朱紅軍，范衍琦，宋 力，胡繼成，劉華強(qiáng)

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院， 江蘇 揚(yáng)州 225002； 2.宿遷市水務(wù)局， 江蘇 宿遷 223800)

閘壩工程安全評(píng)估[1]因其自身結(jié)構(gòu)功能的復(fù)雜性，需結(jié)合工程現(xiàn)狀調(diào)查分析、現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)和工程復(fù)核計(jì)算這三項(xiàng)成果來(lái)綜合評(píng)判,其實(shí)質(zhì)也是多準(zhǔn)則的閘壩結(jié)構(gòu)可靠度評(píng)定的過(guò)程。在閘壩安全等級(jí)評(píng)估中先后建立了專家評(píng)估法、專家系統(tǒng)法、標(biāo)準(zhǔn)比照評(píng)價(jià)法、層次分析法、灰色評(píng)估方法和加權(quán)遞階評(píng)估法等。陳守煜等[2-4]創(chuàng)建的系統(tǒng)模糊決策的可變模糊集理論廣泛應(yīng)用于水文水資源、環(huán)境、土建工程、化工和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，亦可用于水利工程安全評(píng)價(jià)，如水閘[5]、河道健康[6-8]等。上述各種方法對(duì)橡膠壩工程的安全評(píng)估卻尚未見(jiàn)到相關(guān)文章，本文在獲得橡膠壩各構(gòu)件服役情況檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)比各種評(píng)估方法的優(yōu)劣，參考陳守煜創(chuàng)建的可變模糊集理論，將模糊模式識(shí)別模型引入到橡膠壩安全評(píng)估中，判斷其在正常使用和維護(hù)條件下的安全性和適用性。

1 模糊識(shí)別模型簡(jiǎn)介

已知待識(shí)別樣本的多個(gè)指標(biāo)特征值和多個(gè)級(jí)別的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算與識(shí)別樣本指標(biāo)屬于相關(guān)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)模式的相對(duì)隸屬度，確定各指標(biāo)值的權(quán)重，計(jì)算樣本級(jí)別特征值，評(píng)價(jià)樣本屬于哪一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)模式[6]。根據(jù)工程運(yùn)行管理現(xiàn)狀確定評(píng)價(jià)因素的權(quán)重[9]是模型建立的核心，據(jù)此可以獲得滿意的評(píng)估結(jié)果。建立模糊模式識(shí)別模型主要分為以下幾步。

1.1 將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值規(guī)格化

對(duì)可分c個(gè)評(píng)價(jià)級(jí)別的模糊概念A(yù)進(jìn)行識(shí)別的n個(gè)樣本，每個(gè)樣本均有m個(gè)指標(biāo)特征值，則相應(yīng)的指標(biāo)特征值和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣為：

X=(xij)；i=1，2，…，m，j=1，2，…，n

(1)

Y=(yih)；h=1，2，…，c

(2)

在進(jìn)行識(shí)別之前先將指標(biāo)特征值變換為對(duì)模糊概念A(yù)(本文為橡膠壩工程安全)的指標(biāo)相對(duì)隸屬度，即消除指標(biāo)量綱差異。對(duì)于越大越優(yōu)型或越小越優(yōu)型指標(biāo)，其計(jì)算公式有多種，本文根據(jù)需要采用式(3)和式(4)：

(3)

(4)

無(wú)論越大越優(yōu)或越小越優(yōu)型指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值，均可利用公式(5)得到級(jí)別h指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)值yih對(duì)模糊概念A(yù)的規(guī)格化數(shù)：

(5)

經(jīng)規(guī)格化處理后可得指標(biāo)特征值與指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值規(guī)格化矩陣為：

R=(rij)； 0≤rij≤1

(6)

S=(sih)； 0≤sih≤1

(7)

1.2 確定指標(biāo)權(quán)向量

其確定方法[10-11]可從識(shí)別的安全性與樣本的整體性進(jìn)行考慮。具體方法如下：

(1) 確定指標(biāo)重要性的定性排序。通過(guò)征詢?nèi)舾晌幌嚓P(guān)專業(yè)的專家意見(jiàn)，進(jìn)行關(guān)于重要性的定量、定性評(píng)價(jià)指標(biāo)二元比較，列出定性排序標(biāo)度矩陣E

(8)

(2) 標(biāo)度矩陣E的一致性檢驗(yàn)。根據(jù)一致性條件(若ehk>ehl時(shí)，計(jì)ekl=0；若ehk

(3) 確定指標(biāo)對(duì)重要性的相對(duì)隸屬度。根據(jù)實(shí)際工程情況，以矩陣各行和數(shù)最大排序數(shù)所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)為準(zhǔn)，應(yīng)用表1所述語(yǔ)氣算子[11]分別與其余目標(biāo)進(jìn)行比較?？傻酶髦笜?biāo)對(duì)重要性的相對(duì)隸屬度。

(4) 歸一化處理，得歸一化權(quán)向量。

(9)

表1 語(yǔ)氣算子與模糊標(biāo)度、隸屬度對(duì)應(yīng)關(guān)系[11]

1.3 計(jì)算樣本對(duì)級(jí)別h的相對(duì)隸屬度

樣本j與級(jí)別h之間的差異可用廣義歐氏權(quán)距離式(10)表示：

(10)

將R中的相對(duì)隸屬度rij分別與矩陣S中的行向量逐一比較，得級(jí)別上下限aj和bj。相對(duì)隸屬度所構(gòu)成的矩陣即為模糊識(shí)別理論模型：

(11)

α為模型優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)，p為距離參數(shù)，本文中α等于2，p等于2。樣本歸屬于各個(gè)級(jí)別的相對(duì)隸屬度矩陣為：

(12)

從而計(jì)算樣本的級(jí)別特征值并對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)：

(13)

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 橡膠壩的基本情況

某橡膠壩[13]建成于2001年，該壩為充水枕式橡膠壩，長(zhǎng)30 m，高1.6 m，底板高程21.1 m(廢黃河高程)；壩底板、消力池及兩側(cè)翼墻底板均采用素混凝土結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度為C20，上游鋪蓋、下游護(hù)坦及上下游翼墻墻身采用漿砌塊石結(jié)構(gòu)，充水泵房和壩袋端部扶壁式擋墻采用C25的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。2014年將原來(lái)柴油機(jī)充水機(jī)泵更換為電動(dòng)機(jī)。2016年夏季橡膠壩在排澇過(guò)程中發(fā)生下游護(hù)坦沖毀、消力池部分沖毀、下游右側(cè)翼墻部分底板掏空險(xiǎn)情。

2.2 橡膠壩評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以橡膠壩工程現(xiàn)狀調(diào)查和安全檢測(cè)過(guò)程為實(shí)例,擬選取該壩底板混凝土強(qiáng)度x1，扶壁翼墻的混凝土強(qiáng)度x2、碳化深度x3和保護(hù)層厚度x4為定量評(píng)價(jià)指標(biāo)；壩袋材料老化x5、塌肩漏水x6、上下游漿砌石翼墻x7、消能防沖設(shè)施x8、沖排設(shè)備x9和工程管理能力x10為定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。定量指標(biāo)采用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，定性指標(biāo)根據(jù)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)采用百分制進(jìn)行評(píng)分,定性指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和分級(jí)評(píng)分區(qū)間見(jiàn)表2，取五位專家對(duì)定性指標(biāo)打分平均值為定性指標(biāo)特征值，評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值見(jiàn)表3。

表2 橡膠壩安全與各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間值的關(guān)系

表3 橡膠壩工程分級(jí)指標(biāo)值

按照式(3)、式(4)、式(5)計(jì)算指標(biāo)特征值和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值的相對(duì)隸屬度矩陣R=(1.00，1.00，1.00，1.00，0.22，0.49，0.55，0.28，0.85，0.64)

S=(1 2/3 1/3 0)=(sih) ?i

通過(guò)公式(8)可以計(jì)算出含10個(gè)特征指標(biāo)的標(biāo)度矩陣E

矩陣E各行之和依次為4.0，2.5，1.0，1.0，9.5，8.5，7.5，4.0，6.0，6.0。從由大到小的排列得出評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于重要性的排序?yàn)閤5>x6>x7>x9=x10>x1=x8>x2>x3=x4，排序中沖排設(shè)備和工程管理能力同樣重要，底板混凝土強(qiáng)度和消能防沖設(shè)施同樣重要，扶壁翼墻碳化深度和保護(hù)層厚度同樣重要。

歸一化后權(quán)重向量為

w=(0.070，0.052，0.023，0.023，0.210，0.155，0.140，0.101，0.113，0.113)

根據(jù)式(12)、式(13)編寫MATLAB程序計(jì)算各個(gè)級(jí)別的相對(duì)隸屬度矩陣和級(jí)別特征值為

U=(0.1017，0.3533，0.4258，0.1192)

H=(1，2，3，4)·UT=2.563

根據(jù)H對(duì)橡膠壩安全評(píng)估，由文獻(xiàn)[2]知評(píng)價(jià)規(guī)則H∈[c-0.5，c+0.5]，則將評(píng)價(jià)區(qū)域歸于c類。故該橡膠壩安全評(píng)估等級(jí)為3級(jí)，偏于2級(jí)。

根據(jù)規(guī)范[14]規(guī)定，運(yùn)用指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程存在嚴(yán)重?fù)p壞，經(jīng)除險(xiǎn)加固后，才能達(dá)到正常運(yùn)行。由于橡膠壩袋整體嚴(yán)重老化，端部塌肩漏水現(xiàn)象突出，下泄水流將海漫護(hù)底完全沖毀，危及到橡膠壩整體的穩(wěn)定安全?？烧w更換橡膠壩袋，并對(duì)消能設(shè)施和沖毀的部分翼墻進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

3 結(jié) 論

本文基于可變集模糊理論，將模糊識(shí)別模型首次引入橡膠壩的安全等級(jí)評(píng)估中。結(jié)合安全檢測(cè)數(shù)據(jù)和工程現(xiàn)狀調(diào)查分析，選取混凝土強(qiáng)度值、碳化深度等定量指標(biāo)和工程重要部位外觀、工程管理能力等定性指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行綜合考慮，合理確定各因素對(duì)橡膠壩工程安全的影響程度，減小了各評(píng)價(jià)指標(biāo)在橡膠壩安全等級(jí)評(píng)估中的誤差。

通過(guò)將評(píng)估結(jié)果與橡膠壩實(shí)例工程進(jìn)行比較，其結(jié)果能正確描述和反映工程運(yùn)行狀態(tài)，與實(shí)際情況較好吻合，且模糊模式識(shí)別方法應(yīng)用簡(jiǎn)便，考慮安全檢測(cè)中定性描述的權(quán)重比例，不失為解決類似評(píng)估問(wèn)題的一種新方法，具有良好的應(yīng)用前景。本文的不足之處是沒(méi)有加入工程復(fù)核資料，有待后期繼續(xù)完善評(píng)估模型。