周志維，馬秀峰

（1.江西省水利科學(xué)院，330029，南昌；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，330029，南昌）

江西省絕大多數(shù)水庫(kù)管理技術(shù)相對(duì)單一，許多水庫(kù)管理人員不參與工程維修工作，導(dǎo)致大壩在針對(duì)工程安全隱患進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)或除險(xiǎn)加固時(shí)主次矛盾不明確、存在盲目性，從而無(wú)法合理利用資源，大壩安全得不到可靠保障，險(xiǎn)情頻出。通過(guò)利用風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)要素、分析風(fēng)險(xiǎn)大小、合理進(jìn)行排序、最大程度提高工程安全水平是解決大壩風(fēng)險(xiǎn)頻出的有效途徑。

大壩風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)際上是一種決策過(guò)程，即以大壩風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)函數(shù)，風(fēng)險(xiǎn)要素為變量，以有限的資源作為邊界條件，尋求最小風(fēng)險(xiǎn)的最優(yōu)解。然而，分析風(fēng)險(xiǎn)時(shí)往往針對(duì)單一風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行考慮，或基于相對(duì)獨(dú)立的前提下進(jìn)行多因素分析，未充分考慮大壩風(fēng)險(xiǎn)要素之間的系統(tǒng)性及復(fù)雜性。因此，開展大壩風(fēng)險(xiǎn)分析，需要考慮各構(gòu)筑物之間、工程與非工程之間的聯(lián)系，確定各因素之間影響關(guān)系也是開展風(fēng)險(xiǎn)排序的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，常用的決策方法包括層次分析法、模糊積分法和網(wǎng)絡(luò)分析法。其中，層次分析法能將決策問(wèn)題構(gòu)建成類似于系譜樹的層次結(jié)構(gòu)，基于各元素之間相互獨(dú)立的前提下，通過(guò)兩兩比較得到判斷矩陣，與相互影響的管理屬性不相符，影響了決策的可靠性；模糊積分法存在模糊測(cè)度難以確定的問(wèn)題；網(wǎng)絡(luò)分析法（ANP）是基于層次分析法考慮各屬性之間相互依存的多因素評(píng)價(jià)方法，適用于分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)且不易量化的評(píng)價(jià)問(wèn)題。

針對(duì)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)要素具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)及模糊屬性的特征問(wèn)題，采用網(wǎng)絡(luò)分析法確定各因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，并利用模糊隸屬度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判別，建立模糊綜合評(píng)判和網(wǎng)絡(luò)分析法于一體的模糊網(wǎng)絡(luò)分析評(píng)價(jià)方法（以下簡(jiǎn)稱F-ANP法），該方法已在多領(lǐng)域的決策中得到應(yīng)用。本文將其應(yīng)用于水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，為開展水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及管理提供技術(shù)手段。

一、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

1.基本思想

F-ANP法的核心是基于脆弱度理念采用德爾菲法確定模糊隸屬度，構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣，確定評(píng)語(yǔ)集及因素集，在考慮各因素集的權(quán)重時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)分析法，分析各因素之間的相互影響關(guān)系，確定相應(yīng)的權(quán)重關(guān)系，分析步驟如圖1。

2.指標(biāo)體系構(gòu)建

水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)涉及指標(biāo)較多，內(nèi)在關(guān)聯(lián)較密切，因此為客觀準(zhǔn)確反映水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀，在確定指標(biāo)體系時(shí)應(yīng)遵循如下原則：①代表性原則，應(yīng)直接或間接體現(xiàn)水庫(kù)主要的破壞路徑；②可量化原則，評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)獲取應(yīng)簡(jiǎn)單易懂，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查便于收集數(shù)據(jù)集；③層次性原則，指標(biāo)體系應(yīng)具有層次性，能從不同方面、不同層次反映水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際情況。

大壩風(fēng)險(xiǎn)一般通過(guò)建筑分類及破壞的主要模式確定，將指標(biāo)體系分為兩級(jí)：一級(jí)指標(biāo)共5個(gè)，分為大壩缺陷、溢洪道缺陷、輸水建筑物缺陷、金屬結(jié)構(gòu)缺陷、管理缺陷，編號(hào)分別為A1～A5；二級(jí)指標(biāo)共分為 12 個(gè)，編號(hào)分別為 B1～B12，具體指標(biāo)體系見圖 2。

3.ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）網(wǎng)絡(luò)關(guān)系

網(wǎng)絡(luò)分析法的結(jié)構(gòu)主要有控制層和網(wǎng)絡(luò)層兩層?？刂茖又饕獮榇髩尉C合風(fēng)險(xiǎn)一個(gè)準(zhǔn)則層，在建立ANP網(wǎng)絡(luò)圖時(shí)，僅需考慮網(wǎng)絡(luò)層。在分析各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性時(shí)，可通過(guò)大壩的破壞路徑來(lái)決策，例如對(duì)于如下潰壩路徑：洪水→壩體集中滲漏→管涌→人工未干預(yù)→大壩潰決，指標(biāo)的聯(lián)系包括防洪安全、滲透穩(wěn)定、安全監(jiān)測(cè)、人員設(shè)置等，這些指標(biāo)處于不同的一級(jí)指標(biāo)下但存在影響關(guān)系，通過(guò)總結(jié)分析這些路徑，詳細(xì)描述大壩各種潰壩模式及潰壩路徑。

（2）ANP 法應(yīng)用過(guò)程

層次分析法視為網(wǎng)絡(luò)分析法的特殊情況，在分析復(fù)雜的指標(biāo)體系時(shí)具有一定局限性。該法在分析不同上級(jí)指標(biāo)下各指標(biāo)之間的相互影響關(guān)系時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其適用于各元素存在緊密聯(lián)系的指標(biāo)，但其計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，主要步驟如下。

由網(wǎng)絡(luò)關(guān)系可知，網(wǎng)絡(luò)層有5個(gè)元素集A1～A5，每個(gè)元素集分別有 2～3個(gè)元素子集，ei1，ei2，…，eini。 根據(jù)確定的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，以存在相互關(guān)聯(lián)的不同元素之間作為準(zhǔn)則層，對(duì)各元素集下的元素進(jìn)行兩兩比較，以ejk為準(zhǔn)則下，判別矩陣的表示見表1。

圖1 基于F-ANP法的大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)步驟

圖2 大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表中，mp表示第 p個(gè)專家的意見為特征向量。 同理，依次選取其他有關(guān)系的元素作為準(zhǔn)則則獲得該元素集下的特征向量矩陣：

同理，對(duì)其他元素集下進(jìn)行計(jì)算，最終可獲得超矩陣W為：

該超矩陣是非負(fù)矩陣，但不是歸一化矩陣，需要獲取加權(quán)系數(shù)矩陣A：

將W與A矩陣相乘，得超級(jí)加權(quán)超矩陣。該矩陣包含各元素相互影響關(guān)系，難以直接判斷權(quán)重大小，需求取極限矩陣，通過(guò)不斷矩陣相乘及歸一形成矩陣收斂，即：

則W∞中各值就表示各指標(biāo)的權(quán)重向量。

根據(jù)以上的計(jì)算過(guò)程，結(jié)合大壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)因素的內(nèi)在關(guān)系，通過(guò)歷史統(tǒng)計(jì)法及專家意見后，求得超級(jí)矩陣W及加權(quán)系數(shù)矩陣A，進(jìn)而求出極限平衡矩陣W∞：

4.模糊評(píng)價(jià)

（1）評(píng)價(jià)集

將評(píng)價(jià)集定為“極低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、極高風(fēng)險(xiǎn)”四級(jí)，編號(hào)分別為V1、V2、V3、V4。

（2）安全缺陷

安全缺陷指大壩運(yùn)行過(guò)程中可能存在的潛在破壞及可能導(dǎo)致潰壩的工程質(zhì)量缺陷。安全缺陷可用表示發(fā)生事故的容易程度的脆弱度VI表示，主要通過(guò)專家經(jīng)驗(yàn)找出各個(gè)隱患，脆弱度值VI計(jì)算過(guò)程如下。

表1 判別矩陣的表示

式中，VI為脆弱度；CR為不安全等級(jí)；C為常數(shù)，對(duì)于實(shí)際缺陷C的取值為10，對(duì)于潛在缺陷C的取值為5；S2、S3分別表示指標(biāo)的關(guān)鍵度和臨時(shí)風(fēng)險(xiǎn)防控措施有效程度，取值為0或1；SF為受力頻率，AEF為年超越頻率。S1表示差距的大小，根據(jù)達(dá)到該指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)要求確定，如達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)要求的70%，則差距為 0.3，若只達(dá)到k，則差距為（1-k）。

（3）模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊關(guān)系矩陣的確定需要通過(guò)單因素評(píng)價(jià)矩陣建立各因素與評(píng)價(jià)集之間的隸屬關(guān)系。隸屬關(guān)系的密度函數(shù)、調(diào)查統(tǒng)計(jì)等方法確定可利用德爾菲法進(jìn)行脆弱度計(jì)算，并根據(jù)脆弱度的分布確定模糊關(guān)系矩陣。

運(yùn)用積和模糊算子對(duì)關(guān)系矩陣進(jìn)行矩陣計(jì)算，按最大隸屬度原則確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)論。

二、實(shí)例應(yīng)用

（2）型）和躍進(jìn)水庫(kù)（中型）2 座土石壩為例，二者均位于贛江支流章江河水系，座落在大余縣東北方向。

1.工程概況

選取大余縣所轄油羅口水庫(kù)（大

2.工程缺陷檢查

對(duì)水庫(kù)開展現(xiàn)場(chǎng)檢查缺陷檢查，現(xiàn)場(chǎng)檢查缺陷情況見表2。

3.模糊關(guān)系

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，5名專家通過(guò)分析安全差距S1，計(jì)算脆弱度大小，并根據(jù)脆弱度的大小確定與評(píng)語(yǔ)集對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

4.綜合評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)果為B1=（0.45，0.43，0.12，0.00），B2=（0.22，0.37，0.33，0.08）。 根據(jù)最大隸屬性原則，油羅口水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為極低風(fēng)險(xiǎn)，躍進(jìn)水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)均為低風(fēng)險(xiǎn)。從數(shù)值的分布來(lái)看，油羅口水庫(kù)的前兩項(xiàng)數(shù)值之和達(dá)到0.88，高于躍進(jìn)水庫(kù)的0.59，表明油羅口水庫(kù)安全性明顯好于躍進(jìn)水庫(kù)。

5.風(fēng)險(xiǎn)管理

風(fēng)險(xiǎn)管理即通過(guò)分析風(fēng)險(xiǎn)大小排序，采取針對(duì)性的措施，以最大化降低大壩風(fēng)險(xiǎn)。脆弱度值與W∞相乘后，可得加權(quán)后的脆弱度值，排序后結(jié)果為：

油羅口水庫(kù)：滲透穩(wěn)定（4.0）＞泄洪能力（1.9）＞安全監(jiān)測(cè)（1.19）＞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（1.14）＞變形穩(wěn)定（0.98）＞閘門（0.84）＞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（0.70）＞啟閉機(jī)（0.64）＞輸水能力（0.49）＞崗位人員設(shè)置（0.46）＞防洪安全（0.30）＞運(yùn)行調(diào)度（0.27）。

從排序結(jié)果來(lái)看，油羅口應(yīng)重視大壩滲透問(wèn)題，解決大壩下游壩坡散浸問(wèn)題，其次是應(yīng)保持溢洪道泄洪能力，清除阻礙行洪物，再次是解決安全監(jiān)測(cè)設(shè)施損壞的問(wèn)題。

對(duì)躍進(jìn)水庫(kù)：滲透穩(wěn)定（5.9）＞泄洪能力（4.0）＞變形穩(wěn)定（2.0）＞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（1.5）＞安全監(jiān)測(cè)（1.4）＞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（1.2）＞防洪安全（1.0）＞崗位人員設(shè)置（0.7）＞輸水能力（0.5）＞運(yùn)行調(diào)度（0.4）。

從排序結(jié)果看，躍進(jìn)水庫(kù)與油羅口水庫(kù)主要問(wèn)題基本相似，前兩者均為滲透穩(wěn)定及泄洪能力，但變形破壞相對(duì)突出，平時(shí)應(yīng)注意裂縫問(wèn)題，加強(qiáng)裂縫觀察及對(duì)下游壩坡隆起破壞的巡查。

表2 現(xiàn)場(chǎng)安全缺陷情況

三、結(jié) 論

本文通過(guò)模糊網(wǎng)絡(luò)分析法對(duì)大壩安全缺陷的風(fēng)險(xiǎn)分析，得出以下結(jié)論：

①通過(guò)研究大壩的主要風(fēng)險(xiǎn)要素及破壞模式，建立了大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的兩級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

②分析了各指標(biāo)因素之間的影響關(guān)系，利用ANP法，計(jì)算了指標(biāo)體系的權(quán)重關(guān)系，結(jié)合了模糊數(shù)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)分析法、德爾菲法優(yōu)點(diǎn)，建立了模糊網(wǎng)絡(luò)分析評(píng)價(jià)方法。

③應(yīng)用模糊網(wǎng)絡(luò)分析評(píng)價(jià)方法開展了大余縣油羅口水庫(kù)及躍進(jìn)水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，特別注重缺陷的發(fā)現(xiàn)。

④開展了各風(fēng)險(xiǎn)要素脆弱度風(fēng)險(xiǎn)排序，提出水庫(kù)存在的突出問(wèn)題，為開展風(fēng)險(xiǎn)管理提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。