田振華，王 嵩，朱趙輝

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.北京中水科工程總公司，北京 100048；3.遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110003）

混凝土壩健康模糊綜合診斷方法研究

田振華1，2，王 嵩3，朱趙輝1，2

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.北京中水科工程總公司，北京 100048；3.遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110003）

影響混凝土壩健康狀況的因素眾多，建立的混凝土壩健康綜合診斷指標體系，既包含有定量指標，又包含有定性指標，同時，定性指標指標值的確定帶有模糊性，并且混凝土壩健康等級之間的界限也難以準確的界定。模糊綜合診斷模型通過確定各個診斷指標的權(quán)重及其隸屬度向量獲得模糊評判矩陣，然后把模糊評判矩陣與診斷指標的權(quán)重集進行模糊運算并進行歸一化，得到診斷指標健康值，確定被診斷對象的等級層次，最終對混凝土壩健康進行評價，工程實例計算結(jié)果表明：模糊綜合診斷模型計算結(jié)果與實際運行情況相符。本文利用模糊綜合診斷模型解決了大壩健康綜合診斷指標體系中的模糊性問題。

模糊綜合診斷；診斷指標；隸屬度向量；監(jiān)測資料

混凝土壩健康綜合診斷是一個多層次、多項目的復雜遞歸分析問題，對混凝土壩健康狀況的綜合診斷不僅僅取決于對單個測點、單個項目監(jiān)測資料所反映出局部健康狀況的診斷，更重要的還取決于對混凝土壩多個測點、不同項目監(jiān)測資料和其它檢測與設計施工信息所反映出的混凝土壩整體結(jié)構(gòu)健康狀況的診斷。因此，要真正對混凝土壩的健康狀況作出科學、合理的診斷，就必須通過研究綜合診斷方法將各種定量和定性資料有機地聯(lián)系起來，進行綜合比較、分析和診斷。影響混凝土壩健康狀況的因素眾多，建立的混凝土壩健康綜合診斷指標體系，既包含有定量指標，又包含有定性指標。由于定性指標指標值的確定帶有模糊性，并且混凝土壩健康等級之間的界限也難以準確的界定，因此，可利用模糊綜合診斷模型，對混凝土壩健康狀況進行綜合診斷。

1 混凝土壩健康綜合診斷指標體系的構(gòu)建

混凝土壩健康綜合診斷問題事實上是一個多項目、多層次的遞階分析問題，為了使混凝土壩健康綜合診斷結(jié)果準確、合理和可信，有必要根據(jù)混凝土壩健康綜合診斷問題內(nèi)在的物理與邏輯關系，將眾多影響因素進行合理的概括、歸納和提煉，構(gòu)建出一個包含眾多有代表性診斷指標、結(jié)構(gòu)層次化的健康綜合診斷指標體系。本文在總結(jié)前人研究成果［1-3］的基礎上，結(jié)合混凝土壩健康綜合診斷的具體特點，通過分析研究診斷指標的選取原則，開展混凝土壩健康綜合診斷指標體系的研究，以建立混凝土壩的健康診斷評價集，并量化確定健康等級。

1.1 健康診斷指標體系選取原則 診斷指標是定量研究混凝土壩健康狀況的基礎，指標選取是否合適，直接影響到健康綜合診斷的結(jié)論。診斷指標選取太多，會造成指標間信息重疊繁雜，干擾診斷結(jié)果；指標選取太少，所選的指標缺乏足夠代表性，影響診斷結(jié)果的準確性。在構(gòu)建混凝土壩健康綜合診斷指標體系時，診斷指標的選取，應遵循下述7條原則［4-6］：內(nèi)涵明確性、代表性、獨立性、完備性、層次和系統(tǒng)性、簡捷可操作性以及定性定量相結(jié)合。

對于混凝土壩的健康診斷而言，較重要且必需的監(jiān)測項目有：環(huán)境量監(jiān)測；變形監(jiān)測項目中的水平位移、垂直位移、裂縫和接縫等；滲流監(jiān)測項目中的壩基和壩體揚壓力、繞壩滲流、滲流量；應力應變監(jiān)測項目中包括壩趾、壩踵和壩體局部應力；溫度監(jiān)測項目中的混凝土及壩基溫度等。這些監(jiān)測項目都直接反映了混凝土壩實測性態(tài)的健康狀況，因此可直接選取他們作為指標體系中的診斷指標。

1.2 健康診斷指標體系構(gòu)建 結(jié)合診斷指標選取原則，可按以下7種層次構(gòu)建混凝土壩健康綜合診斷指標體系：（1）第一層。待診斷混凝土壩的健康狀況，它是混凝土壩健康綜合診斷指標體系的最高層，也稱為最終目標層；（2）第二層。包括壩體及壩基、近壩庫區(qū)兩個診斷指標。這一層主要從混凝土壩結(jié)構(gòu)組成的角度來分析選取診斷指標；（3）第三層。主要包括實測性態(tài)、巡視檢查等診斷指標。該層主要是通過分析壩體及壩基和近壩庫區(qū)兩個診斷指標的健康診斷方法來選取診斷指標；（4）第四層。主要包括混凝土壩安全監(jiān)測量化診斷指標（如變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應力應變監(jiān)測等）、巡視檢查非量化診斷指標（如變形現(xiàn)象和滲流現(xiàn)象等）等指標；（5）第五層。主要包括水平位移、垂直位移、傾斜、裂縫；壩基揚壓力、壩體揚壓力、滲流量、繞壩滲流；壩踵、壩趾、局部應力；變形現(xiàn)象巡視結(jié)果，滲流現(xiàn)象巡視結(jié)果；設計復核和施工復核的具體項目。此層是第四層診斷指標的進一步分解細化；（6）第六層。實現(xiàn)第五層的各種監(jiān)測項目所采用的具體監(jiān)測方法，如水平位移的主要監(jiān)測方法有垂線、引張線、視準線等；（7）第七層。測點層，即對于各種監(jiān)測方法，分別設置有多個監(jiān)測點和巡視點進行監(jiān)測。

按上述的層次化結(jié)構(gòu)就可構(gòu)建一個多層次、多項目的混凝土壩健康綜合診斷指標體系。當進行混凝土壩健康綜合診斷時，可從最底層開始，自下而上逐級遞歸分析診斷，從而最終得到混凝土大壩健康狀況的診斷結(jié)果。從指標體系第七層測點層開始，相鄰上下層之間都具有關聯(lián)隸屬的關系，每一級都是其上一級的診斷信息源，也是其上一級的一個診斷子項目，而對每一級的健康診斷又都是對其下一級診斷結(jié)果的綜合。

1.3 健康等級劃分 健康等級劃分太多，不僅使計算工作量加大，還會難以界定健康等級間的界限；健康等級劃分太少，就不能真實準確地反映大壩健康狀況。根據(jù)一些學者的研究［7］，本文采用介于三級法和五級法之間的四級法對混凝土壩進行健康診斷，即取健康評價集為四級，其健康評價等級集合為：

式中：V1、V2、V3、V4分別代表健康、亞健康、病變和危情。

2 診斷指標權(quán)重確定方法

混凝土壩健康綜合診斷中各診斷指標權(quán)重分配不同會直接導致混凝土壩健康狀況最終診斷結(jié)果的改變，因而權(quán)重的合理性、準確性直接影響診斷結(jié)果的可靠性。目前關于權(quán)重的確定方法有數(shù)十種之多，大致可歸為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩類。

AHP法［2］的標度是反映各定性量之間重要程度關系的一種尺度，同層的不同診斷指標對于上一層指標的重要性程度，一般分為“強烈大”、“極端大”、“明顯大”、“稍微大”和“相同”，其具體標度見表1。但在混凝土健康診斷體系中，兩個相互比較的指標，出現(xiàn)“強烈大”和“極端大”這種情況，根據(jù)診斷指標選取的代表性原則，重要性程度小的指標就沒有選取的必要。因此，本文對AHP賦權(quán)模型進行歸一化改進，只設置重要性程度“相同”和“稍微大”這兩種等級，然后以此作為基礎遞進乘積分析。

重要性程度“相同”在數(shù)量上的大體概念是指診斷指標之間的差別在工程計算的允許誤差10%之內(nèi)，即可以認為兩相互比較指標的權(quán)重≈（0.9～1.1）∶1，可取標準值ω1∶ω2=1∶1；而重要性程度“稍微大”是指診斷指標指標間的差別小于等于1.5，即認為權(quán)重ω1∶ω2≈（1.1～1.5）∶1。從表1所示的各標度方法來看，“稍微大”的標度分別為3、1.286、1.500和1.277，除1～9標度法關于“稍微大”的標度值過大外，其余3種標度法的標度值均在1.1～1.5之間，為此，對“稍微大”的標度值可取為后3種標度法的平均值，即：ω1∶ω2=1.354∶1；當兩兩比較的指標對上一層的重要性程度用“稍微大”還不足以反映時，可以用多個“稍微大”來反映，具體用乘積法實現(xiàn)，如當認為A與B之間的重要性差異比“稍微大”還要“稍微大”時，可取ωA∶ωB=（1.354×1.354）∶1=1.833∶1，歸一化后權(quán)重為ωA∶ωB=0.65∶0.35，余此類推。

表1 AHP法的4種標度值

3 模糊綜合診斷（FCD）法原理

建立模糊綜合診斷模型的基本原理［3-8］：首先確定被診斷對象的因素（診斷指標）集U=和健康狀況評價集。其中ui為各單項診斷指標，vi為對ui的評價等級層次。再用適當?shù)姆椒ǚ謩e確定各個診斷指標的權(quán)重及它們的隸屬度向量，獲得模糊評判矩陣。最后把模糊評判矩陣與診斷指標的權(quán)重集進行模糊運算并進行歸一化，得到模糊綜合診斷結(jié)果，運用最大隸屬度原則確定被診斷對象的等級層次。

（2）根據(jù)n個因素的評判集，形成總的判斷矩陣R。R為指標論域U到評語論域V的一個模糊關系，可表示成R=(rij)n×m的n×m階矩陣。

（4）在單層分析的基礎上建立多層次模糊綜合診斷模型。首先按照一定的準則將各指標集劃分成若干組子集Ui，i=1，2，…，k，針對每個子集，將單層次所構(gòu)成的結(jié)果向量作模糊綜合評判Bi=ωiRi，i=1，2，…，k，由Bi建立高一層次的綜合評語矩陣：

（5）設U1，U2，…，Uk的權(quán)重向量為ω，，且滿足，則高層次模糊綜合診斷結(jié)果向量為：

由此從下向上逐層進行診斷，最終可以得到目標層（即混凝土壩的健康狀況）的健康診斷值，對照健康狀況評價集V即可確定混凝土壩健康狀況所屬等級。多層次模糊綜合診斷示意圖見圖1。

圖1 多層次模糊綜合診斷

4 大壩實測性態(tài)健康的模糊綜合診斷

4.1 健康診斷指標體系 本文以某混凝土重力壩為例，實測性態(tài)的診斷指標主要依據(jù)監(jiān)測項目選取。本文以壩體及壩基“實測性態(tài)”子系統(tǒng)為例，建立如圖2所示的某混凝土重力壩壩體及壩基實測性態(tài)健康綜合診斷體系。

圖2 大壩實測性態(tài)健康綜合診斷體系

4.2 中間層診斷指標健康值計算 根據(jù)監(jiān)測項目和監(jiān)測數(shù)據(jù)精度確定“水平位移T11”、“垂直位移T12”、“裂縫T13”、“壩基揚壓力T21”、“滲漏量T22”和“應變計應力T31”等底層診斷指標，實現(xiàn)對變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測和應力應變等研究對象的實測性態(tài)健康診斷。

根據(jù)某混凝土寬縫重力壩的原型觀測資料及結(jié)構(gòu)正反分析報告［9］，對圖2中底層診斷指標在2000年的情況進行評分，健康評價等級劃分標準見表2，采用屬于［0.0，1.0］區(qū)間的數(shù)值越大越健康的原則。定量診斷指標的度量是建立在已對各觀測點的實測資料進行了單測點單項分析（如正分析、反演分析）基礎之上的，定量診斷指標某個測點在時刻t的實測值與數(shù)學模型計算值的差值進行規(guī)格化分析得到診斷指標的健康值，具體計算過程可參考文獻［10］，計算結(jié)果如表2所示。

4.3 診斷指標權(quán)重計算 本文采用第2節(jié)AHP法計算各底層診斷指標權(quán)重。結(jié)合某大壩監(jiān)測儀器的布置概況和測量精度，可認為3個診斷指標對壩體與壩基實測形態(tài)的重要性程度為T1＞T2＞T3，則3個診斷指標的權(quán)重為：T1∶T2∶T3=1.833∶1.354∶1。歸一化后權(quán)重為：

表2 實測性態(tài)綜合診斷體系底層診斷指標健康值

根據(jù)表2各底層診斷指標的健康值，基于模糊綜合診斷法，可求得中間層診斷指標的健康值，結(jié)果見表3。

表3 壩體及壩基實測性態(tài)中間層診斷指標健康值

4.4 壩體及壩基實測性態(tài)健康綜合診斷 利用確定的某大壩壩體及壩基實測性態(tài)中間層診斷指標的權(quán)重，按式（3）計算大壩實測性態(tài)健康狀況，可以得出：

因此，該大壩壩體及壩基實測性態(tài)的健康狀況是健康。經(jīng)過近10年的持續(xù)監(jiān)測，大壩運行狀況良好，計算結(jié)果與實際情況相符。

5 結(jié)語

針對混凝土壩健康影響因素多樣且診斷指標帶有模糊性的問題，本文基于模糊理論對混凝土壩健康綜合診斷方法進行了深入研究，結(jié)合混凝土壩健康綜合診斷的具體特點和診斷指標的選取原則，建立了某混凝土重力壩壩體及壩基實測性態(tài)健康綜合診斷體系，結(jié)合混凝土壩健康綜合診斷中各診斷指標的特點，利用改進的AHP法對診斷指標進行了權(quán)重分配，研究了模糊理論應用的可行性，并構(gòu)建了混凝土壩健康模糊綜合診斷模型，文末以某大壩壩體及壩基實測性態(tài)為例，運用模糊綜合診斷法對其健康狀況進行綜合診斷，結(jié)果表明，模糊綜合診斷模型能較客觀地診斷混凝土壩的健康狀況。

［1］ 侯玉成.土石壩健康診斷理論與方法研究［D］.南京：河海大學，2005.

［2］ 許樹柏.層次分析法原理［M］.天津：天津大學出版社，1986.

［3］ 虞曉芬，傅玳.多指標綜合評價方法綜述［J］.統(tǒng)計與決策，2004（11）：119-121.

［4］ 何金平，李珍照 .大壩結(jié)構(gòu)實測性態(tài)綜合評價指標體系研究［J］.大壩觀測與土工測試，2000，24（6）：20-22.

［5］ 劉成棟.大壩安全評價的多因素賦權(quán)分析方法及其應用研究［D］.南京：河海大學，2004.

［6］ 洪云.大壩安全管理關鍵技術(shù)研究［D］.南京：河海大學，2005.

［7］ 張琳琳.重大水工混凝土結(jié)構(gòu)健康診斷綜合分析理論和方法［D］.南京：河海大學，2003.

［8］ 宋亞婭，張航泊，王友林，等.模糊識別理論在設計暴雨典型選擇中應用研究［J］.中國水利水電科學研究院學報，2016，14（2）：110-114，141.

［9］ 河海大學，新安江水電廠.新安江水電廠大壩原型觀測資料及結(jié)構(gòu)正反分析報告［R］.2000.

［10］ 吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應用［M］.北京：高等教育出版社，2003.

The study on the concrete dam health comprehensive diagnosis based on fuzzy theory

TIAN Zhenhua1，2，WANG Song3，ZHU Zhaohui1，2
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China；2.Beijing IWHR Technology Co.，Ltd，Beijing 100048，China；3.Liaoning Provincial Department of Water Resources，Shenyang 110003，China）

Because the factors affecting the health of the concrete dam are various，Concrete Dam Health Comprehensive Diagnosis index system contains both quantitative indexes and qualitative indexes.Meanwhile，the qualitative index value is determined with fuzziness and the boundaries among concrete dam healthy levels are difficult to accurately define.Therefore，it can take advantage of fuzzy comprehensive diagnostic model to diagnose the concrete dam health.By determining the weight and subordinated degree vector of each diagnostic index，fuzzy judgment matrix was established.And according to the normalized fuzzy calculation of fuzzy judgment matrix and the weight set of diagnostic indexes，fuzzy comprehensive diagnostic results were obtained，which was the basis to determine the healthy level of dam being diagnosed.The calculation results of engineering example show that fuzzy diagnosis model calculation results are in conformity with the dam actual operation.Fuzzy comprehensive diagnosis model solved the fuzzy problem in dam health comprehensive diagnosis index system.

fuzzy comprehensive diagnosis；diagnosis index；subordinated degree vector； monitoring data

TV698.1

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.03.007

1672-3031（2016）03-0199-06

（責任編輯：王冰偉）

2015-11-02

北京中水科水電科技開發(fā)有限公司科研專項（JC-13-ZY-16）

田振華（1986-），男，河南濮陽人，碩士，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測研究。E-mail：tianzhenhua_126@126.com