張文娟，李樹言，漆文邦

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065)

0 前 言

作為中國江河防洪體系中的重要構(gòu)成部分，水庫的安全運行與人民群眾的生命財產(chǎn)安全息息相關(guān)。依據(jù)《全國病險水庫除險加固專項規(guī)劃》，全國共有水庫87 076座(小型水庫83 359座)，其中共有38 019座病險水庫(小型水庫35 586座)，小型水庫約占病險水庫總數(shù)的93.6%[1]。大量小型病險水庫的存在，已使其成為中國防洪安全中的最大隱患。因此有必要對小型病險水庫的除險加固工程進行探究。

1 小型病險水庫的成因

1.1 建設(shè)時期存在問題

中國現(xiàn)有的小型水庫中，大約90%的水庫修建于“大躍進”、 “文革”時期。建國初期中國缺乏設(shè)計、施工技術(shù)力量，水文和地質(zhì)等基礎(chǔ)資料較少，設(shè)計規(guī)范和行業(yè)標準不健全等[2]，使得小型水庫從建設(shè)初期就埋下了一定的隱患，易演變成病險水庫。

1.2 運行期間管理落后

由于缺乏技術(shù)支持和不重視水庫的管理等各方面原因，小型水庫在建成初期就缺少觀測設(shè)施及手段。同時也沒有相應(yīng)的維修養(yǎng)護費用及管理人員，使得水庫的運行狀況不能得到快速有效的掌握及處理，以致對下游人民群眾的安全構(gòu)成隱患。

2 常見的病險問題及工程措施

2.1 水庫的病險問題

大壩壩體的填筑質(zhì)量和夯壓質(zhì)量較差，造成壩土結(jié)構(gòu)松散，大壩多存在滲漏問題；溢洪道多為土渠，雜草叢生，無消力池，無法滿足安全泄洪的要求；輸水建筑物多為壩下埋管，因壩體年久變形、涵洞結(jié)構(gòu)不完整及質(zhì)量差等因素，涵洞存在漏水和接觸沖刷的隱患；水庫未修管理房，缺少通信設(shè)備，缺乏大壩位移、沉降觀測設(shè)施及水文觀測設(shè)施等；水庫防汛搶險道路為土路，凹凸不平，不能滿足工程搶險道路要求[3-6]。

2.2 水庫除險加固的工程措施

小型水庫一般為土石壩，經(jīng)過長達幾十年的運行，壩體發(fā)生沉降變形，故應(yīng)校核壩頂高程是否滿足要求。若需加高大壩，可以在壩頂增設(shè)防浪墻，或直接增加大壩壩頂高程[7]。如要提高水庫的泄洪調(diào)洪能力，可加深或擴寬原溢洪道或新建溢洪道。

對于存在滲漏問題的病險水庫大壩，可利用壩體充填灌漿、壩基帷幕灌漿、混凝土防滲墻和劈裂灌漿等工程措施進行防滲處理。通過培厚減緩壩坡和削坡減緩壩坡的方式可以對大壩壩體進行穩(wěn)定加固。培厚減緩壩坡時，上下游壩坡都應(yīng)使用透水性比原壩坡大的材料[8]。上游護坡多采用干砌石、堆石及混凝土板護坡等，下游一般采用簡化型式的護坡[9]。若輸水涵洞存在漏水和接觸沖刷的隱患，可對其進行回填灌漿處理，或加內(nèi)襯，也可新建。

而且，也應(yīng)提高水庫的管理水平。例如，新建管理房、增設(shè)水庫通訊設(shè)備、新增大壩及水文監(jiān)測設(shè)施及新建防汛搶險道路等，并安排管理人員對水庫進行日常巡護，以確保水庫的安全運行。

3 病險水庫認定現(xiàn)狀及缺陷

在中國，現(xiàn)行的水庫大壩安全評價方法主要有分析法和安全系數(shù)法[10]。該評價方法是以大壩工程安全為中心，對其若干的相關(guān)專題分別進行研究，從而將大壩分為A、B、C三個等級。各個專題的安全性級別全部達到A級的，稱為一類壩；安全性級別全部為A級和B級的，是二類壩；安全性級別中有一項及其以上為C級的，稱為三類壩[11]，見圖1。

圖1 傳統(tǒng)的大壩綜合安全評價框架圖

水庫大壩的安全評價可從2個方面入手，首先是水庫大壩是否為病險水庫，然后是分析判定其病險問題的嚴重程度如何。根據(jù)現(xiàn)行的大壩安全評價法，將大壩分為3級，但是這樣分級較為籠統(tǒng)，不能滿足其病險嚴重程度的判定。比如，同為C級的2座大壩，其中一個可能僅有一項判定為C，而另一座可能所有項均判定為C級。2座大壩雖同為三類壩，顯而易見，一座所有項均判定為C級的大壩病險嚴重程度一定比僅有一項判定為C的大壩的要嚴重得多。

4 層次分析法的應(yīng)用

隨著對水庫大壩除險加固研究的不斷深入以及相關(guān)法規(guī)體系的持續(xù)完善，水庫大壩的病險嚴重程度評價方法的重要性越發(fā)凸顯。因此，將傳統(tǒng)的大壩安全評價法和層次分析法兩者相結(jié)合，利用定性和定量分析的方法，可對水庫大壩的病險嚴重程度進行判定和評價。

4.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process簡稱為AHP法)是把與決策問題相關(guān)的因素分成目標、準則及方案等不同階梯層次，構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)圖，并以此為基礎(chǔ)進行分析和決策的方法。AHP法的步驟[12-14]如下。

4.1.1 遞階層次結(jié)構(gòu)圖的構(gòu)建

通過對決策目標的分析、調(diào)查、研究，找尋與目標體系相關(guān)的因素及其相互之間的關(guān)系，從而將其劃分成不同的層次結(jié)構(gòu)，最后構(gòu)建成相應(yīng)的遞階層次結(jié)構(gòu)圖，見圖2。

4.1.2 判斷矩陣的構(gòu)造

根據(jù)遞階層次結(jié)構(gòu)圖，由上至下逐步地構(gòu)建相應(yīng)的判斷矩陣。各層的指標因素都必須要以相鄰的上一層的指標因素為對比準則，依照1～9 的標度方式進行兩兩比較以此構(gòu)建判斷矩陣。將此應(yīng)用到實際時，一般要通過向相關(guān)研究領(lǐng)域的專家教授進行反復(fù)咨詢從而確定判斷矩陣。

具體的標度定義及含義如表1所示。

表1 1～9標度定義表

4.1.3 層次單排序和一致性檢驗

層次單排序權(quán)重向量是通過求出判斷矩陣的最大特征值及其相應(yīng)的特征向量，并進行歸一化計算后得到。判斷矩陣的計算成果帶有一定程度上的客觀性，故應(yīng)該對其進行一致性檢驗。如果檢驗不合格，則要對判斷矩陣進行修正，直至滿足要求。

圖2 水庫大壩安全綜合評價評估指標的層次結(jié)構(gòu)圖

一致性指標CI的計算：

(1)

式中：λmax為最大特征值；n為指標個數(shù)。

表2 平均一致性指標表

通過表2可得到不同指標個數(shù)下的平均一致性指標RI。RI在某種水平上可以規(guī)避一致性判斷指標隨著n的增大而顯著增大的缺陷。

一致性比例CR的計算：

(2)

4.1.4 層次總排序和其一致性檢驗

由上而下逐層地計算各層指標因素相對于目標層的合成權(quán)重，最終可以得到各個指標因素對于總目標決策影響大小的排序。為了確保思維上的邏輯不產(chǎn)生矛盾，也應(yīng)對層次總排序進行一致性檢驗，只有通過了檢驗，其得到的結(jié)果才具有可信性。

4.2 層次分析法在小型水庫綜合安全評價方面的應(yīng)用

以層次分析法為基礎(chǔ)的水庫大壩綜合安全評價分析法，有分解、判斷、綜合共3個階段[15]。

4.2.1 分 解

構(gòu)建水庫大壩安全評價的遞階層次圖及對應(yīng)的判斷矩陣，求解計算得到各個指標的權(quán)重。分析與水庫大壩的安全評價相關(guān)的內(nèi)容，可將影響水庫大壩安全的因素逐層分解為如圖2所示的結(jié)構(gòu)。構(gòu)建了遞階層次結(jié)構(gòu)圖之后，以向?qū)＜医淌谡{(diào)查咨詢的方法，得到各層次指標的判斷矩陣，再經(jīng)過一系列的計算便可獲得各個指標的權(quán)重大小。

4.2.2 判 斷

判斷是指對層次結(jié)構(gòu)圖中的最底層指標因素進行評估。在大壩傳統(tǒng)的安全評價方法中，利用A、B、C三個等級對這些指標進行評判。但是，在利用層次分析法時要量化這些指標因素，即對底層各個指標因素進行評分。在本文中，提出了一種等級劃分標準，如表3所示。

根據(jù)水庫大壩的現(xiàn)狀具體分析，對各項指標以其問題的嚴重程度打分。賦予這些分值時需經(jīng)過相關(guān)專家的評比探討，其應(yīng)具有一定的客觀性。

表3 各個指標的等級劃分表

4.2.3 綜 合

綜合是計算底層指標因素相對于總目標決策的權(quán)重，且對其進行一致性檢驗。最后，將各個指標所得的分值和其相應(yīng)的權(quán)重進行相乘后相加，即可得到水庫大壩安全評價的具體分值。根據(jù)水庫所得分值，便可比較同等級水庫的病險嚴重程度。水庫的總分值越低，其病險問題就越嚴重，其進行除險加固的需求就越迫切。

4.3 工程實測

4.3.1 工程概況

M水庫為小(2)型水庫，修建于19世紀50年代，大壩是均質(zhì)土壩，總庫容為12.5萬m3，壩軸線長約93.0 m，壩頂平均寬4.50 m。小(2)型水庫的主要建筑物有大壩、臨時溢洪道及輸水涵洞。大壩壩體與壩基均存在滲漏，臨時溢洪道為開敞式未襯砌土渠，斷面極不規(guī)則。輸水涵洞進口淤塞，閘閥失靈、難于啟閉。涵洞洞身滲漏嚴重。

N水庫為小(2)型水庫，建于20世紀，曾于2013年進行了部分改造。大壩為均質(zhì)土壩，總庫容為12萬m3，壩頂平均寬6.5 m，壩軸線長約33.0 m。壩體碾壓質(zhì)量、防滲質(zhì)量均較好，溢洪道為開敞式漿砌石襯砌渠道(矩形斷面)，結(jié)構(gòu)完整，但進口段底板淤積嚴重、雜草叢生，底板和邊墻局部漿砌石及砂漿抹面有輕微的破損。輸水涵洞出口的轉(zhuǎn)蓋門操作不方便，易關(guān)閉不嚴，同時也容易生銹。

按傳統(tǒng)的大壩安全評價方法對M、N水庫進行評判，兩者均為C等、三類壩，是病險水庫大壩。

4.3.2 構(gòu)造判斷矩陣確定各指標權(quán)重

以本文中圖2為依據(jù)，通過兩兩比較、1～9級標度法，共構(gòu)造了8個判斷矩陣。針對這些判斷矩陣，利用Matlab編程可求取各指標的權(quán)重，且作一致性檢驗。各個判斷矩陣的層次單排序權(quán)值的計算結(jié)果如表4。

表4 各判斷矩陣的層次單排序權(quán)值和其一致性檢驗

23個底層指標的合成權(quán)重W為：

W=[ 0.071 0.029 0.012 0.021 0.007

0.039 0.015 0.026 0.080 0.045

0.092 0.198 0.033 0.059 0.044

0.119 0.016 0.013 0.031 0.005

0.032 0.010 0.004]

4.3.3 綜合評價

對M、N兩個小型水庫的23個指標進行打分，如表5。并按照各個指標權(quán)重計算得到每個水庫的綜合評價得分。

由表5可知，M、N兩座水庫雖同為三類壩，但M水庫比N水庫的總分要低，說明M水庫的病險程度遠比N水庫嚴重得多。當洪水期到來時，M水庫更容易發(fā)生漫壩或潰壩事故，對下游人們?nèi)罕姷纳敭a(chǎn)的威脅性極大。故M水庫和N水庫兩者相比來說，對M水庫除險加固的緊急性和必要性較強，故應(yīng)先對M水庫的病險問題采取必要的工程處理措施。

表5 M、N兩個小型水庫的得分表

5 結(jié) 語

本文著重探討了傳統(tǒng)的水庫綜合安全評價中存在的缺陷，即不能反映水庫大壩的病險嚴重程度，并就此引入層次分析法構(gòu)建了水庫安全評價的定量評價分析模型。與現(xiàn)行規(guī)程相比，該評價模型可以得出量化的結(jié)論，反映出水庫的病險嚴重程度，從而可以更加合理地對小型水庫除險加固工程進行決策。而且，由于通過了專家教授的評判論證，該層次分析法模型中構(gòu)建了合理客觀的判斷矩陣及評價準則，使得該模型更加具有可信度和實用性，進而成為水庫大壩綜合安全評價的一個值得研究的新方法。

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