呂繼賓

(宜春市袁州區(qū)電力建設(shè)管理站,江西 宜春 336000)

引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2017年我國已修建水庫98795座，水電站4.82萬座，裝機(jī)容量3.41億kW，總庫容9035億m3。受運(yùn)行管理措施、庫盤地質(zhì)形態(tài)、大壩環(huán)境條件和施工質(zhì)量等諸多因素限制，全國總水庫的43%均屬于病險(xiǎn)水庫，因此水庫加固整治仍面臨著巨大的考驗(yàn)。針對(duì)病險(xiǎn)水庫的加固整治效果利用合理有效的評(píng)價(jià)模型分析，對(duì)于全面消除水庫安全隱患和加固治理方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。例如，劉展志等綜合考慮水體環(huán)境、經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率、灌溉和防洪效益增量等構(gòu)建水庫加固效果評(píng)估體系，采用改進(jìn)的云模型和評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)分析了水庫加固成效；蔡德所等利用多元回歸法和灰色模型GM(1,1)擬合預(yù)測(cè)了關(guān)鍵段堆石壩面板撓度的變形檢測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Matlab軟件完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算分析；王寧等以非線性組合優(yōu)化問題實(shí)現(xiàn)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，通過對(duì)傳統(tǒng)層次分析法的優(yōu)化提出了水庫加固效果模擬退火評(píng)價(jià)模型；潘翔等從指標(biāo)時(shí)效性的角度建立了大壩加固效果評(píng)價(jià)量化模型，對(duì)比分析了時(shí)效性指標(biāo)與指標(biāo)等級(jí)、大壩形態(tài)變化之間的關(guān)系；胡江等提出了水庫加固方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的LQI和風(fēng)險(xiǎn)理論，在此基礎(chǔ)上建立定量評(píng)估水庫加固效應(yīng)模型和快速估算潰壩損失的公式。然而，對(duì)于每個(gè)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法仍以定性分析為主，未考慮水庫加固效果評(píng)價(jià)存在的不確定性和模糊性特征。針對(duì)水庫加固效果評(píng)價(jià)存在的層次結(jié)構(gòu)多、要素多的特點(diǎn)[1-7]。文章利用三標(biāo)度法改進(jìn)傳統(tǒng)的層次分析法以解決主觀決策對(duì)權(quán)重計(jì)算的影響問題，綜合應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)法構(gòu)建水庫加固效果評(píng)估模型，并以江西省袁州區(qū)酌江水庫加固工程為例驗(yàn)證了其可行性。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

水庫除險(xiǎn)加固工程涉及到的技術(shù)復(fù)雜、范圍寬泛、內(nèi)容較多，且不同區(qū)域的水庫運(yùn)行和水文條件存在較大差異，為了能夠更加真實(shí)、全面的掌握水庫加固效果應(yīng)選擇具有代表性的數(shù)據(jù)信息。因此，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立要服從定量定性相結(jié)合、完備性、層次性和科學(xué)性等原則，從復(fù)雜的信息中篩選出有價(jià)值的數(shù)據(jù)，最終選取施工工藝、技術(shù)適用性、滲透坡降、工程投資等28個(gè)指標(biāo)構(gòu)建多結(jié)構(gòu)、多要素評(píng)價(jià)體系，見表1。

表1 酌江水庫加固效果評(píng)價(jià)體系與評(píng)分值

2 改進(jìn)三標(biāo)度層次分析法確定權(quán)重

采用1-9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣為傳統(tǒng)層次分析法重要基礎(chǔ)，該標(biāo)度過于細(xì)化、分級(jí)較多，難以準(zhǔn)確掌握不同標(biāo)度形成的比較尺寸，這在一定程度上降低了矩陣的精準(zhǔn)度，并增大了評(píng)估的難度。針對(duì)每個(gè)指標(biāo)的重要度專家運(yùn)用三標(biāo)度準(zhǔn)則判別時(shí)，可以省去復(fù)雜的檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，有效解決1-9標(biāo)度法存在的計(jì)算量大、偏差大和主觀性強(qiáng)等問題。所以，本文對(duì)每個(gè)指標(biāo)的重要度利用專家較容易給出的三標(biāo)度法排序，即對(duì)每個(gè)指標(biāo)權(quán)重利用改進(jìn)三標(biāo)度法求解，其主要步驟為：

步驟一：評(píng)價(jià)體系中準(zhǔn)則層的比較矩陣為C=(cij)，專家按照以下方法構(gòu)造：

(1)

步驟二：根據(jù)公式(2)和比較矩陣C構(gòu)造判斷矩陣A=(aij)，即：

(2)

式中：n為比較矩陣的階數(shù)；ri、rj為比較矩陣的行和列。

步驟三：每個(gè)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算。通過對(duì)每個(gè)指標(biāo)權(quán)重的求解，經(jīng)整合運(yùn)算和標(biāo)準(zhǔn)化處理輸出最終的權(quán)重，計(jì)算式為：

(3)

(4)

根據(jù)以上流程和改進(jìn)的三標(biāo)度法可以求解出水庫加固效果評(píng)價(jià)每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，將其表示成集合的形式為W={ω1,ω2,…,ωn}。

3 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

采用不同評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度函數(shù)構(gòu)造模糊關(guān)系映射矩陣，其中模糊關(guān)系的合成運(yùn)算為模糊綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，考慮水庫除險(xiǎn)加固每個(gè)評(píng)價(jià)因素的隸屬等級(jí)狀況完成綜合評(píng)價(jià)，該過程屬于一項(xiàng)多層次、多要素的復(fù)雜性系統(tǒng)問題，對(duì)此選用模糊數(shù)學(xué)法來評(píng)價(jià)，其主要流程如下：

步驟一：確定因子集U。結(jié)合不同層次的評(píng)價(jià)元素形成因子集U，如將運(yùn)行管理、技術(shù)適用性評(píng)價(jià)、社會(huì)發(fā)展影響、工程投資等因素集成，形成的因子集為U={u1,u2,…,um}，其中ui為單項(xiàng)因子，i=1,2，…，m。

步驟二：構(gòu)造評(píng)語集V。結(jié)合水庫運(yùn)行現(xiàn)狀和加固治理目標(biāo)要求，針對(duì)不同的評(píng)價(jià)等級(jí)給予合適的評(píng)語，將其構(gòu)成集合V，即V={v1,v2,…,vn}，vi為評(píng)價(jià)等級(jí)，j=1，2，…，n。

步驟三：單因子模糊評(píng)價(jià)。設(shè)ui為因子集中第i個(gè)元素，對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)vj該單因子的隸屬度為rij，則獲取所有單因子的模糊評(píng)價(jià)矩陣R。

步驟四：加固效果模糊綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)每個(gè)元素ui隸屬于不同等級(jí)的程度，建立單因子模糊權(quán)重子集W={ω1,ω2,…,ωn}，然后利用合成算子對(duì)R與W作模糊運(yùn)算處理，由此獲取水庫加固效果的綜合評(píng)判集B，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

B=(bi)=W°R

(5)

式中：bj為水庫加固效果綜合評(píng)價(jià)值。

最終，按照最大隸屬度原則判定加固效果所處的等級(jí)，模糊綜合法有效解決了多因子權(quán)重分配困難的問題，同時(shí)考慮了不同層次中各元素的貢獻(xiàn)率。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 工程概況

在特殊的歷史環(huán)境下修建的江西省宜春市酌江水庫，其勘測(cè)、設(shè)計(jì)及施工等方面均存在一定的缺陷，加之維修管理不善和建設(shè)期資金的不足，給水庫大壩留下了許多安全隱患。通過對(duì)整個(gè)水庫工程的勘查與檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)大壩、溢洪道、輸水洞等存在的問題有：①上游混凝土護(hù)坡風(fēng)化破損嚴(yán)重喪失相應(yīng)的功能，下游護(hù)坡坡面風(fēng)化破損嚴(yán)重，樹木、雜草叢生，坡面無排水，壩腳無排水棱體；背坡坡腳逢大雨時(shí)有清水自路面淌出，壩體壩基存在一定滲漏，壩肩處存在強(qiáng)風(fēng)化區(qū)域存在繞滲。②溢洪道兩岸為山體，巖石裸露，凹凸不平，風(fēng)化嚴(yán)重，整體無襯砌，溢洪道無消能設(shè)施，出口處漿砌石工程部分損毀。③啟閉塔及啟閉設(shè)施不能正常使用，輸水洞出口無啟閉設(shè)施，進(jìn)出口鋼管破損嚴(yán)重。④無系統(tǒng)水位、雨量觀測(cè)等設(shè)施。

根據(jù)安全鑒定結(jié)論和水庫運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題，充分考慮設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和安全鑒定意見實(shí)施酌江水庫除險(xiǎn)加固工程。該工程主要建設(shè)項(xiàng)目由滑坡體加固處理、渠首加固、老涵管封堵工程、老隧洞洞身襯砌、老隧洞洞身灌漿5個(gè)分部工程組成。其中，單位工程建設(shè)內(nèi)容包括：①滑坡體加固處理：滑坡體抗滑樁、滑坡體土方開挖、滑坡體加固擋土墻、滑坡體漿砌石“人”字形護(hù)坡、草皮護(hù)坡。②渠首加固：1#節(jié)制閘閘室、閘墩、啟閉框架、跌坎消力池、2#節(jié)制閘閘室、閘墩、啟閉框架、東干渠襯護(hù)、漿砌石護(hù)坡。③老涵管封堵工程：土方開挖、砂卵石封堵、原涵管C20混凝土封堵、充填灌漿、土方回填。④老隧洞洞身襯砌：模板、鋼筋制安、止水銅片安裝和隧洞混凝土襯砌。⑤老隧洞洞身灌漿：引水隧洞回填灌漿、固結(jié)灌漿[6-12]。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

步驟一：評(píng)估專家依據(jù)三標(biāo)度法對(duì)每個(gè)指標(biāo)的重要度判別，然后利用公式(1)建立相應(yīng)的比較矩陣C。以準(zhǔn)則層中加固設(shè)計(jì)與施工方案C1為例，采用三標(biāo)度法構(gòu)造的比較矩陣CC1如下：

步驟二：根據(jù)公式(2)與比較矩陣C，結(jié)合專家意見建立評(píng)價(jià)體系中三級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣A為：

步驟三：采用公式(3)、(4)求解水庫加固效果每個(gè)三級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理得到最終權(quán)重集為：

w11=(0.2856,0.1430,0.5714)

步驟四：重復(fù)以上運(yùn)算步驟，可以依次求解出每個(gè)層級(jí)中所有因子的權(quán)重。

4.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

步驟一：構(gòu)建評(píng)語集。結(jié)合現(xiàn)有研究資料和水庫大壩安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建水庫加固效果評(píng)語集V={很好，好，一般，很差}，采用五級(jí)制將評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為V1-V5級(jí)，不同等級(jí)下的評(píng)分區(qū)間見表2。

表2水庫加固效果各評(píng)價(jià)等級(jí)分值

參考江西省重要水庫的安全鑒定指導(dǎo)意見、水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則、水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)等資料，采用等級(jí)打分方案邀請(qǐng)10名專家對(duì)酌江水庫除險(xiǎn)加固工程給予評(píng)分(表1)，統(tǒng)計(jì)整理關(guān)于28個(gè)因素每位專家的評(píng)價(jià)等級(jí)，見表3。

表3 三級(jí)指標(biāo)專家評(píng)判等級(jí)

續(xù)表3 三級(jí)指標(biāo)專家評(píng)判等級(jí)

步驟二：每個(gè)元素的隸屬度求解。通過統(tǒng)計(jì)分析每個(gè)元素的專家評(píng)定等級(jí)，確定評(píng)價(jià)體系中各二級(jí)指標(biāo)的隸屬度矩陣，結(jié)果如下：

步驟三：綜合評(píng)價(jià)一級(jí)層次。將隸屬度矩陣r11和C1的權(quán)重集w11=(0.2856,0.1430,0.5714)輸入公式(5)，由此獲取對(duì)應(yīng)于該層次的評(píng)價(jià)結(jié)果為：

BC1=w11°r11=(0.2855,0.5716,0.1429,0,0)

步驟四：采用以上方法和流程可以依次確定其它一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值，以BC1為例，其隸屬于不同等級(jí)的評(píng)價(jià)值為：

BA=w31°r31=(0.2507,0.6280,0.1213,0,0)

4.4 結(jié)果分析

根據(jù)最大隸屬度原則和BA評(píng)價(jià)結(jié)果，屬于“好”等級(jí)的評(píng)價(jià)值最大為0.6280，可見酌江水庫除險(xiǎn)加固工程的整治效果達(dá)到“好”等級(jí)，加固治理項(xiàng)目的實(shí)施很大程度上改善了水庫的運(yùn)行狀況，實(shí)際效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)和設(shè)計(jì)要求，該評(píng)價(jià)結(jié)果與水庫加固情況、工程驗(yàn)收結(jié)論吻合，驗(yàn)證了三標(biāo)度耦合模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型適用于水庫加固效果的評(píng)價(jià)研究。

5 結(jié)論

1)參照水庫安全鑒定指導(dǎo)意見和大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則，針對(duì)病險(xiǎn)水庫加固工程特點(diǎn)選取28項(xiàng)要素構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，將每個(gè)指標(biāo)權(quán)重利用改進(jìn)三標(biāo)度層次分析法求解，從而有效規(guī)避了主觀決策對(duì)加固效果評(píng)價(jià)的影響。結(jié)合加固工程相關(guān)資料和專家意見建立隸屬度矩陣，通過對(duì)評(píng)價(jià)因素集、評(píng)語集的分析引入模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)三級(jí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)利用該模型進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。

2)將酌江水庫除險(xiǎn)加固工程利用所構(gòu)建的模型科學(xué)評(píng)判，結(jié)果顯示該工程隸屬于“好”等級(jí)的程度最大，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠客觀、真實(shí)的反映加固后水庫的運(yùn)行情況，驗(yàn)證了模糊數(shù)學(xué)法與三標(biāo)度準(zhǔn)則相耦合的模型適用于水庫加固效果的評(píng)價(jià)。