水闸工程安全性综合评价

张 帅

(抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113000)

水闸属于一种低水头水工建筑物，多修建于滨海、水库、河道、湖泊和渠系等地区，因具有泄水和挡水功能为当前广泛应用的水利工程。二十世纪50—70年代为我国多数水闸的修建时期，水闸施工标准和设计方法受当时经济、技术等条件限制不尽合理，加之人为因素和污染、冻融、空气、水流及负荷等自然因素的长期作用，大多数水闸均出现了一定程度的病险和损坏情况，对水闸的安全运行造成严重的不利影响，所以科学评价水闸的安全运行状态极其重要。目前，常用的水闸安全性评价方法有系统决策法、标准比照评价法、专家系统与评估法等，其中系统决策法又可进一步分为灰色评估法、加权梯阶评价法和层次分析法等。由于水闸安全性评定存在专家主观性强、指标权重无固定标准和定性要素多等特征，以上方法通常无法系统、全面的体现水闸的真实状况。将信息熵理论和参数重要性分值相耦合的改进AHP法，能够考虑各参评因子的客观赋权和专家主观判断，实现定性参数的量化处理。鉴于此，本文以辽宁省某水闸工程为例，将模糊综合法和改进AHP法相耦合较为客观真实的评价了水闸的安全状态，可为水闸工程的除险加固设计及其服役寿命预测提供科学依据[1-7]。

1 水闸安全性综合评价体系

水闸安全评价涉及范围广、因素多，依据不同的内涵特征可将其大致分为主要素、次要素两大类，应尽可能地考虑主要因素反映其安全状况。本文结合现有文献资料和水闸安全鉴定相关规则[8-9]，按照梯阶层次框架构建水闸安全评价体系如表1。设定总目标为水闸整体安全水平，进一步将其分解为闸门启闭机、消能防冲、混凝土结构、抗滑稳定性、抗渗稳定性和其他6个子系统，结合水闸工程相关资料将子系统再分解为若干个要素，从而构造安全评价因子集Ai=(Ai1,Ai2,…,Aij)，运用改进AHP法构造相应的权重集为Wi=(Wi1,Wi2,…,Wij)。

表1 水闸安全评价梯阶层次框架体系

然后将综合评价结果按照水闸安全鉴定相关资料划分为A、B、C、D4个等级，各等级下的评估区间和评分阈值如表2。

表2 水闸安全评价等级划分

2 模糊综合评价模型

2.1 改进的AHP法

目前，综合赋权、客观赋权和主观赋权法为常用的权重系数求解的三大方法，为保证评价结果的可靠性运用改进AHP法获取综合权重。其中，1～9标度准则为传统AHP法构造对比矩阵的主要依据，若不同要素间的差异性较低则往往难以确定判断标度，同时赋权过程中易受人为因素的干扰，修正对比矩阵时易出现评判结果偏离实际情况、权重分配不稳定等问题。为解决以上问题，本文结合信息熵原理和参数重要性分值提出改进AHP法，对水闸安全性评判各要素权重运用改进AHP法求解，其主要流程为：

表3 专家评分判定准则

(1)

式中：wijk、eijk为评判专家k针对参评因子Aij赋予的权重值及其安全评分值；cik、hik为参评专家k赋予的客观权重和熵值。

(2)

2.2 模糊综合评价

在水利工程安全评价领域模糊综合法具有广泛的应用前景，结合以上综合权重值和专家评分构建模糊评价模型如式(3)所示：

B=w·R

(3)

通过普通的加权乘积运算获取水闸安全综合评价值，其运算法则为模糊算子，由此实现水闸运行的状态评价。

2.3 结果分析

采用具体的分值衡量各评价等级，由此实现模糊向量的单值化处理，然后运用加权平均法计算模糊数学评价的隶属度，选用最终的一个点值作为水闸安全评价的综合值。选取不同的分值x1、x2、…、xm作为m个评价等级赋分，则利用以下单值化公式获取模糊评价值如式(4)所示：

F=∑Bixi/∑Bi

(4)

最终，将水闸安全运行状态依据F值隶属的等级给予科学的评判，充分利用了模糊数据信息的向量单值化法兼顾了待评对象的整体特性，由此获取的评判等级可以系统、客观的反映水闸运行的真实情况。

3 工程实践

辽宁省某水闸工程完工于2007年8月，主要包括3孔钢筋混凝土涵闸，中孔为净宽12.0 m的通航孔，其顶板高程25.18 m，底板高程16.10 m，两侧景观人行孔净宽4.5 m。采用横拉钢体门作为船闸闸门，尺寸为6.0 m×6.2 m×2扇，选取平推式双作用集成启闭机，并建有直径为1.5 m、长36.0 m 的充水橡胶滚水坝一座。同时，为满足工程管理和环境建设需要，建设有充、排水泵房、液压式启闭房以及管理用房。水闸主要建筑物为3级、工程防洪设计标准为百年一遇。该工程是集防洪，沟通、控制、调节湖水景观水位，游船通航，生态园林，景观休闲为一体的综合性工程。

为确保水闸工程的安全运行，检测的主要项目包括：①消能防冲和防渗设施的完整性、有效性；②混凝土结构的耐久性、变形和强度；③启闭机、电气设备和闸门的安全性；④水闸安全运行观测设施和水工构筑物的有效性[10-12]。

依据现场检测结果深入分析昌南闸工程存在的问题有：①闸墩及其闸两岸翼墙存在渗水、裂缝和轻微塌陷，水力冲刷防冲槽现象突出，局部结构存在裂缝。②混凝土结构外露钢筋发现轻微锈斑、钢筋轻度锈蚀且混凝土保护层脱落；闸底板混凝土强度一般、冲刷破坏严重且闸基出现渗漏。③闸门橡胶止水发现轻微漏水，闸门局部变形，闸门局部变形且出现轻微氧化锈蚀，发现漏水情况。④启闭设施启闭能力良好、结构完整性和运行情况良好，构件折断损伤情况轻微。⑤上下游观测设施勉强满足要求，损伤问题比较突出，电气设备基本可以符合运行要求。⑥闸室稳定性复核结果满足要求，消能效果和过流能力一般[13-14]。

结合现象调查结果邀请5位专家对各项基础指标给予评判，收集整理各项参评因子的重要性评分构造相应的判断矩阵f，结果如式(5)：

(5)

充分考虑各项参评要素的具体内涵和5位专家评判结果，经适当调整获取系统层各要素主、客观权重，然后利用文中所述有关公式得到水闸安全评价综合权重wi,结果如式(6)：

w1=[0.308 0.355 0.337]

w2=[0.374 0.338 0.288]

w3=[0.260 0.405 0.335]

w4=[0.350 0.332 0.318]

w5=[0.177 0.246 0.285 0.291]

w6=[0.330 0.386 0.284]

w=[0.205 0.210 0.167 0.188 0.122 0.108]

(6)

充分考虑水闸工程现场勘测结果和专家评分值，经适当调整最终获取水利工程健康状况综合评分值，如表4。

表4 水闸安全运行综合评分

采用中间型柯西分布构造的隶属度函数求解R值，结合模糊数学法获取评价体系中6个子系统的安全评价值Bi，结果如式(7)：

B1=[0.118,0.601,0.244,0.032]

B2=[0.335,0.560,0.053,0.018]

B3=[0.406,0.543,0.037,0.014]

B4=[0.351,0.585,0.045,0.019]

B5=[0.471,0.485,0.023,0.015]

B6=[0.138,0.640,0.184,0.035]

B=[0.302,0.577,0.094,0.021]

(7)

最终，采用公式(4)获取昌南闸工程F=78.02，按照已划分的评价等级可以判定该水闸工程达到B类等级。各项参评要素基本可以达到水闸正常运行标准，通过对损坏部位的整治可以确保水闸的正常运行。

4 结 论

(1)通过对熵权法和指标重要性分值的详细分析提出改进的AHP法，选取模糊综合法评价分析了闸门启闭机、混凝土结构、消能防冲、抗滑稳定和抗渗稳定等重要参数的安全状态。

(2)以辽宁省某水闸工程为例，综合应用模糊数学法和改进AHP法实现定性指标的定量化处理，该方法较为客观、准确地反映了水闸工程的运行状态，可为水闸除险加固方案的制定及其正常运行管理提供决策依据。