付成華，杜修娟，趙 川

(西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

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·建筑與土木工程·

基于AHP-云模型的土石壩老化病害風(fēng)險評價

付成華，杜修娟，趙 川

(西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

針對土石壩老化病害過程的不確定性和復(fù)雜性，建立AHP-云模型進行土石壩老化病害風(fēng)險評價。綜合考慮潰壩損失，運用AHP建立具有多個層次的土石壩老化病害風(fēng)險評價指標(biāo)體系，運用云模型對比標(biāo)度構(gòu)造判斷矩陣定量確定指標(biāo)層、因子層、評語集的云模型特征參數(shù)，辯識土石壩老化病害風(fēng)險程度。對加固前后的沙河集水庫大壩狀態(tài)因子進行評分，計算總評云模型特征參數(shù)，完成加固前后的水庫大壩老化病害風(fēng)險程度的定量評價，評價結(jié)果符合工程實際，并可指導(dǎo)水庫的除險加固。

土石壩；層次分析法；云模型；風(fēng)險分析；特征參數(shù)

據(jù)統(tǒng)計，截至2013年3月，我國共修建中小型水庫9萬7 246座[1]，其中病險水庫4.7萬余座，大多是建于20世紀(jì)50-70年代的中小型土石壩。受各種因素的制約，我國的土石壩多缺乏質(zhì)量保障，遺留隱患較多，水庫老化失修且存在各種病害。同時，隨著近年來水電開發(fā)成本的日益增加和節(jié)約型社會的政策倡導(dǎo)，對現(xiàn)有水庫的充分利用備受關(guān)注。為提高水庫利用效益，必須深入開展水庫除險加固研究[2]。我國的土石壩老化病害研究始于20世紀(jì)80年代中期，鑒于黨和政府的高度重視，近年來對全國土石壩工程的系統(tǒng)檢查也開展得如火如荼，大壩安全分析技術(shù)也已有所發(fā)展。目前，國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)險分析的方法有重現(xiàn)期法、直接積分法、JC法、MC法、AHP法、模糊綜合評判法、模糊層次評價法、灰色綜合評價法等[3]，但與發(fā)達國家相比還存在一定的差距，仍處于風(fēng)險分析的初級階段。本文綜合考慮土石壩老化病害風(fēng)險因素和評價體系中指標(biāo)間的相關(guān)性，運用AHP建立風(fēng)險評價指標(biāo)體系，引入云模型解決問題的不確定性、隨機性和模糊性，基于AHP-云模型建立風(fēng)險評價模型，通過對土石壩老化病害不同影響因子的綜合云計算，分析老化病害程度等級，為土石壩的除險加固提供依據(jù)。

1 風(fēng)險評價指標(biāo)體系

對病險水庫除險加固前，需對大壩的病險因素進行有效的初步辨識，確定大壩的風(fēng)險程度，以便指導(dǎo)除險加固。依據(jù)SL258-2000《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》和相關(guān)規(guī)程規(guī)范，“大壩”包括永久性擋水建筑物以及與大壩安全有關(guān)的泄水、輸水和過壩建筑物及金屬結(jié)構(gòu)等，因此大壩安全評價就是水工建筑物結(jié)構(gòu)、工程運行管理、工程質(zhì)量等方面的系統(tǒng)評價[4]。除此之外，潰壩損失在風(fēng)險評價中也是必不可少的，這里，將潰壩損失作為指標(biāo)層，生命損失、經(jīng)濟損失、社會與環(huán)境影響作為因子層納入評價體系，使初步辨識涵蓋內(nèi)容更全面，使評價結(jié)果更接近實際情況。采用AHP法建立包括目標(biāo)層、評語層、指標(biāo)層和因子層等多個層次的土石壩老化病害風(fēng)險評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 土石壩老化病害多級評價指標(biāo)體系

2 風(fēng)險評價模型

2.1 云模型

云模型是基于統(tǒng)計數(shù)學(xué)和模糊數(shù)學(xué)提出的，統(tǒng)一刻畫語言和數(shù)值之間的隨機性和模糊性，構(gòu)成定性和定量間的相互映射[5]。云的數(shù)字特征用期望值Ex、熵En和超熵He表示[6]。期望Ex代表定性概念的數(shù)值，反映土石壩老化病害程度的中心值；熵En反映可被概念接受的數(shù)域范圍，即模糊性，熵越大，表示定性概念的可度量力度越大，反映土石壩老化病害的可能取值范圍；超熵He，即熵的熵，是熵不確定性的度量，它代表定性概念樣本出現(xiàn)的隨機性，反映評價結(jié)果偏離中心值的程度。

2.2 AHP-云模型

1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。設(shè)B是土石壩老化病害因素構(gòu)成的集合，即圖1的指標(biāo)層，則有B={B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7}。設(shè)C是指標(biāo)層因子構(gòu)成的集合，即圖1的因子層，則有{C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12，C13，C14，C15，C16，C17，C18，C19，C20，C21}。設(shè)F是土石壩老化病害風(fēng)險等級構(gòu)成的集合，即圖1的評語層，則有F={F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5}。

表1 云模型的對比標(biāo)度(兩個因素)

3)一致性檢驗。由于在綜合全部比較結(jié)果時，無法避免一定程度的非一致性，因此需要進行判斷矩陣的一致性檢驗。一致性檢驗步驟如下：

②由表2中Saaty給出的RI值查找隨機一致性指標(biāo)RI。

該模型是對大壩進行初步風(fēng)險辨識，為了規(guī)避潰壩后果在評價中所占比重太大反而影響土石壩本身存在的病害風(fēng)險，進而影響評價結(jié)果的真實性；因此，在指標(biāo)層構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣時將潰壩后果考慮為較不重要，出于對生命的重視，在潰壩后果因子層構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣時將生命損失考慮為極其重要。構(gòu)造指標(biāo)層和各因子層的兩兩比較判斷矩陣，經(jīng)一致性檢驗合格，通過下式計算各狀態(tài)因子的期望Exc、熵Enc、超熵Hec和各指標(biāo)因子的期望ExB、熵EnB、超熵HeB，分別見表3、表4。

(1)

表2 隨機一致性指標(biāo)RI值

表3 各狀態(tài)因子的權(quán)重云模型特征參數(shù)

表4 指標(biāo)層的權(quán)重云模型特征參數(shù)

2.3 評語集云模型

根據(jù)有關(guān)規(guī)范和資料[8-9]，按評分Z的大小將大壩老化風(fēng)險程度分為5個等級，見表5。

表5 土石壩風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)

評語集云模型相應(yīng)期望值、熵和超熵由下式計算，較低風(fēng)險與較高風(fēng)險處于邊界，期望值分別取7.5和2.5，熵值取與其相近的風(fēng)險等級的熵值。計算出評語集云模型的特征參數(shù)如表6所示。

(2)

較低風(fēng)險即是主體及附屬結(jié)構(gòu)均未產(chǎn)生老化，大壩的整體功能可正常發(fā)揮，建議進行正常維護。低風(fēng)險即是主體及大部分附屬結(jié)構(gòu)無明顯老化，大壩整體功能可正常發(fā)揮，建議進行正常維護，適當(dāng)增加檢查頻次。一般風(fēng)險即是主體結(jié)構(gòu)基本完好，大壩整體功能基本發(fā)揮，建議進行適當(dāng)維修加固。較高風(fēng)險即是主體結(jié)構(gòu)部分老化損壞，附屬結(jié)構(gòu)物損壞嚴(yán)重，大壩整體功能只能部分發(fā)揮，建議立即進行維修加固。高風(fēng)險即是主體及附屬結(jié)構(gòu)均嚴(yán)重?fù)p壞或報廢，大壩整體功能只能部分發(fā)揮或已基本喪失，強烈建議需立即進行維修加固或報廢重建。

在土石壩老化病害影響因子兩兩比較過程中采用AHP-云模型對比標(biāo)度比單純運用AHP方法更客觀。評語集云模型貼合人類語言習(xí)慣，實現(xiàn)了不確定性語言與定量數(shù)值之間的自然轉(zhuǎn)換。運用云模型標(biāo)度描述專家評分中的語言變量解決判斷矩陣標(biāo)度選擇困難問題。運用期望、熵、超熵3個數(shù)字特征代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法描述隸屬度實現(xiàn)定性和定量之間一對多的映射。

3 實例應(yīng)用分析

3.1 實例概況

沙河集水庫1979年基本建成，下游人口30多萬，農(nóng)田30多萬畝，一旦潰壩，淹沒總損失約53億元，尚未包括人員傷亡損失。除險加固前大壩下游坡局部失穩(wěn)，汛期多次發(fā)生局部滑動、塌陷及裂縫。右壩頭與山坡接觸面沒有很好的處理，繞壩滲漏依然存在。壩基存在繞滲隱患，可能形成漏水通道，滲流從背水坡流出，危及壩坡安全，壩頂雨后易造成積水下滲，影響下游壩坡局部穩(wěn)定。上游護坡質(zhì)量差，墊層流失，護坡松動塌陷，損壞嚴(yán)重?，F(xiàn)有大壩安全監(jiān)測設(shè)施極不完善，難以準(zhǔn)確和實時監(jiān)測大壩的運行狀態(tài)。泄洪閘門漏水嚴(yán)重，啟閉設(shè)備陳舊，損壞嚴(yán)重。北涵洞閘門碳化嚴(yán)重，鐵附件銹蝕，止水橡皮老化。2000年5月對沙河集水庫大壩進行除險加固，壩身已做黏土井柱防滲心墻，右壩頭山坡巖體防滲加固措施未實施，壩身未設(shè)過渡層。對原有的防浪墻漿砌石塊進行加固，拆除斷裂損壞段墻體。上游護坡局部翻修，下游坡抗震平臺挖除軟弱土體，右壩頭山體滑坡體設(shè)置變形觀測點，建立了包括滲流及環(huán)境量監(jiān)測的自動化觀測系統(tǒng)，大大提高了沙河集水庫的大壩安全管理水平。拆除現(xiàn)有簡易啟閉房頂，重新現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面，更新4臺卷揚式啟閉機齒輪變速箱，更換閘門止水橡皮、鐵附件，配一副檢修鋼閘門及啟吊設(shè)備[10]。

3.2 評價云模型特征參數(shù)計算

由3位專家根據(jù)表6中設(shè)定的評價云模型，結(jié)合沙河集水庫加固前后的實際情況對指標(biāo)體系中的21個狀態(tài)因子分別進行評價打分，由下式計算得出評價云模型特征參數(shù)，如表7和表8所示。

(3)

3.3 總評云模型計算及結(jié)果分析

設(shè)總評云模型特征參數(shù)的期望值Ex由下式計算，熵En和超熵He亦類似計算。

Ex=(ExF1Exc1+ExF2Exc2+ExF3Exc3)ExB1+...+

(ExF20Exc20+ExF21Exc21)ExB7。

(4)

經(jīng)計算，沙河集水庫大壩加固前總評云模型特征參數(shù)Ex=3.023，En=1.691，He=0.011 9，總評結(jié)果云模型如圖2所示。云的期望值為3.023，表明該土石壩老化病害風(fēng)險較高，云的熵和數(shù)值較大，云分布比較離散，表明該土石壩評分是在以3.023分為中心值，且在較大范圍內(nèi)偏向較高風(fēng)險和高風(fēng)險，建議立即進行除險加固。運用同樣方法再對加固后的沙河集水庫進行計算得總評云模型特征參數(shù)Ex=6.803，En=1.155，He=0.011 9，總評結(jié)果云模型如圖3所示。期望值為6.803，表明加固后土石壩老化病害風(fēng)險明顯降低，總評云位于一般風(fēng)險和較低風(fēng)險之間，并靠近較低風(fēng)險，加固后沙河集水庫大壩老化病害風(fēng)險程度為較低風(fēng)險，評價結(jié)果符合工程實際。

表7 加固前評價云模型特征參數(shù)

表8 加固后評價云模型特征參數(shù)

圖2 加固前的總評云模型

圖3 加固后總評云模型

4 結(jié)論

1)土石壩老化病害的影響因素很多，并非每個指標(biāo)都能通過實測進行考核，在材料因素、自然因素、人為因素和結(jié)構(gòu)因素基礎(chǔ)上，將潰壩損失引入評價指標(biāo)體系進行綜合考慮，評價結(jié)果更直觀、全面。

2)本文構(gòu)建了土石壩老化病害評價指標(biāo)體系，并提出基于AHP云模型的土石壩老化病害評價模型。其中AHP確定權(quán)重，充分考慮指標(biāo)間的相關(guān)性，利用云模型的期望、熵、超熵3個數(shù)字特征來評價土石壩老化病害風(fēng)險程度，綜合考慮了評價結(jié)果的中心值、模糊性和隨機性，提高了風(fēng)險評價的魯棒性。基于AHP-云模型的方法可以有效地對群體評價做出綜合決策，降低專家的個人經(jīng)驗和主觀因素的影響。最后，實證分析的結(jié)果表明該模型具有可行性，為定量分析水庫大壩老化病害風(fēng)險中的不確定性提供了一種簡單有效的新方法，同時促進大壩老化病害風(fēng)險評價方法的發(fā)展，更有利于指導(dǎo)水庫的除險加固。

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(編校：夏書林)

Aging-injuring Risk Analysis of Earth-rock Dam Based on AHP-Cloud Model

FU chenghua,DU Xiujuan,ZHAO Chuan

(School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039 China)

For uncertainty and complexity of earth-rock dam aging damage process, AHP-cloud model was applied to finish ageing-injuring risk evaluation of earth-rock dam. First, AHP was used to construct the index system with multiple levels of ageing-injuring risk evaluation about earth-rock dam considering dam-break loss. The cloud model characteristic parameters of index layer and factor layer and comment set were processed quantitatively through established judgment matrix based on contrast scale of cloud model, to identify aging risk degree of earth-rock dam. Finally, every status factor of Shaheji reservoir dam before and after reinforcement was graded respectively and the characteristic parameters of general comment cloud model were calculated, then finished quantitatively the aging risk degree evaluation of earth-rock dam. The results show that this method of aging-injuring risk analysis is feasible and can be used in engineering.

earth-rock dam; analytic hierarchy process; cloud model; risk analysis; characteristic parameter

2015-10-30

西華大學(xué)流體及動力機械省部共建教育部重點實驗室學(xué)術(shù)成果培育項目(SBZDPY-11-9)；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目(ycjj2015162)。

付成華(1978—)，女，副教授，博士研究生，主要研究方向為水利水電工程。

TV641

A

1673-159X(2016)05-0046-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.05.009