李乾德,王 東,2,謝 鑫,易恒如,胡明秀

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川成都610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610065;3.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都610072)

基于突變級(jí)數(shù)法的陳蔡水庫(kù)安全綜合評(píng)價(jià)

李乾德1,王 東1,2,謝 鑫1,易恒如1,胡明秀3

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川成都610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610065;3.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都610072)

根據(jù)突變理論及陳蔡水庫(kù)自身運(yùn)行狀況建立了陳蔡大壩綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)評(píng)價(jià)總目標(biāo)進(jìn)行了多層次矛盾分解,利用突變理論同模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生的突變模糊隸屬函數(shù),由歸一公式進(jìn)行綜合量化運(yùn)算,最后得出陳蔡水庫(kù)綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)值。結(jié)果表明,該方法能有效地評(píng)價(jià)陳蔡水庫(kù)安全,同時(shí)能反映出影響該水庫(kù)安全運(yùn)行的最不利因素——壩肩繞滲。

突變級(jí)數(shù)法；大壩安全；綜合評(píng)價(jià)；陳蔡水庫(kù)

0 引 言

土石壩是一種古老的壩型,占據(jù)著世界范圍內(nèi)已建水壩類型的絕大多數(shù),據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)興建大壩有9.8萬余座[1],其中95%以上為土石壩,因?yàn)槠浼夹g(shù)要求相對(duì)較低、造價(jià)低廉,但是“技術(shù)要求低”這個(gè)優(yōu)點(diǎn)中也蘊(yùn)含著它的弱點(diǎn),即該類壩型的安全問題突出,應(yīng)受到更多的重視[2]。目前土石壩安全評(píng)價(jià)的理論和方法有很多,比如模糊數(shù)學(xué)、灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、濾波法、小波分析、分形理論、混沌理論、突變理論等。其中突變級(jí)數(shù)法是一種新型的綜合評(píng)價(jià)方法,結(jié)合了眾多評(píng)價(jià)方法的長(zhǎng)處,在不同領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3～6]中的眾多學(xué)者分別根據(jù)突變理論建立了土石壩綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系計(jì)算其安全級(jí)別評(píng)價(jià)指標(biāo)值、將突變理論用于生態(tài)評(píng)價(jià)、旅游產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)、滑坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)模型等方面,均取得了良好的效果?？傮w上,采用該方法進(jìn)行多準(zhǔn)則、多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)決策有以下特點(diǎn)[7]：①應(yīng)用范圍廣,適應(yīng)多領(lǐng)域的綜合評(píng)價(jià)問題；②突變級(jí)數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)指標(biāo)權(quán)重不作要求,減少了人為主觀因素；③該方法是關(guān)于矛盾的計(jì)算與評(píng)價(jià)方法,因此,相比傳統(tǒng)方法適用性更廣。本文以陳蔡水庫(kù)為例,應(yīng)用基于突變理論的級(jí)數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià),為陳蔡水庫(kù)的安全管理與維護(hù)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

1 突變級(jí)數(shù)評(píng)價(jià)方法

1.1 突變級(jí)數(shù)法簡(jiǎn)介

突變級(jí)數(shù)法[8]是一種對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行多層次矛盾分解,然后利用突變理論[9]與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生突變模糊隸屬函數(shù),再由歸一公式進(jìn)行綜合量化運(yùn)算,最后歸一為一個(gè)參數(shù),即求出總的隸屬函數(shù),從而對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行排序分析的一種綜合評(píng)價(jià)方法。其主要步驟包括：建立層次結(jié)構(gòu)模型,確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各層次的突變系統(tǒng)類型,由突變系統(tǒng)的分歧集方程推出歸一公式,利用歸一公式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

圖1 土石壩安全“突變級(jí)數(shù)法”綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 突變級(jí)數(shù)法的實(shí)施步驟

1.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

文獻(xiàn)[9]依據(jù)土石壩事故統(tǒng)計(jì)規(guī)律,綜合構(gòu)建了土石壩三層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,其總目標(biāo)是土石壩的綜合安全狀況,第一層評(píng)價(jià)指標(biāo)有4個(gè),其中滲流與排水、裂縫與異常變形、過水設(shè)施狀況、人員管理,滲流與排水和裂縫與異常變形分別有兩個(gè)下級(jí)指標(biāo),底層共19個(gè)指標(biāo)；各層指標(biāo)的重要性排序主要通過歷史上由該事件引發(fā)事故的頻次大小來確定,頻次越大,則認(rèn)為越應(yīng)關(guān)注該指標(biāo)，指標(biāo)越重要,排序就越靠前。土石壩安全“突變級(jí)數(shù)法”綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[9]如圖1所示。

1.2.2 突變模型構(gòu)建

將擁有兩個(gè)下級(jí)指標(biāo)的指標(biāo)作為狀態(tài)變量,下級(jí)指標(biāo)作為控制變量構(gòu)成尖點(diǎn)突變系統(tǒng)。如果一個(gè)指標(biāo)有多個(gè)下級(jí)指標(biāo),則視為不同的突變系統(tǒng)而以此類推。常用系統(tǒng)的勢(shì)函數(shù)如下：

尖點(diǎn)突變

V(x)=x4+ax2+bx

(1)

燕尾突變

(2)

蝴蝶突變

(3)

式中,V(x)為系統(tǒng)的勢(shì)函數(shù)；x為系統(tǒng)的狀態(tài)變量,表示系統(tǒng)安全狀況的空間維數(shù),繁衍系統(tǒng)的安全狀況,本文中均為一維；a、b、c、d為系統(tǒng)的控制變量,函數(shù)中控制變量的個(gè)數(shù)表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)控制因素集的空間維數(shù),控制變量的變化決定系統(tǒng)功能狀況。

第一層評(píng)價(jià)指標(biāo)有滲流與排水、裂縫與異常變形、過水設(shè)施狀況、人員管理等4個(gè),采用蝴蝶突變模型。滲流與排水和裂縫與異常變形分別有兩個(gè)下級(jí)指標(biāo),均采用尖點(diǎn)突變模型。底層指標(biāo)的個(gè)數(shù)為3個(gè)和4個(gè)的分別采用燕尾突變模型和蝴蝶突變模型。

1.2.3 底層指標(biāo)信息的標(biāo)準(zhǔn)化

控制變量是對(duì)狀態(tài)變量綜合特征的表達(dá),由于原始數(shù)據(jù)取值范圍與度量單位不同,導(dǎo)致他們無法進(jìn)行比較。通常底層指標(biāo)既有定性指標(biāo),也有定量指標(biāo),兩者的標(biāo)準(zhǔn)化方法不同。定性指標(biāo)一般可以按某種確定的等級(jí)制直接在0～1之間評(píng)分(滿分為1,有缺陷就扣分,最低扣至0)賦值；定量指標(biāo)按照一定的控制標(biāo)準(zhǔn)將其轉(zhuǎn)化到0～1范圍內(nèi)的越大越好型無量綱指標(biāo)值。

1.2.4 歸一化運(yùn)算

各評(píng)價(jià)層元素的相對(duì)重要性用歸一公式中的a、b、c、d、e表示,突變模型的歸一化公式如下：

(4)

式中,xa、xb、xc、xd、xe…為對(duì)于控制變量a、b、c、d、e…的x值。

突變模型重要性排序歸一化關(guān)系見圖2所示。

圖2 突變模型重要性排序歸一關(guān)系

在歸一運(yùn)算中,要考慮兩種原則,即“非互補(bǔ)”和“互補(bǔ)”評(píng)價(jià)原則。若系統(tǒng)中有多個(gè)控制變量且它們之間相互獨(dú)立,按歸一公式求解時(shí)應(yīng)取最小的一個(gè)作為系統(tǒng)的突變級(jí)數(shù)值,也即“大中取小”的 “非互補(bǔ)”原則(木桶理論)；若多個(gè)控制變量之間存在相互關(guān)聯(lián),則應(yīng)取控制變量對(duì)應(yīng)的突變級(jí)數(shù)的均值來作為系統(tǒng)的突變級(jí)數(shù)值,即“互補(bǔ)”原則。然后,利用歸一公式進(jìn)行綜合量化遞歸運(yùn)算,求出不同評(píng)價(jià)方案或同一系統(tǒng)不同時(shí)刻的總突變級(jí)數(shù)值,進(jìn)行最終的綜合評(píng)價(jià)和比較。

2 陳蔡水庫(kù)的安全綜合評(píng)價(jià)

2.1 工程概況

陳蔡水庫(kù)位于諸暨市東南部,壩址位于浦陽(yáng)江支流開化江上游東白湖鎮(zhèn),距諸暨市27 km。水庫(kù)于1977年3月動(dòng)工興建,1984年5月蓄水,同年7月并網(wǎng)發(fā)電,1991年6月竣工驗(yàn)收。水庫(kù)樞紐工程為二等工程,主要由主壩、副壩、泄洪閘、非常溢洪道、輸水放空隧洞和電站等組成。主壩為粘土心墻砂殼壩,副壩為粘土心墻壩,非常溢洪道位于大壩右岸約200 m處,為粘土斜心墻砂礫料自潰壩。通過檢查,大壩存在的問題主要有：左壩肩受輸水隧洞圍巖破碎影響形成一定的繞壩滲流,需對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿；主壩壩頂防浪墻預(yù)留有若干缺口,且右壩肩至副壩段無防浪墻,整體存在不連貫狀況；大壩觀測(cè)設(shè)施老化,且全部為人工監(jiān)測(cè)；上下游壩坡護(hù)坡塊石風(fēng)化較嚴(yán)重等。

2.2 底層指標(biāo)隸屬度的確定

(1)定量指標(biāo)。對(duì)于直接通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算而來的定量指標(biāo),首先依次過濾本項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的所有正常測(cè)點(diǎn)的測(cè)值序列,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸、分解,計(jì)算時(shí)效分量的突變穩(wěn)定性判別系數(shù)Δ[9],將最小Δ測(cè)點(diǎn)的隸屬度賦予該指標(biāo)。初步建議隸屬度=Δ/N(或視不同特征分段轉(zhuǎn)換),當(dāng)Δ≤0,隸屬度賦0；當(dāng)Δ≥N,隸屬度賦1。N值根據(jù)具體工程、具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目確定,或根據(jù)后期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整；N值也可理解為當(dāng)Δ達(dá)到一定數(shù)值時(shí)即認(rèn)為絕對(duì)安全,此時(shí)的Δ值定義為N。

(2)定性指標(biāo)。D2、D16的隸屬度在0與1兩者里選,無此現(xiàn)象得1分,有此現(xiàn)象的扣為0分；D3、D8、D14、D15、D17、D18、D19分等級(jí)在0～1之間打分,最好得1分,最差扣至0分,建議分為三等,即異?！蔥0～0.6],基本正?！蔥0.6～0.8],正?！蔥0.8～1],通過專家評(píng)價(jià)確定賦值[10]。

本工程各底層指標(biāo)隸屬度M賦值情況如表1所示。

表1 陳蔡水庫(kù)安全評(píng)價(jià)體系底層指標(biāo)隸屬度

2.3 各層次指標(biāo)值計(jì)算

根據(jù)底層指標(biāo)的隸屬函數(shù)值,按歸一化公式可以算出各控制變量的相應(yīng)中間值,即突變級(jí)數(shù)值。然后逐級(jí)向上計(jì)算,可得到土石壩綜合安全的總突變級(jí)數(shù)值。其歸一化計(jì)算過程如下：

根據(jù)前面所述可知,控制變量D1,D2,D3構(gòu)成燕尾突變模型,由歸一公式(4)得

因?yàn)镈1,D2,D3為非互補(bǔ)型,根據(jù)非互補(bǔ)型的木桶理論得MC3=0.949?？刂谱兞緿4,D5,D6,D7構(gòu)成蝴蝶突變模型,由歸一化公式(4)得

D4,D5,D6,D7為非互補(bǔ)型,故MC2=0.887。

同理,D8,D9,D10構(gòu)成燕尾突變模型,有xD8=0.975,xD9=0.965,xD10=0.974；根據(jù)木桶理論得C3=0.965；D11,D12,D13構(gòu)成燕尾突變模型,有xD11=1,xD12=1,xD13=1,根據(jù)木桶理論得MC4=1；D14,D15,D16構(gòu)成燕尾突變模型,有xD14=1,xD15=1,xD16=1；根據(jù)木桶理論得MB3=1；D17,D18,D19構(gòu)成燕尾突變模型,有xD17=0.949,xD18=0.947,xD19=1；根據(jù)木桶理論得MB4=0.947。

控制變量C1,C2構(gòu)成尖點(diǎn)突變模型,由歸一化公式(4)得

C1,C2為非互補(bǔ)型,故MB1=0.961?？刂谱兞緾3,C4構(gòu)成尖點(diǎn)突變模型,同理xC3=0.982,xC4=1；C3,C4為非互補(bǔ)型,故MB2=0.982?？刂谱兞緽1,B2,B3,B4構(gòu)成蝴蝶突變模型,進(jìn)行歸一化運(yùn)算得xB1=0.980,xB2=0.994,xB3=1,xB4=0.989。根據(jù)非互補(bǔ)原則取A=0.980。

故最終頂層指標(biāo)A取0.980。

2.4 安全評(píng)價(jià)

以上為將底層指標(biāo)隸屬度代入突變綜合模型,然后根據(jù)歸一公式進(jìn)行量化遞歸運(yùn)算,最終得陳蔡水庫(kù)的總突變級(jí)數(shù)值為0.980。由計(jì)算結(jié)果可見,整個(gè)系統(tǒng)目前的綜合安全度經(jīng)過歸納、邏輯排序,最終由D7指標(biāo),即“壩肩繞滲水位時(shí)效量”來決定。該指標(biāo)處于相對(duì)弱勢(shì)地位,其隸屬度也最低(0.55),經(jīng)過扶持(以1/30次方放大)后依然表現(xiàn)為最弱(突變級(jí)數(shù)0.980),因此由它代表系統(tǒng)目前的整體特性是合理的,體現(xiàn)了安全管理中的“木桶理論”。根據(jù)文獻(xiàn)[11]提出的轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得出陳蔡大壩系統(tǒng)綜合安全度為0.851,大致對(duì)應(yīng)通常意義上的85分,屬于良好狀態(tài)。

在陳蔡水庫(kù)的安全管理中,壩肩繞滲對(duì)水庫(kù)的安全運(yùn)行是一個(gè)很大的隱患,由于輸水隧洞周圍巖體較破碎,隧洞建造時(shí)圍巖周圍灌漿質(zhì)量不佳,導(dǎo)致左壩肩出現(xiàn)繞壩滲流的情況。因此,在陳蔡水庫(kù)各方面條件比較優(yōu)良的基礎(chǔ)上,對(duì)壩肩繞滲做工程處理,提高壩肩的防滲效果,是目前提高整個(gè)陳蔡水庫(kù)安全性最切實(shí)有效的措施。

3 結(jié) 論

(1)采用“突變級(jí)數(shù)綜合評(píng)價(jià)法”對(duì)水庫(kù)進(jìn)行安全綜合評(píng)價(jià)時(shí),一旦各層指標(biāo)的重要性排序確定,就不再需要各指標(biāo)權(quán)重,從而減少了人為的主觀性評(píng)價(jià),提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

(2)利用突變級(jí)數(shù)評(píng)價(jià)法能夠快速有效地找到處于相對(duì)弱勢(shì)地位的指標(biāo),對(duì)除險(xiǎn)加固具有很好的指導(dǎo)意義,但是同層次指標(biāo)間的重要性排序、各個(gè)指標(biāo)的確定與簡(jiǎn)化等仍需要作進(jìn)一步深入地研究與討論。

(3)突變級(jí)數(shù)法在大壩綜合安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域是一種新的方法,既存在廣闊的應(yīng)用前景,也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此,在大壩安全評(píng)價(jià)中仍需要多種方法結(jié)合、相互驗(yàn)證,方能為水壩安全運(yùn)行更好地保駕護(hù)航。

[1]能源局大壩安全監(jiān)察中心. “2015年全國(guó)水電站大壩安全工作會(huì)議”總結(jié)報(bào)告[R]. 浙江： 能源局大壩安全監(jiān)察中心, 2005．

[2]林繼鏞. 水工建筑物[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社, 2009．

[3]胡建平, 劉亞蓮. 基于突變理論的土石壩綜合安全評(píng)價(jià)[J]. 水力發(fā)電, 2013, 39(7)： 33-35．

[4]李艷, 陳曉紅, 張鵬飛. 突變級(jí)數(shù)法在區(qū)域生態(tài)健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)人口·資源與環(huán)境, 2007, 17(3)： 50-54．

[5]翁鋼民, 魯超. 基于突變級(jí)數(shù)法的旅游產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)研究[J]. 軟科學(xué), 2009, 23(6)： 57-61．

[6]文暢平, 肖宏彬, 曾娟娟. 基于突變級(jí)數(shù)法的滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2015, 24(2)： 68-73．

[7]王東. 基于風(fēng)險(xiǎn)及突變理論的土石壩安全評(píng)價(jià)方法研究與應(yīng)用[D]. 成都： 四川大學(xué), 2008.

[8]都興富. 突變理論在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用(上)[M]. 成都： 電子科技大學(xué)出版社, 1994．

[9]王東, 唐毅. 基于風(fēng)險(xiǎn)及突變理論的土石壩安全評(píng)價(jià)研究[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社, 2014．

[10]胡明秀.PFMA方法在土石壩安全管理評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[D]. 成都： 四川大學(xué), 2013.

[11]CHENGCH,LINY,HUNGPY.EvaluatingGuidedMissileDestroyerbyCatastropheSeriesBasedonFuzzyScales[J].IEEEInternationalConferenceonFuzzySystems, 1996, 3(3): 2188-2193．

(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Safety Comprehensive Evaluation of Chencai Reservoir Based on Catastrophe Progression Method

LI Qiande1, WANG Dong1,2, XIE Xin1, YI Hengru1, HU Mingxiu3

(1. School of Water Resource & Hydropower Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China;2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Chengdu 610065, Sichuan, China;3. PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

Based on catastrophe theory and the operation status of Chencai Reservoir, a comprehensive safety evaluation index system is firstly established. Then the overall objective with multiple levels of conflict is decomposed, the mutation fuzzy membership function produced by the combination of catastrophe theory and fuzzy mathematics is utilized and the comprehensive integrated quantitative calculation is conducted by using normalization formula. Finally, the comprehensive safety evaluation index value is got. The evaluation result shows that the method can effectively evaluate the safety of Chencai Reservoir and can reflect the most unfavorable factors, i.e. seepage around dam abutments．

catastrophe progression method; dam safety; comprehensive evaluation; Chencai Reservoir

2016-03-17

四川省科技支撐項(xiàng)目(2014FZ0043)

李乾德(1993—),男,四川巴中人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)工程及基礎(chǔ)工程、壩工安全監(jiān)測(cè)；王東(通訊作者)．

TV698

A

0559-9342(2017)02-0114-04