基于未确知测度及层次分析法的土石坝安全综合评价

费小霞，李 乾，李 锋

(1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州450002；2.华北水利水电大学，河南郑州450011)



基于未确知测度及层次分析法的土石坝安全综合评价

费小霞1，李 乾2，李 锋2

(1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州450002；2.华北水利水电大学，河南郑州450011)

从决策者的主观角度考虑，针对决策者在土石坝的风险因素间比较判断中的主观性和未确知性，建立了基于未确知测度及层次分析法的土石坝安全综合评价模型，并以洪河水库土石坝工程为例，验证了该模型在评价过程中的合理性及有效性，为土石坝安全管理决策提供了一种新的方法。

土石坝；安全综合评价；未确知测度；层次分析法

我国是世界筑坝大国，在已建成的水库大坝中，土石坝所占比例达90%以上[1]。受不同时期技术、经济、环境等不确定性因素的影响，相当一部分运行多年的土石坝产生了各种病险隐患。近年来，我国开始对病险水库分批次地进行除险加固工作。为了保证除险加固资金的合理分配及有效使用，必须对水库病险状况进行科学准确的判断，区分清轻重缓急，分期分批合理投入。因此，必须全面了解大坝安全现状及存在的问题，对大坝进行科学、合理的安全综合评价，采取相应措施保障大坝的安全运行，以降低或消除水库溃坝的风险。梅亚东、谈广鸣[2]从防洪安全、防洪风险标准等方面对大坝的防洪风险进行了研究；李玉钦[3]利用ANP建立了水电工程综合评价模型，讨论了基于费用、进度、质量的安全综合评价体系；刘亚莲、周翠英[4]将模糊数学运用到了水库的安全综合评价中；王仁钟、李雷等[5]通过对多个水库的调查分析，在溃坝风险标准方面提出了见解。由于许多风险因素难以用定量方法计算，各个因素的权重受人为因素的影响较大，往往由于决策者的风险偏好而改变评价结果，使现有的安全综合评价方法的应用受到限制。

王光远院士从决策者的主观偏好出发，提出了未确知性这种数学分析方法[6- 7]，认为事物本身是客观存在的，但由于决策者受自身认知能力的限制，不能完全把握事物真实状态和数量关系，产生纯主观认识上的不确定性即为未确知性。本文利用未确知理论和层次分析法，建立土石坝工程安全综合评价模型，以期对土石坝进行客观评价。

1 土石坝安全综合评价指标体系

1.1 评价指标体系建立

影响土石坝安全运行的风险因素复杂多样。就坝体本身来说，有材料性能、量测信息、几何尺寸及荷载等多种影响因素；就工程运行而言，还有问题反馈、信息传递等主客观影响因素。这些因素都会对决策的正确性有所影响。安全评价指标体系是土石坝系统安全评价成果科学、合理、可靠的关键，需要遵循科学性、代表性、可操作性及定性定量相结合的原则拟定安全评价指标，由此建立安全评价指标体系。本文结合SL 176—2007《水利水电工程施工质量检验与评定规程》和SL 258—2000《水库大坝安全评价导则》，建立了土石坝安全综合评价指标体系，其框架结构见图1。

图1 土石坝安全综合评价指标体系框架结构

1.2 评价指标等级划分

依据SL 258—2000和能源电[1988]37号文《水电站大坝安全检查实施细则》，大坝综合评价结果分为正常坝、病坝、险坝3类，并且均有相应说明。由于相关规范中正常坝的划分范围很宽，有时会将能够正常运行但局部存在风险因素的大坝涵盖进去。考虑到土石坝安全综合评价结果的可靠性，本文参考文献[8]，将安全评价集分为正常、基本正常、轻度异常、重度异常、恶性异常等5级，相应的安全评价等级向量T=(t1、t2、t3、t4、t5)。

2 实例分析

巩义市洪河水库位于伊洛河支流，属小(1)型水库，控制流域面积13.2 km2，总库容258万m3，现状坝顶高程39 m，至今已运行50余年。现场调查发现存在坝体渗漏，库区严重淤积，防洪标准不足，输水渠道老化坍塌，无水文预报系统，水位、流量观测设施陈旧落后等一系列问题。

2.1 划分指标并确定指标权重

采用层次分析法(AHP)确定指标权重。层次分析法依据直接优势度原则获得判断矩阵，即在同一准则下元素间两两比较，一般采用风险因素两两比较并赋分的1～9标度法来估计因素之间的相对重要性。B层的判断矩阵A为

式中，aij为以A层为判断准则，B层要素i对要素j的相对重要度。为了避免风险因素两两比较时存在a>b,b>c,c>a这样的逻辑错误，排序完成后需要进行一致性检验。

上述步骤完成后，求出判断矩阵的特征值及特征向量，公式如下

式中，wi(i=1,2,…,nb)即为所求权重值。

根据以上步骤，计算得到各指标权重(见表1)。

表1 各指标权重

风险因素权重风险因素权重坝基质量0054防洪能力0093坝体填筑质量0069坝体变形0062生物隐患0025背水坡滑坡0056坝坡完整性0063库岸稳定0037泄洪建筑物质量0066异常渗流0059防渗体等级0024排水设施0090调度管理0039渗流坡降0016现场检查0042暴雨0044养护维修0055金属结构0033泄洪安全0060地震0013

2.2 单指标测度确定

土石坝安全综合评价指标分为定性指标和定量指标2种。其中，定量指标可以按照实测值及计算分析值，依据未确知测度函数进行计算；定性指标则是对土石坝的运行情况进行现场调研，由专家打分而得，打分值需要带入未确知测度函数进行处理。

定量指标以渗透坡降风险因素为例加以分析。采用实际出逸坡降与允许出逸坡降之比k=J实/J允。渗透坡降安全等级评价准则见表2。

表2 渗透坡降安全等级评价准则

评价系数K评价等级Tk≥13(k1)恶性异常(t5)k=12～13(k2)重度异常(t4)k=11～12(k3)轻度异常(t3)k=10～11(k4)基本正常(t2)k≤10(k5)正常(t1)

依照SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》中渗流计算的方法，对洪河水库进行渗流计算。从计算结果看，坝坡最大出逸比降在大坝填土允许值范围内。渗透坡降单指标未确知测度函数见图2。渗透坡降的单指标测度向量为(0.95，0.05，0，0，0)。

图2 渗透坡降未确知测度函数

定性指标以养护维修风险因素为例。养护维修是依据相关规范及水库管理部门的规章制度，对水工建筑物、闸门、机电设备、照明设施等进行经常性的养护工作，并定期进行检修，以保持工程完整和设备完好。养护维修单指标测度评价等级见表3。

表3 养护维修安全等级评价准则

管理现状X评价等级T大部分没有按要求执行20%(x1)恶性异常(t5)有较多部分没有按要求执行40%(x2)重度异常(t4)有少数几个没有按要求执行60%(x3)轻度异常(t3)上述内容基本能按要求执行80%(x4)基本正常(t2)上述内容均健全执行>80%(x5)正常(t1)

洪河水库工程维修养护和闸门启闭设施维护实行定岗、定人、定责的目标责任制管理。依据相关规范及规章制度，定期对大坝进行检查，对存在的隐患及时分析研究，并制定有针对性的解决方案。养护维修单指标未确知测度函数见图3。养护维修的单指标测度向量为(0.8，0.2，0，0，0)。

图3 养护维修未确知测度函数

通过对各个元素层每个风险因素的分析，最终得到洪河水库土石坝安全综合评价单指标未确知测度(见表4)。

表4 各个风险因素单指标未确知测度

风险指标恶性异常重度异常轻度异常基本正常正常坝基质量0901000坝体填筑质量007502500生物隐患0000307泄洪建筑物质量003506500坝坡完整性035065000防渗体等级0002080调度管理0000208现场检查情况0005050养护维修0000208泄洪安全0070300防洪能力00754024600坝体变形006603400背水坡滑坡10000库岸稳定007502500异常渗流045055000下游冲刷015085000渗透坡降000005095暴雨006403600金属结构033067000地震0000208

3 安全综合评价

土石坝安全综合评价未确知层次分析法模型是在满足归一性要求，同时评价空间有序分割的基础上判断土石坝安全等级，在一定程度上解决了模糊综合评价中最大隶属度原则会使评价结果有失真的可能性的问题，评价结果合理可信。

进一步有针对性的进行单个风险因子分析可知，大坝工程、溢洪道工程存在较大风险，其他因素风险相对较小。针对所存在的风险因素给出如下建议：

(1)建议尽快对主坝及溢洪道进行除险加固，对存在的问题进行处理，完善水库建筑物安全监测设施并加强观测。

(2)对金属结构进行维修或更新改造。

4 结 语

基于未确知测度及层次分析法的土石坝安全综合评价模型，将决策者对评价模型中的定性化风险因素的主观判断用数量及百分比的形式表达出来，并且评价空间的设置也满足“归一性条件”及“可加性原则”，评价过程及结果更加科学、合理，为土石坝工程的安全综合评价提供了一种新的方法和途径，具有一定的理论意义及实用价值。

[1]麻荣永. 土石坝风险分析方法及应用[M]. 北京： 科学出版社， 2004．

[2]梅亚东， 谈广鸣. 大坝防洪安全评价的风险标准[J]. 水电能源科学， 2002， 20(4)： 8- 10．

[3]李玉钦. 基于网络分析法的水电工程风险分析方法研究[D]. 天津： 天津大学， 2007．

[4]刘亚莲， 周翠英. 土石坝安全的模糊层次综合评价及其应用[J]. 水力发电， 2010， 36(5)： 38- 40．

[5]李雷， 王仁钟. 溃坝后果严重程度评价模型研究[J]. 安全与环境学报， 2006， 6(1)： 8- 10．

[6]王光远. 未确知信息及其数学处理[J]. 哈尔滨建筑工程学院学报， 1990， 23(4)： 1- 9.

[7]万玉成. 基于未确知性的预测与决策方法及其应用研究[D]. 南京： 东南大学， 2004．

[8]李清富， 龙少江. 土坝坝坡失稳风险分析[J]. 水利水电技术， 2006， 37(5)： 41- 44．

(责任编辑 杨 健)

Safety Comprehensive Assessment of Earth-rock Dam Based on Unascertained Measure Theory and Analysis Hierarchy Process

FEI Xiaoxia1, LI Qian2, LI Feng2

(1. Henan Water & Power Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450002, Henan, China; 2. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, Henan, China)

In view of the subjective and uncertainty of decision makers in risk evaluation of earth-rock dam, a safety comprehensive assessment method of earth-rock dam based on unascertained measure theory and analytic hierarchy process is established to evaluate the safety of earth-rock dam. Taking the earth-rock dam of Honghe Reservoir as study case, the rationality and effectiveness of model in evaluating dam safety risk are verified. This new model provides a new approach to the security management decisions of earth-rock dams．

earth-rock dam; safety comprehensive assessment; unascertained measure; analysis hierarchy process

2016- 04- 13

国家自然科学基金资助项目(51379192)

费小霞(1975—)，女，吉林通榆人，高级工程师，主要从事水利工程规划设计工作；李乾(通讯作者)．

TV641；X913

A

0559- 9342(2016)09- 0046- 04