基于模糊层次聚类的混凝土坝安全监测系统评价指标研究1

成荣亮，王伟龙

（1. 南京水利科学研究院，江苏省南京市 210029；2. 水利部大坝安全管理中心，江苏省南京市 210029；3.河南科光工程建设监理有限公司，河南省郑州市 450003）

基于模糊层次聚类的混凝土坝安全监测系统评价指标研究1

成荣亮1，2，王伟龙3

（1. 南京水利科学研究院，江苏省南京市 210029；2. 水利部大坝安全管理中心，江苏省南京市 210029；3.河南科光工程建设监理有限公司，河南省郑州市 450003）

完备可靠的安全监测系统对及时全面掌握大坝状态具有重要作用，目前不少大中型水库安全监测系统或因施工期成活率或已运行后出现部分设备老化、监测仪器损坏等现象，失去其大坝安全的“耳目”作用。为了系统地了解监测仪器的运行状况和评价现有监测设施的测值是否正常，就需对安全监测系统进行全面评价和鉴定。为此，本文利用层次分析法研究了混凝土坝监测系统评价指标体系及量化方法，分析了指标集、评价集和指标权重，构建了模糊评价模型，对西溪混凝土坝的安全监测系统进行了模糊综合评价，实例分析表明，评价结论符合工程实际。

混凝土坝；安全监测系统；评价指标；模糊聚类法；层次分析法

1 概述

目前，全国共有水库98002座（不含港澳台），其中大型水库756座，中型水库3938座，小型水库93308座[1]。水库是关系国计民生的重要基础设施，在防洪、供水、发电、航运、环境与生态保护等方面发挥着无可替代的巨大作用[2]。20世纪90年代以后，我国大中型水库工程普遍开展了大坝安全监测工作，有条件的重要小型水库也积极组织安全监测工作。水利部大坝安全管理中心对我国394座水库开展的问卷调查，调查显示334座建立了大坝安全监测系统（占85%）[3]。总体上看，大坝安全监测工作受到广泛重视。

然而，不少大中型水库安全监测系统或因施工期成活率，或已运行后出现部分设备老化、监测仪器损坏等现象，失去其大坝安全的“耳目”作用[4]。目前，由于缺少相应安全监测仪器现场检测、系统可靠性评价和监测资料合理性分析方法和相关技术标准[5]，造成已建成的大坝安全监测系统运行状况无法掌握，给大坝的安全运行带来许多盲区和隐患，甚至误导水库运行调度和决策。同时，不可靠的系统和不合理的测值极大地制约着水库现代化、科学化管理水平发展，影响到水库社会和经济效益的发挥，甚至会造成水库大坝失事的严重后果，给当地经济和社会造成重大损失。要改变这种无章可循的现状，需要对大坝安全监测系统可靠性评价进行系统深入的研究。为此，本文对混凝土坝安全监测系统鉴定评估指标体系和评估模型进行了研究。

2 指标体系设计

2.1 指标体系建立

依据《混凝土坝安全监测技术规范》（SL 601—2013）、《大坝安全监测仪器安装标准》（SL 530—2012）、《大坝安全监测系统验收规程》（GB/T 22358—2008）等规程，建立如图1所示的指标体系。评价指标分为三层，第一层为总指标层；第二层为子评价层包括环境量监测（X1）、变形监测（X2）、渗流监测（X3）、应力应变及温度监测（X4）和专项监测（X5）等五个指标；第三层包括18个指标，详见图1。

图1 混凝土坝安全监测系统鉴定指标体系Fig.1 Appraisal index system of concrete dam safety monitoring system

2.2 指标的量化方法

指标体系第三层的每个指标是对应一类或几类监测仪器，如坝体变形——引张线、正垂线、倒垂线、渗流量——量水堰。需先对第三层指标包括的仪器进行工作状态检测，采用经计量认证有效的读数仪、VWP频率计、位移计读数仪、万用电表、兆欧表、电缆检测仪[6]等对所有监测仪器进行现场检测[5]。

依据工程实际和便于监测系统管理，将混凝土坝监测仪器的工作状态分为正常、留待观察和报损三大类，具体见表1。对仪器的工作状态赋分为：A1类1.0分，A2类0.9分，A3类0.8分，B类0.6分，C1类0.4分，C2类0.2分。在得出各支仪器得分后，汇总得出相应指标的赋分。实际工程中往往会存在第三层指标未进行仪器布设的情况，对此类指标参照留待观察状态均赋0.6分。

表1 仪器工作状态分类依据及赋分说明 [5]Tab.1 Instrument working condition classification basis and assign points[5]

3 混凝土坝安全监测系统模糊评价模型建立

3.1 确定指标权重

为了建立混凝土坝安全监测系统模糊评价模型，需要先确定指标集以及相应的评价集，并确定指标权重。

首先确定指标集，第一层评价指标集：X={X1，X2，X3，X4，X5}，第二层为子评价指标集，具体见图1；其次确定评价集V={V1，V2，V3，V4}={完备性好，完备性较好，完备性一般，完备性差}；最后采用专家估计法确定评价模型的指标权重向量，记为A。

3.2 建立评价关系矩阵

将混凝土坝安全监测系统完备性定义为[0，1]，评价集 Vj划分为的 4 个区间，[0，0.6]，[0.6，0.8]， [0.8，0.9]，[0.9，1.0]。本文对评价进行模糊化处理，利用图2所示的线性隶属函数，对某个指标的具体数值以不同的隶属度分属于不同的模糊集合Vj和Vj+1（j=1，2，3）[7]。

对图2所示的隶属函数表达如下：

图2 rvj的线性隶属函数Fig.2 rvj Linear membership functions

利用上文所述隶属度函数对每个指标进行计算的混凝土安全监测系统评价关系矩阵

3.3 模糊综合评价模型

用权向量A将评价关系矩阵R不同的行综合，得到该被评事物从总体上来看对各评价子集的隶属程度，即模糊综合评价结果向量B。用数学语言表达三者之间的关系为：B=A*R（*为算子符号），称之为模糊变换。

4 工程案例

4.1 工程基本情况

西溪水库工程是浙江省的一座以防洪、供水为主，结合灌溉、发电等综合利用的中型水库，由拦河坝、溢洪道、引水系统及发电厂房等组成[9]。拦河坝布置在沙地峡谷口地段，为碾压混凝土重力坝，引水系统和发电厂房位于河床靠左侧岸。水库坝址以上控制流域面积95.64km2，多年平均流量3.46m3/s，年径流量1.09亿m3。工程为Ⅲ等中型工程，拦河坝、泄洪建筑物及引水建筑物为3级建筑物，按100年一遇洪水设计，设计洪水位152.02m，1000年一遇洪水校核，校核洪水位152.45m。大坝安全监测仪器于2006年12月23日开始安装，2007年6月28日全面投入使用，西溪水库大坝安全监测平面图见图3。

西溪水库大坝共安装埋设了94支/套观测仪器，另有41支坝体温度计采用人工观测，仪器汇总见表2。监测系统已经运行约十年，目前西溪水库的监测部分仪器出现老化损坏、测值不稳现象，如测缝计J1、J3、J5和J7已经损坏、引张线系统基本不可用等，影响了监测资料成果分析，再加上自动化采集与分析系统功能不完备等，不能掌握大坝运行状态，有必要对该系统进行全面地更新改造[10-11]。

图3 西溪水库大坝安全监测平面布置图Fig.3 Layout of Xixi reservoir dam safety monitoring

表2 西溪水库安全监测仪器汇总表[9]Tab.2 Summary table Xixi reservoir safety monitoring instrument[9]

4.2 模型计算

依据西溪水库工程的具体情况，在综合有关专家意见的基础上，确定各指标权重如下：

首先向西溪水库管理人员了解安全监测基本情况，并收集仪器的安装埋设原始资料和历史观测数据，并通过现场检测汇总出目前西溪水库安全监测各仪器工作状态[6]。然后利用前文指标量化方法算出子评价集的得分，通过加权平均法算出评价集得分X=（0.6375，0.5496，0.8640，0.6938，0.6000）。 再 利用隶属度函数得出西溪水库大坝安全监测系统评价

4.3 模型测试结果与分析

由上文可知，max（bi）=b2，故西溪水库安全监测鉴定等级为V2级，完备率一般。结果与《浙江省宁海县水库大坝安全监测资料分析与系统鉴定》审查意见基本一致，建议尽快开展大坝安全监测自动化系统改造完善工作。实例表明本文提出的指标体系和评估模型是合理的。

5 结束语

本文利用层次分析法研究了混凝土坝监测系统评价指标体系及量化方法，分析了指标集、评价集和指标权重，构建了模糊评价模型，以西溪混凝土坝的安全监测系统作为实例，验证表明构建的评价模型是合理的，为混凝土坝安全监测系评价和统鉴定工作提供一个可靠的评价模型。但需要进一步的研究来完善：

（1） 利用层次分析法研究了混凝土坝监测系统评价指标体系及量化方法，主要依据《混凝土坝安全监测技术规范》（SL 601—2013）来制定，指标的选取和体系架构是合理的，但后面还需要大量的论证和测试来改善此体系。

（2）以浙江省西溪水库一座水库为例，计算的成果与实际相符，是否具有普适应性并未进行验证，所以需要通过大量已鉴定水库或应用实例来验证和完善现有模型。

（3）仅对混凝土坝大坝安全监测系统鉴定指标体系和评估方法研究，对于其他坝型安全监测系统评价后面还需进一步研究。

[1] 中华人民共和国水利部，中华人民共和国国家统计局.第一次全国水利普查公报[EB/OL]. http：//www.mwr.gov.cn/2013pcgb/index.html

[2] 南京水利科学研究院，水库大坝安全管理标准关键要素研究[R].2014

[3] 南京水利科学研究院，大型水库调度规程、大坝安全管理应急预案和大坝安全鉴定工作情况调查报告[R].2015.

[4] 南京水利科学研究院，大坝安全监测系统评价与验收标准研究[R].2010.

[5] 刘成栋，马福恒，向衍，等.大坝安全系统鉴定及其软件研制[J].水利学报，2007，10：214-218.LIU Chengdong，MA Fuheng, XIANG Yan，et al.Appraisal of Safety Monitoring System of Dam and Development of the Software[J]，Jourral of Hydraulic Engineering，2007，10 ：214-218.

[6] 徐丙垠，李胜祥.通信电缆线路故障测试技术[M].北京：北京邮电出版社，2000，25-45.

[7] 王志涛，江超，姜晓琳，等.基于模糊理论的土石坝风险综合评价方法[J]，水利与建筑工程学报，2011.9（2）：27-30，105.WANG Zhitao，JIANG Chao，JIANG Xiaolin，et al. Research on Comprehensive Evaluation Method for Risk of Earth-rock Dam Based on Fuzzy[J]. Logic Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2011，9（2）：27-30，105.

[8] 王艳艳，李欣，刘祥锋，等.基于模糊数学的小水电站状态评估[J]，水力发电，2008.34（1）：95-97 .WANG Yanyan， LI Xin，LIU Xiangfeng，et al. Condition Assessment of Small Hydropower Station Based on Fuzzy Mathematics[J]. Water Power， 2008，34（1）：95-97.

[9] 水利部大坝安全管理中心，浙江省宁海县西溪水库工程大坝安全监测系统更新改造设计[R].2016.

[10] 张勇，李子阳，马福恒，等.西溪水库大坝安全监测仪器可靠性评价[J]，浙江水利水电学院学报，2015，27（3）：22-27.ZHANG Yong，LI Ziyang，MA Fuheng，et al.Reliability Evaluation on Dam Safety Monitoring Instrument of Xixi Reservoir[J].Zhejiang University of water Resourles＆ Electric Power，2015.27（3）：22-27.

[11] 高岚，杨志峰，李艳，花胜强.基于组态的大坝安全监测任务系统[J].水电与抽水蓄能，2015，1（3）：26-28.GAO Lan，YANG Zhifeng，LI Yan，HUA Shengqiang.Customizable Dam Safety Monitoring Mission System[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（3）：26-28.

Research on the Evaluation Index for Concrete Dam Safety Monitoring System Based on Fuzzy Hierarchy Clustering and AHP

CHENG Rongliang1，2，WANG Weilong3
（1. Dam Safety Management Department of Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210029，China；2.Dam Safety Management Center of the Ministry of Water Resources，PRC，Nanjing 210029，China；3.Henan Keguang Project Construction Supervision Co.Ltd，Zhengzhou 450003，China）

Complete and reliable safety monitoring system plays an important role in the comprehensive and timely grasp of dam safety behavior. At present some large and medium-sized reservoirs safety monitoring system lost their “eyes and ears” function of the dam safety， because of the low survival rate during the construction or a number of the aging equipment and the damaging monitoring equipment after operation. In order to systematically master the operation condition of the monitoring instrument and evaluate whether the measured values can really reflect the actual situation of the dam， we need to conduct a comprehensive evaluation of the dam safety monitoring system. Therefore， in this paper， we study the evaluation index system of the concrete dam monitoring system and its quantitative methods using the AHP， analyzing the index sets， evaluation sets and index weight， building a fuzzy evaluation model， doing fuzzy comprehensive evaluation of the safety monitoring system for XiXi concrete dam， testing show that the evaluation conclusion accords with the engineering practice.

concrete dam； safety monitoring appraisal； evaluation index； fuzzy clustering method ； AHP

TV TV698.1

A

570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.015

国家自然科学基金资助项目（编号：51139001）；水利部公益性行业科研专项经费（201401022、201501036）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（Y715009、Y715012、Y715018）；河南省水利科技攻关项目（GG201532、GG201546、GG201656、GG201657）。

The National Natural Science Foundation of China (No.51139001); Ministry of Water Resources Public Industry Research Special Funds for Projects （201401022，201501036）；The Central Level, Scientific Research Institutes for Basic R & D Special Fund Business （Y715009，Y715012，Y715018）；Henan Province Water Conservancy Science and Technology Research Projects（GG201532，GG201546，GG201656，GG201657）.

2016-08-29

2016-10-13

成荣亮（1988—），男，工程师，硕士，江苏如皋人，主要研究方向：水利工程安全评价与安全监控研究工作，E-mail：rlcheng@nhri.cn