等级，然后以此作为基础递进乘积分析。

重要性程度“相同”在数量上的大体概念是指诊断指标之间的差别在工程计算的允许误差10%之内，即可以认为两相互比较指标的权重≈（0.9～1.1）∶1，可取标准值ω1∶ω2=1∶1；而重要性程度“稍微大”是指诊断指标指标间的差别小于等于1.5，即认为权重ω1∶ω2≈（1.1～1.5）∶1。从表1所示的各标度方法来看，“稍微大”的标度分别为3、1.286、1.500和1.277，除1～9标度法关于“稍微大”的标度值过大外，其余3种标度法的标度值均在1.1～1.5之间，为此，对“稍微大”的标度值可取为后3种标度法的平均值，即：ω1∶ω2=1.354∶1；当两两比较的指标对上一层的重要性程度用“稍微大”还不足以反映时，可以用多个“稍微大”来反映，具体用乘积法实现，如当认为A与B之间的重要性差异比“稍微大”还要“稍微大”时，可取ωA∶ωB=（1.354×1.354）∶1=1.833∶1，归一化后权重为ωA∶ωB=0.65∶0.35，余此类推。

表1 AHP法的4种标度值

3 模糊综合诊断（FCD）法原理

建立模糊综合诊断模型的基本原理［3-8］：首先确定被诊断对象的因素（诊断指标）集U=和健康状况评价集。其中ui为各单项诊断指标，vi为对ui的评价等级层次。再用适当的方法分别确定各个诊断指标的权重及它们的隶属度向量，获得模糊评判矩阵。最后把模糊评判矩阵与诊断指标的权重集进行模糊运算并进行归一化，得到模糊综合诊断结果，运用最大隶属度原则确定被诊断对象的等级层次。

（2）根据n个因素的评判集，形成总的判断矩阵R。R为指标论域U到评语论域V的一个模糊关系，可表示成R=(rij)n×m的n×m阶矩阵。

（4）在单层分析的基础上建立多层次模糊综合诊断模型。首先按照一定的准则将各指标集划分成若干组子集Ui，i=1，2，…，k，针对每个子集，将单层次所构成的结果向量作模糊综合评判Bi=ωiRi，i=1，2，…，k，由Bi建立高一层次的综合评语矩阵：

（5）设U1，U2，…，Uk的权重向量为ω，，且满足，则高层次模糊综合诊断结果向量为：

由此从下向上逐层进行诊断，最终可以得到目标层（即混凝土坝的健康状况）的健康诊断值，对照健康状况评价集V即可确定混凝土坝健康状况所属等级。多层次模糊综合诊断示意图见图1。

图1 多层次模糊综合诊断

4 大坝实测性态健康的模糊综合诊断

4.1 健康诊断指标体系 本文以某混凝土重力坝为例，实测性态的诊断指标主要依据监测项目选取。本文以坝体及坝基“实测性态”子系统为例，建立如图2所示的某混凝土重力坝坝体及坝基实测性态健康综合诊断体系。

图2 大坝实测性态健康综合诊断体系

4.2 中间层诊断指标健康值计算 根据监测项目和监测数据精度确定“水平位移T11”、“垂直位移T12”、“裂缝T13”、“坝基扬压力T21”、“渗漏量T22”和“应变计应力T31”等底层诊断指标，实现对变形监测、渗流监测和应力应变等研究对象的实测性态健康诊断。

根据某混凝土宽缝重力坝的原型观测资料及结构正反分析报告［9］，对图2中底层诊断指标在2000年的情况进行评分，健康评价等级划分标准见表2，采用属于［0.0，1.0］区间的数值越大越健康的原则。定量诊断指标的度量是建立在已对各观测点的实测资料进行了单测点单项分析（如正分析、反演分析）基础之上的，定量诊断指标某个测点在时刻t的实测值与数学模型计算值的差值进行规格化分析得到诊断指标的健康值，具体计算过程可参考文献［10］，计算结果如表2所示。

4.3 诊断指标权重计算 本文采用第2节AHP法计算各底层诊断指标权重。结合某大坝监测仪器的布置概况和测量精度，可认为3个诊断指标对坝体与坝基实测形态的重要性程度为T1＞T2＞T3，则3个诊断指标的权重为：T1∶T2∶T3=1.833∶1.354∶1。归一化后权重为：

表2 实测性态综合诊断体系底层诊断指标健康值

根据表2各底层诊断指标的健康值，基于模糊综合诊断法，可求得中间层诊断指标的健康值，结果见表3。

表3 坝体及坝基实测性态中间层诊断指标健康值

4.4 坝体及坝基实测性态健康综合诊断 利用确定的某大坝坝体及坝基实测性态中间层诊断指标的权重，按式（3）计算大坝实测性态健康状况，可以得出：

因此，该大坝坝体及坝基实测性态的健康状况是健康。经过近10年的持续监测，大坝运行状况良好，计算结果与实际情况相符。

5 结语

针对混凝土坝健康影响因素多样且诊断指标带有模糊性的问题，本文基于模糊理论对混凝土坝健康综合诊断方法进行了深入研究，结合混凝土坝健康综合诊断的具体特点和诊断指标的选取原则，建立了某混凝土重力坝坝体及坝基实测性态健康综合诊断体系，结合混凝土坝健康综合诊断中各诊断指标的特点，利用改进的AHP法对诊断指标进行了权重分配，研究了模糊理论应用的可行性，并构建了混凝土坝健康模糊综合诊断模型，文末以某大坝坝体及坝基实测性态为例，运用模糊综合诊断法对其健康状况进行综合诊断，结果表明，模糊综合诊断模型能较客观地诊断混凝土坝的健康状况。

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The study on the concrete dam health comprehensive diagnosis based on fuzzy theory

TIAN Zhenhua1，2，WANG Song3，ZHU Zhaohui1，2
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China；2.Beijing IWHR Technology Co.，Ltd，Beijing 100048，China；3.Liaoning Provincial Department of Water Resources，Shenyang 110003，China）

Because the factors affecting the health of the concrete dam are various，Concrete Dam Health Comprehensive Diagnosis index system contains both quantitative indexes and qualitative indexes.Meanwhile，the qualitative index value is determined with fuzziness and the boundaries among concrete dam healthy levels are difficult to accurately define.Therefore，it can take advantage of fuzzy comprehensive diagnostic model to diagnose the concrete dam health.By determining the weight and subordinated degree vector of each diagnostic index，fuzzy judgment matrix was established.And according to the normalized fuzzy calculation of fuzzy judgment matrix and the weight set of diagnostic indexes，fuzzy comprehensive diagnostic results were obtained，which was the basis to determine the healthy level of dam being diagnosed.The calculation results of engineering example show that fuzzy diagnosis model calculation results are in conformity with the dam actual operation.Fuzzy comprehensive diagnosis model solved the fuzzy problem in dam health comprehensive diagnosis index system.

fuzzy comprehensive diagnosis；diagnosis index；subordinated degree vector； monitoring data

TV698.1

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.03.007

1672-3031（2016）03-0199-06

（责任编辑：王冰伟）

2015-11-02

北京中水科水电科技开发有限公司科研专项（JC-13-ZY-16）

田振华（1986-），男，河南濮阳人，硕士，工程师，主要从事水工结构安全监测研究。E-mail：tianzhenhua_126@126.com