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        基于區(qū)間數(shù)群決策的土石壩施工期度汛方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

        2025-04-16 00:00:00關(guān)莉莉衣建妮李巍李松濤張雪婧段舒予
        人民黃河 2025年4期
        關(guān)鍵詞:土石壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)施工期

        摘 要:土石壩施工期抵御洪水能力不足,度汛方案的選擇直接影響工程的安全風(fēng)險(xiǎn)與成本,但針對(duì)土石壩施工期度汛方案的安全風(fēng)險(xiǎn)與成本協(xié)同控制的研究相對(duì)缺乏。同時(shí),多目標(biāo)協(xié)同控制中評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域,單一專家對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的把握程度不同,難以準(zhǔn)確賦值。因此,采用多位專家以區(qū)間數(shù)形式對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值,通過(guò)最小化專家賦值之間的距離構(gòu)建專家群體意見(jiàn)協(xié)商模型,將多位專家區(qū)間數(shù)賦值轉(zhuǎn)化為綜合所有專家意見(jiàn)的一個(gè)實(shí)數(shù),建立土石壩施工期度汛方案的安全風(fēng)險(xiǎn)與成本評(píng)價(jià)模型。以前坪水庫(kù)為例,對(duì)7 種度汛方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),指導(dǎo)了前坪水庫(kù)施工,實(shí)現(xiàn)了安全風(fēng)險(xiǎn)與成本協(xié)同控制。

        關(guān)鍵詞:風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);施工期;土石壩;區(qū)間數(shù);群決策

        中圖分類號(hào):TV87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2025.04.024

        引用格式:關(guān)莉莉,衣建妮,李巍,等.基于區(qū)間數(shù)群決策的土石壩施工期度汛方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].人民黃河,2025,47(4):152-156.

        0 引言

        水庫(kù)大壩在防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)等方面發(fā)揮了重要作用,但一旦潰壩將會(huì)造成嚴(yán)重的后果,包括生命損失、經(jīng)濟(jì)損失及對(duì)社會(huì)和環(huán)境造成不利影響。學(xué)界對(duì)運(yùn)行期大壩風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行了大量的研究,主要包括潰壩后果評(píng)估[1-3] 、潰壩概率計(jì)算[4-5] 、風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)制定[6-9] 及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和處理[10-11] 。而施工期大壩各類指標(biāo)尚未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,抵抗事故的能力較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)[12] ,土石壩占中國(guó)水庫(kù)大壩的93%以上,28%的土石壩失事事故發(fā)生在施工期,而圍堰擋水階段又是土石壩施工期擋水能力最弱的時(shí)期。為確保工程汛期安全,須制定相應(yīng)的度汛方案,度汛方案防洪標(biāo)準(zhǔn)的高低對(duì)工程安全風(fēng)險(xiǎn)和成本影響較大。因此,為保證工程安全度汛,同時(shí)確保度汛方案經(jīng)濟(jì)合理,需要從安全風(fēng)險(xiǎn)與成本風(fēng)險(xiǎn)兩個(gè)角度選取最優(yōu)度汛方案。

        安全風(fēng)險(xiǎn)方面,Marengo 等[13-14] 研究了導(dǎo)流工程對(duì)大壩施工期安全的影響,并分析了大壩施工過(guò)程中的漫壩風(fēng)險(xiǎn);Khaneghahi 等[15] 采用可靠性方法對(duì)某拱壩施工期和蓄水過(guò)程的安全等級(jí)進(jìn)行了評(píng)估,并進(jìn)行了敏感性分析;Zhou 等[16] 采用有限元方法對(duì)某大壩施工和蓄水過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了施工過(guò)程和水位、溫度變化等因素對(duì)大壩安全的影響。成本風(fēng)險(xiǎn)方面,Zhong 等[17] 提出一種動(dòng)態(tài)的權(quán)衡方法來(lái)平衡堆石壩施工過(guò)程中任何階段的時(shí)間、成本和質(zhì)量;Lopez等[18] 研究了溢洪道的幾何形狀對(duì)工程造價(jià)的影響,以最大設(shè)計(jì)洪水為約束條件,建立了溢洪道成本優(yōu)化方法;Du 等[19] 采用熵權(quán)法和改進(jìn)的遺傳算法處理堆石壩施工過(guò)程中時(shí)間與成本的權(quán)衡問(wèn)題;Petheram 等[20]分析了地形、地質(zhì)、人力資源、材料及大壩的大小和類型與筑壩成本之間的關(guān)系。上述研究大多針對(duì)單一目標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,研究成果在指導(dǎo)工程建設(shè)方面存在不足。

        土石壩施工期度汛方案的安全風(fēng)險(xiǎn)與成本協(xié)同控制具有專業(yè)性和復(fù)雜性,涉及風(fēng)險(xiǎn)管理、項(xiàng)目管理、工程技術(shù)、氣象水文、工程造價(jià)等諸多專業(yè)領(lǐng)域,單一專家難以全面、合理地考慮以上所有影響因素,因此可采用多位專家以區(qū)間數(shù)賦值的形式對(duì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。有關(guān)區(qū)間數(shù)賦值的群決策研究很多,Tang 等[21] 建立了一種基于區(qū)間語(yǔ)言猶豫模糊偏好關(guān)系的群決策方法,Shakeel 等[22] 研究了區(qū)間值畢達(dá)哥拉斯梯形模糊環(huán)境下的群決策方法,Liu 等[23] 簡(jiǎn)化了不確定群體決策中區(qū)間值乘數(shù)的表示方法,Yue[24] 介紹了一種基于區(qū)間值直覺(jué)模糊數(shù)的群決策方法。以上研究通過(guò)區(qū)間數(shù)排序,計(jì)算得分函數(shù),借助TOPSIS 方法計(jì)算指標(biāo)相對(duì)貼近度等,得到各備選方案的綜合評(píng)價(jià)值,這樣計(jì)算雖然能夠?qū)Ω鞫妊捶桨高M(jìn)行優(yōu)劣排序,但是工程實(shí)踐中往往還關(guān)心某個(gè)指標(biāo)的最終取值,比如k 位專家分別以區(qū)間數(shù)對(duì)某個(gè)度汛方案的成本風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè),如果能夠通過(guò)一種方法綜合所有專家的意見(jiàn),對(duì)區(qū)間數(shù)進(jìn)行去模糊化轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù),那么對(duì)工程實(shí)踐更有指導(dǎo)意義。

        因此,筆者建立了一種基于專家組區(qū)間數(shù)賦值的土石壩施工期安全風(fēng)險(xiǎn)與成本風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,通過(guò)最小化專家組成員意見(jiàn)之間的差異程度,建立專家群體協(xié)商模型(該模型綜合考慮專家組全體成員對(duì)某一指標(biāo)的賦值,給出與全體專家意見(jiàn)均較為接近的指標(biāo)值即協(xié)商值[25] ),最終獲得土石壩施工期度汛方案的綜合評(píng)價(jià)值,實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)與成本風(fēng)險(xiǎn)的協(xié)同控制。

        1 土石壩施工期度汛安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

        1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

        土石壩施工期安全風(fēng)險(xiǎn)分為漫頂破壞(洪水漫過(guò)圍堰淹沒(méi)基坑或者漫過(guò)臨時(shí)擋水的壩體造成漫頂破壞)風(fēng)險(xiǎn)和結(jié)構(gòu)破壞[26] 風(fēng)險(xiǎn)。是否發(fā)生漫頂破壞取決于堰前水位與堰頂高程之間的關(guān)系,其影響因素有上游來(lái)水、堰前庫(kù)容和泄流能力。結(jié)構(gòu)破壞的主要影響因素有基礎(chǔ)處理、填筑質(zhì)量等。土石壩施工期圍堰擋水階段由于堰頂高程較低、堰前庫(kù)容較小,發(fā)生潰壩事故對(duì)下游影響較小,因此成本風(fēng)險(xiǎn)只考慮度汛措施費(fèi)用和潰壩事故發(fā)生后的工程修復(fù)費(fèi)用。上游來(lái)水和基礎(chǔ)處理雖然對(duì)土石壩施工期安全風(fēng)險(xiǎn)影響較大,但是這兩個(gè)指標(biāo)不隨度汛方案的變化而變化,即對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果沒(méi)有影響,因此評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不考慮這兩個(gè)指標(biāo)。根據(jù)分析結(jié)果,結(jié)合相關(guān)研究[27-29] ,構(gòu)建土石壩施工期度汛方案安全風(fēng)險(xiǎn)與成本風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如圖1 所示。需要注意的是,堰前庫(kù)容越大,水庫(kù)大壩潰壩后果越嚴(yán)重[30-31] ,潰壩后下游淹沒(méi)區(qū)域越廣,水深、流速等不利影響越嚴(yán)重;而對(duì)于施工期的水庫(kù)大壩,因?yàn)椴豢紤]潰壩對(duì)下游的影響,且堰前庫(kù)容越大其削峰和滯納洪水的能力越強(qiáng),所以堰前庫(kù)容越大對(duì)減小安全風(fēng)險(xiǎn)越有利。

        1.2 區(qū)間數(shù)及指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

        1.2.1 區(qū)間數(shù)

        假設(shè)R 為實(shí)數(shù)域,閉區(qū)間[a-,a+ ]稱為區(qū)間數(shù),表示為a ,其中a-、a+∈R 且a- ≤a+。如果a- =a+,則區(qū)間數(shù)退化為實(shí)數(shù)。區(qū)間數(shù)a 與b 的距離可以表示為

        1.2.2 指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

        評(píng)價(jià)指標(biāo)通常分為效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo),為消除指標(biāo)之間不同量綱的影響,需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。假設(shè)有p 位專家,m 個(gè)評(píng)價(jià)方案,每個(gè)方案有n 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),第k 位專家對(duì)第i 個(gè)方案第j 個(gè)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)評(píng)價(jià)值為a kij =[ak- ij ,ak+ ij ],采用文獻(xiàn)[32]的方法對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

        屬性為效益型:

        標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值記為r kij =[rk- ij ,rk+ ij ]。

        1.3 專家意見(jiàn)協(xié)商模型的構(gòu)建

        在多屬性群決策問(wèn)題中,有時(shí)各個(gè)專家對(duì)同一指標(biāo)的打分不同,為了便于獲得評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)值,需要使專家組全體成員的不同意見(jiàn)協(xié)商一致[25] ,即通過(guò)一定的計(jì)算方法,將專家組全體成員關(guān)于某一指標(biāo)的打分進(jìn)行綜合,得到與全體專家打分情況均較為接近的指標(biāo)值,該計(jì)算方法即專家意見(jiàn)協(xié)商模型。

        假設(shè)全體專家關(guān)于第i 個(gè)方案第j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的群體協(xié)商值為a ij =[a-ij ,a+ij ]。通過(guò)專家群體協(xié)商,明確了第i 個(gè)方案第j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值,區(qū)間數(shù)退化為實(shí)數(shù),即a -ij =a +ij ,因此記群體協(xié)商值為aij ,aij =a-ij =a+ij 。akij與群體協(xié)商值aij的距離為

        則全體p 位專家關(guān)于第i 個(gè)方案第j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值與群體協(xié)商值的加權(quán)距離為

        式中:ωk為專家k 權(quán)重。

        為了兼顧大多數(shù)人的意見(jiàn),應(yīng)使群體協(xié)商值aij 與每位專家打分值akij 的加權(quán)距離盡量小,因此構(gòu)造以下專家意見(jiàn)協(xié)商模型:

        1.4 綜合評(píng)價(jià)值計(jì)算

        在獲得所有評(píng)價(jià)方案的指標(biāo)值后,結(jié)合指標(biāo)權(quán)重計(jì)算各評(píng)價(jià)方案的綜合評(píng)價(jià)值,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所有備選方案進(jìn)行優(yōu)劣排序。第i 個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)值Hi可采用線性加權(quán)計(jì)算:

        式中:φj為第j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

        2 工程實(shí)例

        前坪水庫(kù)大壩位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游、河南省洛陽(yáng)市汝陽(yáng)縣縣城以西9 km 處的前坪村,控制流域面積1 325 km2,總庫(kù)容5.84 億m3,是一座以防洪為主,結(jié)合供水、灌溉,兼顧發(fā)電的大(2)型水庫(kù)。工程采用土石圍堰擋水,圍堰作為壩體一部分,按20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。為確保工程2018 年安全度汛,需要加快施工進(jìn)度,對(duì)圍堰(壩體)進(jìn)行加高,提出7 種不同度汛標(biāo)準(zhǔn)的圍堰(壩體)加高方案:方案一(A1 ),汛期20 a 一遇洪水標(biāo)準(zhǔn);方案二(A2),汛期30 a 一遇洪水標(biāo)準(zhǔn);方案三(A3),汛期50 a 一遇洪水標(biāo)準(zhǔn);方案四(A4),汛期75 a 一遇洪水標(biāo)準(zhǔn);方案五(A5 ),汛期100 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn);方案六(A6 ),汛期150 a 一遇洪水標(biāo)準(zhǔn);方案七(A7),汛期200 a 一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。邀請(qǐng)5 位專家(E1 ~E5),根據(jù)圖1 所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,從安全風(fēng)險(xiǎn)與成本風(fēng)險(xiǎn)角度對(duì)7 個(gè)度汛方案進(jìn)行比較和論證。采用AHP 法,從專家威望、技術(shù)職稱、學(xué)術(shù)水平、對(duì)決策問(wèn)題的熟悉程度等角度對(duì)5 位專家進(jìn)行重要性排序,分別得到專家權(quán)重為0.26、0.23、0.21、0.16、0.14。

        2.1 指標(biāo)賦值與標(biāo)準(zhǔn)化

        考慮到指標(biāo)數(shù)量較多,這里以修復(fù)費(fèi)用(B5 ) 為例。修復(fù)費(fèi)用由具體工程在度汛期不同洪水強(qiáng)度下的修復(fù)工程量及其工程單價(jià)共同確定。其中工程單價(jià)相對(duì)固定,修復(fù)的工程量由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估計(jì),從而得到工程修復(fù)費(fèi)用的預(yù)測(cè)區(qū)間。專家賦值情況見(jiàn)表1。

        由于修復(fù)費(fèi)用屬于“成本型” 指標(biāo),因此采用式(3)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,不同度汛方案標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)B5專家賦值見(jiàn)表2。

        2.2 專家意見(jiàn)協(xié)商值與綜合評(píng)價(jià)值計(jì)算

        依據(jù)表2 中指標(biāo)值與專家權(quán)重,按式(4)~式(6)計(jì)算得到綜合所有專家意見(jiàn)后的評(píng)價(jià)指標(biāo)值,見(jiàn)表3,表中也列出了采用相同計(jì)算方法得到的其余4 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值。

        指標(biāo)權(quán)重采用AHP 法計(jì)算,經(jīng)過(guò)專家打分構(gòu)建判斷矩陣,進(jìn)行重要性排序和一致性檢驗(yàn),得到B1 ~ B5評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為[ 0. 216, 0. 268, 0. 201, 0. 139,0.176]。采用式(7)計(jì)算的基于專家群體協(xié)商的度汛方案評(píng)價(jià)值和單一專家指標(biāo)賦值的度汛方案評(píng)價(jià)值如圖2 所示。

        2.3 計(jì)算結(jié)果分析

        圖2 中基于專家群體協(xié)商的度汛方案評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,汛期100 a一遇圍堰擋水度汛方案綜合評(píng)價(jià)值最大,即該方案最優(yōu)。該評(píng)價(jià)方法綜合考慮了土石壩施工期度汛方案安全風(fēng)險(xiǎn)和成本的影響因素,實(shí)現(xiàn)了土石壩施工期度汛方案安全風(fēng)險(xiǎn)與成本的協(xié)同控制。

        與常規(guī)基于區(qū)間數(shù)的群決策計(jì)算方法不同,綜合所有專家對(duì)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)賦值,將其轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù),可求得某一指標(biāo)去模糊化后的取值。例如,由表3 可知,方案A5中指標(biāo)B5 專家打分取值為0.48,去模糊化后的取值為5 008 萬(wàn)元,即按汛期100 a 一遇標(biāo)準(zhǔn)加高圍堰(壩體)發(fā)生漫頂事故的修復(fù)費(fèi)用為5 008 萬(wàn)元??梢愿鶕?jù)該結(jié)果結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)概率和風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)判斷損失是否可接受,是否需要通過(guò)工程或非工程措施降低風(fēng)險(xiǎn)概率,是否需要通過(guò)合同或保險(xiǎn)等手段轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)。因此,該方法對(duì)工程實(shí)踐更具有指導(dǎo)意義。

        由圖2 度汛方案評(píng)價(jià)結(jié)果可知,基于單一專家指標(biāo)賦值的度汛方案優(yōu)劣排序存在差異,特別是專家E5的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示度汛方案A6(按汛期150 a 一遇洪水加高圍堰)最優(yōu),評(píng)價(jià)結(jié)果與基于專家群體協(xié)商的度汛方案評(píng)價(jià)結(jié)果存在較大差異,與其他專家的評(píng)價(jià)結(jié)果也存在較大差異。這說(shuō)明了復(fù)雜問(wèn)題下采用專家群體協(xié)商評(píng)價(jià)是非常必要的。

        通過(guò)分析度汛方案的安全風(fēng)險(xiǎn)與成本風(fēng)險(xiǎn)影響因素,確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,但如果施工條件發(fā)生變化,那么評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可能需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。比如,當(dāng)料場(chǎng)的位置(高程、距壩址距離)對(duì)成本風(fēng)險(xiǎn)影響顯著時(shí),應(yīng)特別注意。

        3 結(jié)論

        土石壩施工期度汛方案的安全風(fēng)險(xiǎn)和成本兩大目標(biāo)相矛盾,為實(shí)現(xiàn)兩大目標(biāo)的協(xié)同控制,明確了將堰前庫(kù)容、泄流能力、填筑質(zhì)量、度汛措施費(fèi)用和修復(fù)費(fèi)用作為土石壩施工期度汛方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)為避免單一專家對(duì)復(fù)雜問(wèn)題把握不準(zhǔn)確,采用多位專家以區(qū)間數(shù)形式對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦值,并通過(guò)構(gòu)造專家意見(jiàn)協(xié)商模型將區(qū)間數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù),從而可以計(jì)算出指標(biāo)的數(shù)取值,能夠更好地服務(wù)于工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。以前坪水庫(kù)工程建設(shè)為例,計(jì)算了7 種度汛方案的綜合評(píng)價(jià)值,明確了以汛期100 a 一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)加高圍堰的度汛方案最優(yōu),指導(dǎo)了工程建設(shè)。

        參考文獻(xiàn):

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        【責(zé)任編輯 張華巖】

        基金項(xiàng)目: 河南省自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(232300421344);河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(212102310394)

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