黃春財(cái)

(江西省永豐縣水利局建管股，江西 吉安 331500)

0 引 言

裂縫開(kāi)度、揚(yáng)壓力、位移、變形和滲流等因素均可對(duì)大壩安全產(chǎn)生影響，且大壩運(yùn)行狀態(tài)受不同因素的影響程度存在一定差異，對(duì)大壩安全水平利用單一因素評(píng)價(jià)存在較大的不確定性，同時(shí)各因素間的關(guān)聯(lián)作用往往具有隨機(jī)性，因此有必要融合各類不確定信息綜合評(píng)價(jià)大壩的安全狀態(tài)[1]。張琳等[2]依據(jù)評(píng)估函數(shù)、持續(xù)序列和D-S證據(jù)理論，基于相關(guān)研究資料建立了信息評(píng)估模型和可信度函數(shù)；李文立等[3]對(duì)證據(jù)模型在沖突分配過(guò)程中加以修正，有效解決了Dempster處理規(guī)則中存在的問(wèn)題；曹杰等[4]將多維空間中的點(diǎn)與基本概率賦值一一對(duì)應(yīng)，用于加權(quán)融合計(jì)算；畢凱等[5]將聚類分析和模糊數(shù)學(xué)法相耦合提出一種新的分析方法。目前，關(guān)于不同類和同類監(jiān)測(cè)項(xiàng)目間的數(shù)據(jù)融合研究還鮮有報(bào)道，且考慮權(quán)重的加權(quán)融合法的研究更少。鑒于此，此次對(duì)同類項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用變異系數(shù)聯(lián)系，對(duì)各項(xiàng)目權(quán)重利用歐式距離計(jì)算，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用優(yōu)化的加權(quán)融合法求解，對(duì)水庫(kù)大壩的安全狀況結(jié)合D-S證據(jù)理論評(píng)價(jià)。

1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化處理

各項(xiàng)初始數(shù)據(jù)因量綱和量級(jí)的不同無(wú)法直接參與計(jì)算，為消除各效應(yīng)量之間的不可通透性和避免數(shù)量級(jí)懸殊對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，有必要無(wú)量綱化處理各原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具體如下：

1)對(duì)于數(shù)值越小則水庫(kù)大壩安全性能越高的壩體滲流、壩基揚(yáng)壓力等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，利用如下公式處理原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即：

(1)

2)對(duì)于數(shù)值越適中則水庫(kù)大壩安全性能越好的徑向位移、切向位移等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，采用下述公式對(duì)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理，即：

(2)

3)對(duì)于數(shù)值越大則水庫(kù)大壩安全性能越好的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，根據(jù)計(jì)算式(3)處理其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其表達(dá)式為：

(3)

1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歸一化

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

1.3 變異系數(shù)賦權(quán)法

針對(duì)同一測(cè)點(diǎn)存在多組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)且含有較多測(cè)點(diǎn)的項(xiàng)目，采用變異系數(shù)法對(duì)同測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)間權(quán)重賦值。例如，對(duì)于布置了m個(gè)測(cè)點(diǎn)且每個(gè)測(cè)點(diǎn)存在n個(gè)測(cè)值的壩頂水平位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，利用下式計(jì)算確定測(cè)點(diǎn)i的變異系數(shù)δi，其表達(dá)式為：

(9)

2 D-S證據(jù)理論

集合與命題之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系按照證據(jù)理論中的信任函數(shù)確立，而信任函數(shù)的規(guī)則更新主要通過(guò)D-S合成規(guī)則實(shí)現(xiàn)，在解決處理不確定數(shù)據(jù)融合沖突時(shí)具有較強(qiáng)的適用性。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中采用層次分析法和系統(tǒng)工程理論，確定評(píng)價(jià)因素并建立隸屬函數(shù)，然后對(duì)各因素的基本概率分配函數(shù)利用隸屬函數(shù)計(jì)算，總的概率分配和最終評(píng)價(jià)等級(jí)依據(jù)D-S準(zhǔn)則合成確定。

2.1 建立評(píng)價(jià)因素集

裂縫開(kāi)度、位移、滲流和揚(yáng)壓力等為影響大壩安全的主要因素，在大壩安全評(píng)價(jià)中建立的因素集為U={u1,u2,…,un}，選取的因素要綜合反映大壩的深層滑移、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等狀態(tài)。依據(jù)監(jiān)測(cè)信息的取值范圍和大壩安全檢查實(shí)施細(xì)則，文章結(jié)合水庫(kù)大壩運(yùn)行實(shí)際情況和相關(guān)文獻(xiàn)資料將安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分4個(gè)等級(jí)，由此構(gòu)建的模糊評(píng)價(jià)集為：

V={V1，V2,V3,V4}={不安全，較不安全，較安全，安全}

(10)

式中：Vi為評(píng)價(jià)體系中的某指標(biāo)的安全狀態(tài)；V為水庫(kù)運(yùn)行的安全識(shí)別等級(jí)框架。各評(píng)價(jià)因子和不同等級(jí)之間的聯(lián)系利用隸屬度區(qū)間建立，當(dāng)前還未形成普遍適用的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，等區(qū)間劃分法為當(dāng)前系統(tǒng)工程的常用方法。本研究采用等區(qū)間劃分法確定大壩安全評(píng)價(jià)等級(jí)，具體見(jiàn)表1。

表1 大壩安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 概率賦值法計(jì)算

對(duì)不確定性、模糊性信息利用D-S證據(jù)理論融合，需要采用隸屬函數(shù)獲取基本概率分配函數(shù)，然后對(duì)監(jiān)測(cè)信息賦予相應(yīng)的數(shù)值。為滿足運(yùn)算簡(jiǎn)化和數(shù)據(jù)后期分區(qū)的要求，隸屬函數(shù)值μA(x)按照三角形模糊式計(jì)算確定，其表達(dá)式如下：

(11)

式中：a、b、c為劃分的區(qū)間界限值。

根據(jù)表1識(shí)別框架和隸屬函數(shù)形式，將大壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的概率賦值設(shè)定為隸屬度，計(jì)算式如下：

(12)

(13)

(14)

(15)

式中：ui為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的監(jiān)測(cè)項(xiàng)指標(biāo)值；m((Vi)為不同評(píng)價(jià)等級(jí)下各指標(biāo)的概率賦值，大壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的測(cè)量值趨近于屬性特征中心值的程度越高，則對(duì)應(yīng)的目標(biāo)BPA越大。

2.3 概率賦值的融合

(16)

式中：A、Φ為集合和空集；m1(Vi)、m2(Vj)為安全評(píng)價(jià)因子的兩個(gè)概率賦值函數(shù)；K為衡量信息沖突程度的標(biāo)準(zhǔn)，若K≤1則認(rèn)為信息間存在沖突，無(wú)法融合；若K≠1，則認(rèn)為能夠融合信息。

根據(jù)以上規(guī)則融合的不確定信息具有較差的魯棒性，即融合結(jié)果受基本概率賦值的影響較為顯著，當(dāng)存在賦值為零的情況下焦元概率值無(wú)法為零，信息融合具有“一票否決”的屬性。因此，文章對(duì)證據(jù)融合提出一種歐式距加權(quán)改進(jìn)的方法，設(shè)兩個(gè)點(diǎn)在n維歐式空間內(nèi)為A(x1，x2，…，xn)、B(y1，y2，…，yn)，則利用歐式公式確定該兩點(diǎn)的距離D(A，B)為：

(17)

n維歐式空間中不同的點(diǎn)視為大壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，以向量的形式x=(a1,a2,…,an)、y=(b1,b2,…,bn)對(duì)坐標(biāo)mi(A1)=a1，mi(A2)=a2，…，mj(An)=an；mj(B1)=b1，mj(B2)=b2，…，mj(Bn)=bn進(jìn)行轉(zhuǎn)變處理。兩證據(jù)間的距離d(m1,m2)利用歐式距離計(jì)算式確定，即：

(18)

3 實(shí)例分析

大坑水庫(kù)位于永豐縣藤田鎮(zhèn)藤田河左支中西山水上游，該水庫(kù)是一座集灌溉、防洪、養(yǎng)殖、供水等功能于一體的小(2)型水利工程，設(shè)計(jì)和實(shí)際灌溉面積分別為100hm2和66.7hm2。經(jīng)三十多年的服役運(yùn)行，工程設(shè)施不配套、年久失修、建筑物老化等問(wèn)題突出，樞紐工程現(xiàn)已無(wú)法滿足正常運(yùn)行要求。對(duì)此，永豐縣水利局對(duì)大坑水庫(kù)大壩進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有裂縫開(kāi)度、水平位移、垂直位移、揚(yáng)壓力和滲流，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查樞紐工程和走訪調(diào)查水庫(kù)運(yùn)行管理、施工、設(shè)計(jì)等情況，確定了其病險(xiǎn)隱患，具體如下：

1)該水庫(kù)樞紐工程坐落在第四系殘坡積層之上，巖石破碎，構(gòu)造發(fā)育，壩頂寬5.5m，大壩上游坡為1∶2.0，無(wú)護(hù)坡，下游坡為1∶2.0，無(wú)壩面排水系統(tǒng)，未做濾土排水設(shè)施。該大壩屬于均質(zhì)土壩，土體松軟，見(jiàn)多處沖溝，壩體土主要是風(fēng)化料，含大塊徑風(fēng)化巖塊。壩體蟻害嚴(yán)重，1/4壩高以下壩坡及壩腳沿線見(jiàn)濕軟散浸區(qū)，主河床部位滲流明顯，壩腳沿線見(jiàn)大面積沼澤地；當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到200.44m高程以上時(shí)大壩滲漏更為明顯，左壩段199.44m高程處見(jiàn)集中滲漏點(diǎn)；壩肩山體破碎，左壩肩1/2壩高處見(jiàn)集中繞壩滲漏,壩體、壩肩、壩基滲漏嚴(yán)重。

2)溢洪道位于壩右的天然亞口內(nèi)，地基為震旦系凝灰質(zhì)千枚巖，巖體呈全強(qiáng)風(fēng)化，巖石破碎，邊坡穩(wěn)定性差，局部塌方；溢洪道開(kāi)敞式寬頂堰體，設(shè)計(jì)寬度3.8m，實(shí)際寬3.8m，陡槽底板和邊坡無(wú)襯砌，沖刷嚴(yán)重，無(wú)消能設(shè)施，無(wú)排洪渠，泄洪時(shí)沖毀下游農(nóng)田[6]。

3)斜管斷裂、消力池破壞漏水嚴(yán)重，平涵管預(yù)制混凝土平涵接縫砂漿脫落，與壩體存在接觸滲漏[7]。

4)水庫(kù)由水面經(jīng)營(yíng)人員兼管，無(wú)管理制度，管理不規(guī)范，。無(wú)水、雨情觀測(cè)設(shè)施，無(wú)通訊設(shè)施[8。

采用ARMA預(yù)測(cè)模型和某一時(shí)間段內(nèi)大坑水庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按照監(jiān)測(cè)資料擬合值科學(xué)評(píng)價(jià)大壩安全狀態(tài)。

3.1 數(shù)據(jù)前期處理

設(shè)U={u1,u2,u3,u4,u5}={滲流，揚(yáng)壓力，垂直位移，水平位移，裂縫開(kāi)度}為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)因素集，然后利用文中所述歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化公式對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲取10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值，見(jiàn)表1。在上下游、左右方、上下方同一測(cè)點(diǎn)同一時(shí)刻的裂縫寬度監(jiān)測(cè)項(xiàng)目存在3個(gè)數(shù)據(jù)，其它項(xiàng)為1個(gè)，所以需要采用變異系數(shù)法對(duì)裂縫開(kāi)度監(jiān)測(cè)值賦權(quán)。

表1 大壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)值

3.2 基本概率賦值

根據(jù)基本概率賦值計(jì)算公式和各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化值，求解出水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)最底層賦值，然后對(duì)基本概率賦值的權(quán)重及其距離按照公式(18)和響應(yīng)的流程求解，從而確定包含多個(gè)測(cè)點(diǎn)的每一種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目概率賦值，通過(guò)融合計(jì)算確定存在多個(gè)測(cè)點(diǎn)的項(xiàng)目賦值，如表2。

表2 融合計(jì)算的基本概率賦值

從表2可知，大壩安全融合值隸屬于較安全V3的指標(biāo)為0.048，除不確定因素外較安全V2和安全V1指標(biāo)的融合值為0.527，總體融合值的50%以上為較安全和安全等級(jí)，因此可認(rèn)為該大壩處于安全狀態(tài)。然而，由于不確定度概率賦值還位于較高水平的0.426，所以要獲取更加準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果需要擴(kuò)大融合的底層指標(biāo)數(shù)，綜合考慮其他檢測(cè)資料提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。從單項(xiàng)指標(biāo)的角度分析，壩基滲流的概率賦值為0.495，屬于不安全的程度較高，可見(jiàn)大壩面臨著滲流安全隱患，必須采取有效的安全措施提高壩基滲流穩(wěn)定性。采用時(shí)間序列預(yù)測(cè)前期數(shù)據(jù)時(shí)，可以保證評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性，但無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)期的預(yù)測(cè)，若進(jìn)一步提高融合精度需要考慮其他更多的監(jiān)測(cè)信息[9]。

4 結(jié) 論

1)文章對(duì)D-S證據(jù)理論利用加權(quán)融合法加以優(yōu)化，從而建立了數(shù)據(jù)與信息對(duì)象將的聯(lián)系。對(duì)監(jiān)測(cè)信息指標(biāo)權(quán)重利用歐式距離公式求解，采用變異系數(shù)賦權(quán)法處理同一測(cè)點(diǎn)的多組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)直接融合不同測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的目的。

2)對(duì)永豐縣藤田鎮(zhèn)大坑水庫(kù)大壩安全狀態(tài)采用加權(quán)優(yōu)化的D-S證據(jù)理論評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與工程實(shí)際情況基本相符，可見(jiàn)該優(yōu)化方法具有較高的可靠性和可行性。