李 益,蔡 新,3,徐錦才,舒 靜,戴雙喜

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇南京 210098;3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;4.水利部農(nóng)村電氣化研究所,浙江杭州 310012)

小水電作為一種清潔可再生能源,在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展和環(huán)境保護(hù)等方面效益顯著.水工建筑物是小水電的重要組成部分,其安全運行是小水電發(fā)揮巨大作用的前提.因此,小水電水工建筑物健康診斷研究十分重要.

近年來,國內(nèi)已有學(xué)者對大中型水庫大壩的安全進(jìn)行研究,其中多采用可靠度理論和模糊綜合評價理論[1-10],而對小水電的安全研究相對較少.可靠度理論以結(jié)構(gòu)不確定性為基本思想,以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為數(shù)學(xué)基礎(chǔ),以結(jié)構(gòu)隨機變量為研究因素,分析結(jié)構(gòu)的可靠度水平.由于確定所分析因素的概率分布比較困難,可靠度理論在實際工程中應(yīng)用有限[11].模糊綜合評價理論是以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)的評價方法.該方法從影響問題的主因出發(fā),根據(jù)模糊評判標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)雜問題做出不同程度的模糊劃分,通過模糊數(shù)學(xué)運算,得到定量的綜合評價結(jié)果.在確定各評價指標(biāo)對評價集的隸屬度時,模糊綜合評價理論需求各因素的隸屬函數(shù)并對指標(biāo)進(jìn)行特征化處理,不同的處理方法得到的結(jié)果差異較大,會給評價帶來誤差[12].一般情況下,小水電工程規(guī)模小、檢測設(shè)備少、檢查力度低、統(tǒng)計資料匱乏,這更加制約了可靠度理論和模糊綜合評價理論在小水電工程安全評估中的運用.灰色理論則研究可靠度理論和模糊綜合評價理論難以解決的“小樣本,貧信息,不確定”問題,亦能較好解決評價指標(biāo)復(fù)雜、模糊的問題,是目前一種較為先進(jìn)、科學(xué)、客觀的評價理論.基于以上原因,本文引入灰色理論對小水電水工建筑物健康診斷進(jìn)行研究.

1 基于灰色理論的健康診斷模型

1.1 健康診斷指標(biāo)體系

小水電水工建筑物是一個復(fù)雜的系統(tǒng),在對其進(jìn)行健康診斷時應(yīng)盡量全面考慮影響系統(tǒng)安全的關(guān)鍵因素,診斷指標(biāo)的選取應(yīng)遵循科學(xué)性、規(guī)范性、全面性、層次性、獨立性和可行性等基本原則.我國制定的SL 258—2000《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》建議從工程質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全、滲流安全、抗洪安全、抗震安全以及運行管理[13]6方面對水庫大壩安全水平進(jìn)行評估.在水利部農(nóng)村電氣化研究所現(xiàn)場調(diào)研并對調(diào)查資料統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)SL 258—2000中指標(biāo)選取的建議以及小水電自身的特點,本文提煉出影響小水電水工建筑物健康的主要因素為:結(jié)構(gòu)質(zhì)量,結(jié)構(gòu)變形、穩(wěn)定、滲透,結(jié)構(gòu)防洪、抗震以及日常管理等.

本文以小水電水工建筑物健康值為評估目標(biāo),參考結(jié)構(gòu)可靠度評估的安全性、適用性、耐久性等基本思想,以影響小水電水工建筑物健康值的主要因素為基本診斷指標(biāo),構(gòu)建小水電水工建筑物健康診斷指標(biāo)體系,如圖1所示.

1.2 健康診斷模型

本文建立小水電水工建筑物健康診斷模型的基本思路為:在健康診斷指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,對基礎(chǔ)指標(biāo)的灰類進(jìn)行判別及白化處理,確定基礎(chǔ)指標(biāo)的權(quán)重值,應(yīng)用灰色理論計算方法可最終評定水工建筑物健康所屬灰類.

1.2.1 評價群體和統(tǒng)計灰類

由圖1可得,本文建立的小水電水工建筑物健康診斷指標(biāo)體系采用3層評價指標(biāo)體系,總指標(biāo)層記為A;子指標(biāo)層Ai(i=1,2,3)為1級評價指標(biāo),其組成的集合構(gòu)成總指標(biāo)A,即 A={A1,A2,A3},對應(yīng)權(quán)重集為W={W1,W2,W3};基礎(chǔ)指標(biāo)層Aij為2級評價指標(biāo),其組成的集合構(gòu)成子指標(biāo) Ai,即 Ai={Ai1,Ai2,…,Aij},對應(yīng)的權(quán)重集為 Wi={Wi1,Wi2,…,Wij}.

根據(jù)健康診斷指標(biāo)體系確定評價灰類的等級數(shù)、灰數(shù)以及白化權(quán)函數(shù).小水電水工建筑物健康診斷指標(biāo)體系將水工建筑物健康狀況按健康、亞健康、病變和病危劃為4類[9],評分標(biāo)準(zhǔn)見表1.由典型白化權(quán)函數(shù)[14]形式和表1確定灰類的白化權(quán)函數(shù),如圖2所示.

1.2.2 決策權(quán)及決策矩陣

邀請K位專家對小水電水工建筑物健康診斷指標(biāo)體系基礎(chǔ)指標(biāo)進(jìn)行診斷,第L位專家對基礎(chǔ)指標(biāo)Aij的評分為dijl,由此構(gòu)造指標(biāo)Ai的評價樣本矩陣Di:

圖1 小水電水工建筑物健康指標(biāo)體系Fig.1 Health diagnosis index system for hydraulic structures at small hyd ropower stations

表1 灰類評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standard for gray statistics

圖2 白化權(quán)函數(shù)Fig.2 W hitenization weight functions

第m類灰類的白化權(quán)函數(shù)為fm,2級評價指標(biāo)Aij屬于第m類灰類的灰色評價系數(shù)記為Pijm,總灰色評價系數(shù)記為.所有專家對指標(biāo)屬于第m類灰類的灰色評價權(quán)記為,評價指標(biāo)對于各級評價灰類的灰色評價權(quán)向量記為rij,指標(biāo)Ai的灰色評價權(quán)矩陣記為Ri,有:

1.2.3 改進(jìn)AHP法

傳統(tǒng)的層次分析法采用1～9標(biāo)度構(gòu)建成對比矩陣,由于判斷差異不明顯、判斷標(biāo)度不確定,在其實際使用中常出現(xiàn)成對比矩陣一致性不滿足要求的問題.同時,由于受人為主觀影響較大,在對成對比矩陣修正時又會引起指標(biāo)權(quán)重分配不穩(wěn)定、失真等現(xiàn)象.為了解決上述層次分析法中存在的問題,本文采用基于指標(biāo)重要性分值和熵權(quán)理論的改進(jìn)AHP法計算指標(biāo)權(quán)重,具體計算步驟如下.

a.專家獨立對指標(biāo)重要性進(jìn)行評分,評分標(biāo)準(zhǔn)如下:絕對重要為90～100;相當(dāng)重要為75～90;非常重要為60～75;明顯重要為45～60;一般重要為30～45;輕微重要為15～30;不重要為0～15.對指標(biāo)重要性分值兩兩進(jìn)行對比運算,得到指標(biāo)成對比矩陣,計算成對比矩陣最大特征值及相應(yīng)特征向量,該特征向量即為該專家給出的指標(biāo)權(quán)重.綜合所有專家給出的指標(biāo)權(quán)重,得到指標(biāo)權(quán)重矩陣W′i.

b.由指標(biāo)權(quán)重矩陣W′i,計算各專家評判的熵值hik,形成熵值矩陣Hi,由Hi確定專家自身的權(quán)重cik,形成專家權(quán)重矩陣C i.

式中:eijk——第k位專家對指標(biāo)Aij所做評價結(jié)論的水平;wijk—第 k位專家確定的指標(biāo)Aij的權(quán)重值;hik,cik—Ai指標(biāo)下,第 k位專家的熵值、權(quán)重值.

這位母親自認(rèn)為沒有私心雜念，就是為孩子好，替他們多操點心多干點活，提高他們的生活質(zhì)量。現(xiàn)在被孩子“無情”拒絕，她感受到的是巨大的委屈和不甘。然而，媽媽卻忽略了，作為兒子媳婦，尤其媳婦，感受到的是“自己的家庭事務(wù)”一再被侵入的憤怒。

1.2.4 指標(biāo)健康診斷

記1級評判指標(biāo)的綜合評價結(jié)果為Si,灰色評價權(quán)矩陣R,綜合評價結(jié)果S,則有

2 實例分析

浙江省某水電站為我國第一批農(nóng)村電氣化建設(shè)項目,集防洪、發(fā)電、灌溉為一體.1988年建成發(fā)電,年發(fā)電量4500萬kW·h.水電站擋水建筑物為鋼筋混凝土面板堆石壩,壩高89.35m,壩長198.00m.現(xiàn)場調(diào)研總體反饋資料如下:該電站擁有應(yīng)急預(yù)案,且調(diào)度運行方案良好;防汛搶險物料準(zhǔn)備到位,報警通訊系統(tǒng)正常;電站無潛在地質(zhì)災(zāi)害;擋水大壩整體變形正常,壩面平整,無貫穿性裂縫;有滲水現(xiàn)象,散浸輕微,無流土等現(xiàn)象.

組織6位專家根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況對該水電站擋水建筑物的基礎(chǔ)指標(biāo)健康狀況進(jìn)行評判,專家給出的各級指標(biāo)重要性分值矩陣f、基礎(chǔ)指標(biāo)的評價樣本矩陣為

由各級指標(biāo)重要性分值矩陣f,按改進(jìn)AHP法計算得各指標(biāo)權(quán)重值,計算結(jié)果見表2～5.由基礎(chǔ)指標(biāo)的評估樣本矩陣 D及其權(quán)重值,依據(jù)上述灰色理論健康診斷方法,得1級指標(biāo)的評價結(jié)果為:S1={0.426,0.442,0.132,0};S2={0.414,0.438,0.148,0};S3={0.392,0.442,0.166,0}.總評價結(jié)果為:S={0.414,0.441,0.145,0}.

表2 安全性下屬基礎(chǔ)指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果Table 2 Calculated results of weight of subordinate index to safety index

表3 適用性下屬基礎(chǔ)指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果Table 3 Calculated results of weight of subordinate index to app licability index

表4 耐久性下屬基礎(chǔ)指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果Table 4 Calculated results of weight of subordinate index to durability index

評價結(jié)果分析:

表5 一級指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果Table 5 Calculated results of first-grade index weight

3 結(jié) 語

a.在對小水電現(xiàn)場調(diào)研資料整理、分析基礎(chǔ)上,結(jié)合SL 258—2000《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》,分析影響小水電水工建筑物健康的主要因素;以結(jié)構(gòu)可靠度及層次結(jié)構(gòu)為基本思想,構(gòu)建了小水電水工建筑物健康診斷指標(biāo)體系.

b.采用基于指標(biāo)重要性分值和熵權(quán)理論的改進(jìn)AHP法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的計算.運用指標(biāo)重要性分值構(gòu)建成對比矩陣,使其自然滿足一致性要求;運用熵權(quán)理論計算專家自身權(quán)重,以專家自身權(quán)重修正專家的主觀性,所得結(jié)果更加合理、科學(xué).

c.引入灰色理論,建立了小水電水工建筑物健康診斷模型.將模型應(yīng)用于實際工程中,2種灰色綜合評價結(jié)果分析方法所得結(jié)論一致,表明本文模型評估結(jié)果較為客觀、穩(wěn)定,在小水電安全綜合評估中具有應(yīng)用價值.

[1]吳中如.大壩的安全監(jiān)控理論和試驗技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[2]李雷,王仁鐘,盛金保,等.大壩風(fēng)險評價與風(fēng)險管理[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[3]蔡新,武穎利,郭興文.混凝土壩及壩后式廠房整體地震響應(yīng)分析[J].河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,36(1):49-53.(CAI Xin,WU Ying-li,GUO Xing-wen.Integral seismic response analysis of concrete dam and powerhouse at dam toe[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2008,36(1):49-53.(in Chinese))

[4]李洪煊,蔡新,徐錦才,等.考慮時變效應(yīng)的水工金屬結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評價模型[J].河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,38(6):660-664.(LI Hong-xuan,CAI Xin,XU Jin-cai,et al.Safety risk assessment model of hydraulic metal structurals considering time-varying effect[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2010,38(6):660-664.(in Chinese))

[5]蘇懷智,顧沖時,吳中如.大壩工作性態(tài)的模糊可拓評估模型及應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2006,27(12):2115-2121.(SU Huai-zhi,GU Chong-shi,WU Zhong-ru.Assessment model of dam behavior with fuzzy extension theory and its application[J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(12):2115-2121.(in Chinese))

[6]莫崇勛,董增川,麻榮永,等.“積分-一次二階矩法”在廣西澄碧河水庫漫壩風(fēng)險分析中的應(yīng)用研究[J].水利發(fā)電學(xué)報,2008,27(2):44-49.(MO Chong-xun,DONG Zeng-chuan,MA Rong-yong,et al.Application study on overtopping risk analysis for Guangxi Chengbihe reservoir by integrate-FOSM method[J].Journal of Hydroelectric Engineering,2008,27(2):44-49.(in Chinese))

[7]陳守煜,柴春嶺.區(qū)域水資源可持續(xù)利用評價的模糊可變評價方法[J].水利水電科技進(jìn)展,2007,27(5):1-5.(CHEN Shouyu,CHAI Chun-ling.Fuzzy variable assessment method for sustainable utilization of regional water resources[J].Advancesin Science and Technology of Water Resources,2007,27(5):1-5.(in Chinese))

[8]董玉文,任青文.高拱壩穩(wěn)定安全度研究綜述[J].水利水電科技進(jìn)展,2006,26(5):78-82.(DONG Yu-wen,REN Qing-wen.Review on safety degree for stability of high arch dams[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2006,26(5):78-82.(in Chinese))

[9]吳威,郭興文,王德信,等.荊江大堤安全度模糊綜合評判方法研究[J].河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,36(2):224-228.(WU Wei,GUO Xing-wen,WANG De-xin,et al.Fuzzy comprehensive method for evaluation of safety of Jingjiang dyke[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2008,36(2):224-228.(in Chinese))

[10]聶學(xué)軍,顧沖時,嚴(yán)良平,等.自適應(yīng)模糊系統(tǒng)在大壩安全監(jiān)測故障診斷中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005,33(4):395-398.(NIE Xue-jun,GU Chong-shi,YAN Liang-ping,et al.App lication of adaptive fuzzy system to fau lt auto-diagnosis in dam safety monitoring[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2005,33(4):395-398.(in Chinese))

[11]朱伯芳.當(dāng)前混凝土壩建設(shè)中的幾個問題[J].水利學(xué)報,2009,40(1):1-9.(ZHU Bo-fang.On some problems in construction of concrete dams[J].Journal of Hydraulic Engineering,2009,40(1):1-9.(in Chinese))

[12]蘇永華.巖土參數(shù)模糊隸屬函數(shù)的構(gòu)造方法及應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報,2007,29(12):1772-1779.(SU Yong-hua.Constructing method of fuzzy membership function of geotechnical parameters and its application[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29(12):1772-1779.(in Chinese))

[13]SL 258—2000 水庫大壩安全評價導(dǎo)則[S].

[14]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1987.