基于层次分析法的土坝量化安全评价体系与方法

王腾

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122）

基于层次分析法的土坝量化安全评价体系与方法

王腾

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122）

对土坝的安全性进行分析，提出了基于层次分析法的土坝安全评价体系，其包含了3个3级模型，2个子级模型。从结构和渗流角度构建了土坝的安全评价体系与方法，提出了一种量化的安全值评价法，以一个算例进行了方法分析，得出了安全管理的重点指标与量化安全值。

土坝；稳定性；层次分析法；安全管理；安全评价；重点指标

由于日常管理的疏忽，对土坝的小险情未能及时发现和处理，导致重大事故的发生已屡见不鲜［1-3］，因此有必要构建一种全面的土坝安全管理体系与安全评价方法，而目前关于土坝安全管理体系方法的研究文献较少［4-5］，与其有关的安全系数法，与安全管理体系仍有较大区别，用于安全管理适用性较差。安全系数法是从结构角度考虑土坝的稳定性，对渗流视角考虑较少，而对于土坝安全管理体系的构建，则需要全面地考虑土坝的结构与渗流。

基于从稳定性角度对土坝安全管理体系进行构建，是一种基础视角，该视角是除了“人的因素”以外的较全面的视角，基于此，可以较全面地构建一种非人管理因素以外的较全面的安全管理体系，因此该安全评价管理体系，暂不考虑人为因素。

1 3个3级安全评价指标体系的建立

基于土坝的稳定性视角，从土坝的安全性角度出发，下向建立层次分析模型，即由顶上事件往下逐渐建立分析模型，以土坝的安全性能差为顶层设计事件，认为土坝安全性差的原因是土坝的稳定性差，因此以土坝的稳定性差为中层设计事件，认为引起稳定性差的因素分为结构失稳因素和渗流失稳因素，将其设为下层事件。土坝安全性能层次模型的上层模型如图1。

图1 上层模型

土坝安全性能层次模型的下层模型，即对结构失稳和渗流失稳的分析模型，分别如图2和图3。

由图2可知，对于结构失稳模型，认为结构失稳由坝体因素和坝基因素导致。下层对中层与中层对上层的致因皆为“且”的关系。子指标符号标示在图2中。

图2 结构失稳模型

由图3可知，对于渗流失稳模型，认为渗流失稳是由坝体因素、坝基因素、渗体周边衔接因素三者导致。其中，下层对中层与中层对上层的致因皆为“且”的关系。子指标符号标示在图3中。

图3 渗流失稳模型

图1，图2，图3即为土坝安全评价的指标体系，即3个3级模型，模型以事故致因的逻辑顺序进行，由顶上事件逐层向下展开因素，即下向展因。而在分析时，是由下往上分析，故为上向分析。

2 基于层次分析法的安全评价值法

采用层次分析法对上述层次模型进行分析，层次分析法由因素集和评价集组成［6-7］。层次分析法AHP基于式（1）～式（4）：

式中 R为因素集与评价集之间的关系矩阵；rij表示第i（i=1…n）个因素对第j（j=1…n）种评语的可信程度。

多层次综合评判的数学模型见式（2）。

式中 A为层次矩阵；B为权重指标矩阵。

对于建立的3级模型，先进行第3层的运算，分别得到Bij=Aij·Rij，即：

按照式（4），进行AHP分析，即可得到个层次的权重Bm。

基于以上层次分析法的原理，可定义一种量化的安全评价方法，该方法的公式为：

将S定义为该层次的安全值，同时，将该安全评价方法称为安全值法，以S值的大小评定层次的安全程度，以此达到量化效果。该方法是一种权重相乘的归一化方法，其设计来源于可靠性理论工程的复杂系统理论，即同等情况下，复杂系统的安全度要小于简单系统，波动较大的系统安全度要小于波动较小的安全度，即越稳定，安全性越高，基于该原理对土坝稳定性方面安全评价的设计可以进行量化的土坝安全评价。

3 实例计算与安全评价

基于以上公式，以某水库土坝为例，进行计算。该水库的具体参数情况见参考文献［8］，将其中的参数及相关比较原则代入以上公式得表1、表2。

表1 结构失稳层次分析法权重

表2 渗流失稳层次分析法权重

对以上层次分析法所得的权重作为安全评价参考。

3.1 水库土坝结构失稳

从表1可以看出，筑坝材料因素F1是最易引起土坝结构失稳的因素，在安全评价中，应尤其重视该指标，对于筑坝材料应投入人力物力，监管其可能发生的缺陷与问题。除此之外，还应重视不利地形因素F7，该因素易引发坝基失稳，在安全评价中，应将不利地形作为一个重要的指标进行评价。而结构失稳的其他因素虽然权重指标比F1和F7低，但其权重值仍然较高，需做好各项指标的安全防护，但应有针对性的重视筑坝材料和不利地形因素。

3.2 水库土坝渗流失稳

从表2可以看出，防渗体与坝壳间反渗层的设置因素f1是最易引起渗流失稳的因素，在安全评价中，应尤其重视该指标，对于防渗体与坝壳间反渗层的设置，应投入人力物力去监管。除此之外，从表2可以看出，坝体因素对渗流失稳的影响较大，坝体失稳的5项指标在引起渗流失稳的所有指标排名占据前5名，因此，从安全评价角度考虑，要对坝体因素高度重视。

基于安全值法，即根据式（5）对上述结果进行安全评价可得：对于水库的结构失稳，所得安全值为0.1145，对于水库的渗流失稳，所得安全值为0.02484，由此可以看出，结构失稳的安全程度要大于渗流失稳，这是由于渗流失稳影响因素多，属于复杂系统，且其稳定性差，波动性大的原因，由此，其安全程度必然小于结构失稳的安全程度。

基于该例，构建了一种安全评价体系，细分了内部指标的安全程度，并从总体上对两大类的安全程度进行了量化的评估，因此，该文提供了一种既可以微观细分又可以宏观量化的安全评价体系与方法。

4 结语

（1）提出了一种基于土坝稳定性视角的土坝安全管理体系与评价方法，其考虑了土坝的结构失稳和渗流失稳，建立了3个3级层次模型。

（2）提出了一种量化的安全值评价方法，结合案例，对所建立的土坝安全管理体系进行了权重分析与安全值分析，以所得结果作为安全评价的参考。

（3）得出了筑坝材料F1是最易引起土坝结构失稳的因素；坝体失稳是最易引起渗流失稳的因素。从安全评价角度考虑，要引起高度重视。

［1］赵玉芹，贾忠清，黄九权，等.平原水库大坝安全监测［J］.水科学与工程技术，2010（5）：76-78.

［2］龙起华，石自堂，王磊.紫檀冲水库劈裂灌浆时主坝塌陷分析［J］.陕西水利，2011（4）：73-74.

［3］许尚杰.土坝的耐久性与安全评价方法研究［D］.西安：西安理工大学，2010.

［4］安健，李慧敏.基于物联网技术与云技术的大坝安全管理［J］.水利建设与管理，2015（6）：57-60.

［5］魏海，沈振中.土坝渗透稳定可靠性分析方法及应用［J］.岩土工程学报，2008，18（9）：1404-1409.

［6］申志东.运用层次分析法构建国有企业绩效评价体系［J］.审计研究，2013，12（2）：106-112.

［7］刘江.基于层次分析法的企业运输方式的选择［D］.北京：对外经济贸易大学，2006.

［8］许尚杰.土坝的耐久性与安全评价方法研究［D］.西安：西安理工大学，2010.

（责任编辑：尹健婷）

The evaluation system and method of the dam safety quantity based on the AHP evaluation method

WANG Teng
（East China Investigation and Design Institute of China Electric Power Construction Group Co.，Ltd.，Hangzhou 311122，China）

Security analysis is taking on based on stability view angle of earth dam，a dam safety evaluation system and method is proposed based on analytic hierarchy process，which contains three-threemodels and two sub grademodel，the safety evaluation system and method of the earth dam seepage angle is from the structure and construction，at the same time，the analysis of AHPweights is taking on in one case，the key indicators of safetymanagement can be as a guide for the safetymanagementofwater conservancy construction.

dam；stability；AHP；safetymanagement；safety evaluation；key indicators

TV698

：B

：1672-9900（2017）04-0003-04

2017-03-21

王 腾（1980-），男（汉族），山东滨州人，本科，主要从事工程管理方向研究，（Tel）13750859691。