基于改进层次分析法的辽宁某水闸安全性评价研究

2020-05-05王震

广东水利水电 2020年4期

王震

(大石桥市财政事务中心，辽宁大石桥 115100)

1 概述

水闸是水利工程中常见的建筑物，主要用来调控水位，实现防洪排涝、灌溉农田等功能，当前我国水闸分布较广，为我国的农业水利经济、电力发展提供了重要的保障[1]。但不可忽视的是，部分水闸建设运营周期较长，已出现水位调控不稳定、结构滑移等问题，因而及时排查病患水闸，对其作出修缮、拆除重建的举措，是当前水利工程领域中一个较为突出的课题。针对水闸安全性评估排查，国内外已有诸多学者进行过相关研究[2-5]，极大丰富了水闸安全性评估研究领域。层次分析法作为一种定量评估方法，亦在众多领域中得到应用，例如地质普查、能源行业、土木工程等行业[6-8]。同样，水利工程领域中，引入层次分析法理论，定量描述工程性质，准确评估项目性能，可为经济社会的发展提供重要保障。本文基于改进层次分析法理论，对某水闸工程开展安全性评估研究。

2 改进层次分析法的水闸安全评价理论

2.1 改进层次分析法理论

传统层次分析法主要聚焦于不同矩阵系列下的差异化判别，采用1～9为权重比例，常常会出现较为难以掌控的差异性结果，操作及比较分析存在一定的困难。笔者将针对传统层次分析法进行改进，利用简化后的0.1～0.9为权重分配标准[4-5]，标准矩阵采用模糊归一化矩阵作为评判计算式，获得各个指标最优化后的权重解。

2.1.1权重分配

0.1～0.9的权重分配区间可以避免在矩阵解无法找到的情形下，更好进行归一化，获得各指标之间的对比方案。笔者认为针对不同指标数量，进行0.1～0.9权重区间划分是很有必要的，依据工程实际，考虑采用0.1、0.5、0.9的单行值进行指标权重分配，0.5作为中间值，表征了两个指标处于同等重要位置，0.1与0.9分别指代了其中一个指标更重要的状态。

2.1.2模糊归一化矩阵

模糊矩阵作为指标权重进行计算的重要工具，首先需要构建起适用于各指标下的评判矩阵，依据改进层次分析法的权重比例[9-10]，获得评判矩阵W：

W=(wij)m×m

(1)

(i，j=1，2，…，m)

式中wij为权重比值。

再对评判矩阵W求解平均值，得到第m行代表的指标参数的平均解，如下式：

(2)

式中Wi为矩阵W的第i行元素平均值，wij为矩阵W的第i行元素，i，j=1，2，…，m。

模糊归一化是为了将各指标参数从定性角度转变成定量评价，且各指标参数基于同一评价基准线对比，模糊化处理各指标参数的平均值，得矩阵G：

(3)

G=(gij)m×m

(4)

式中gij为矩阵G的元素，i，j=1，2，…，m。

列向量的归一化处理，得到:

(5)

矩阵的归一化需要一个和向量，根据各指标参数的分布，采用模糊矩阵的行向量为求和体，得到下式：

(6)

(7)

进而，获得各权重向量的归一化矩阵:

r=(r1，r2，…，rm)T

(8)

(9)

式中r为权重向量矩阵，ri为权重向量矩阵中的元素。

2.1.3确定指标参数权重值

由于进行某项工程项目的的安全性评价时，会包括各个专业方向的专家进行独立评估，因而，需要将各专家权重向量进行求和加权，最终获得指标参数的权重值。

r′=λr

(10)

(11)

式中λ为权重比例系数，r′为综合权重矩阵，t为评估专家人数。

2.2 水闸安全指标

水闸安全指标主要可以分为三个大类：表征水闸设计参数的稳定性指标N、表征水闸功能正常使用的适用性指标、表征水闸结构材料使用寿命的耐久性指标。

水闸稳定性指标N涉及到抗洪性能N1、抗渗性能N2、抗滑性能N3、抗倾覆性能N4、承载力性能N5、结构完整性能N6、闸顶结构稳定性能N7、消能防冲性能N8。根据不同性能参数分别划分出所占大类指标的权重区间。以抗洪性能N1为例：

(12)

式中Mr为实际洪潮最大叠加期；Md为设计洪潮最大叠加期。

另一方面，依据抗洪性能参数N1划分出水闸抗洪性能等级，并获得针对抗洪性能参数的权重比(见表1所示)。

表1 抗洪性能参数的权重比

依据二次函数插值法L=x2获得各个性能等级下的评分值，如正常性能与病变性能下评分值分别可用下式计算：

(13)

式中 3、0.16、2.65、0.35为二次插值计算系数，0.95、0.9为表1中抗洪性能参数权重边界值。

因而可获得三大安全指标中各个子指标的具体评分值，这些子指标评分值分别是三大安全指标在各自控制范围内的权重体现。

2.3 水闸安全评价

三大安全指标分别联系各自控制的子指标评分值与子指标所占权重，即可获得三大安全指标的评分值，联系三大安全指标自身占水闸安全评价的权重比，即可获得水闸安全评分值，采用函数形式表达如下：

(14)

表2 安全评价等级

依据所得的安全评分值结果，结合表2中安全等级划分，即可获得水闸的安全性评价结果。

3 工程概况

某水闸工程位于辽宁省某滨海城市的挡潮海堤，闸顶设计高程为4.85 m，宽为3.75 m，涵闸材料采用的是C30混凝土，与海堤连接构成稳固的水闸上下游护闸墙，闸墩墙厚达0.55 m，设置水闸孔尺寸为1.8 m×2.1 m矩形。在水闸底板处设置有挡潮的可旋转式门板，尺寸为1.5 m×1.8 m，根据水闸顶长度共均匀划分24个挡潮门板。水闸两侧临海与临江，坡度均为1:1.1，坡面采用绿色护坡，植被网交错在钢筋网格中，设计进水流量为267 m3/s，以10年一遇水位标准设防，最高潮水位为1996年的3.7 m，属中型水闸Ⅲ等工程施工设计。该水闸作为滨海区域的挡潮闸，保护附近农田面积为280.66 km2，控制河流水位长为10.2 km，闸顶整平填土夯实后，作为乡村公路，联通着河流两岸村民之间的往来，是一座名副其实的功勋水闸。

但近几年，滨海线往内陆慢移，水闸受海水冲刷侵蚀，涵闸混凝土材料受损严重，水闸防洪能力大大减弱，在日积月累的海潮冲刷下，涵闸稳定性能及正常功能大打折扣；另一方面，水闸安全稳定性对闸顶的乡村公路安全行驶也是巨大的威胁。根据本项目实地勘察发现，该水闸抗渗性能、涵闸结构稳定性、两翼护坡墙、挡潮门板性能等部分均出现问题，为了更好了解水闸具体的修缮方向，首先需要对该水闸安全性开展评估。

4 改进层次分析法在某水闸安全评价中的应用

4.1 构建评价指标

根据改进层次分析法理论，笔者将水闸安全性定为第一层面指标，用Q指代；将水闸安全性指标涵盖的稳定性指标、适用性指标及耐久性指标视为第二层面指标，分别用N、S、F指代；将第二层面的三大类指标各自所涉及的基础指标视为第三层面指标，其中稳定性指标包括的基础指标已在前文指出，适用性指标包括水闸相对过水能力S1、相对漏水情况S2、系统控制能力S3，耐久性指标包括水闸材料砂浆强度F1、平均碳化深度F2、材料损失率F3、水闸管理维护能力F4，这些均视为第三层面指标。基于思维导图模型，获得评价指标的组织示意(如图1所示)。