張 計(jì)，林水生，饒錫保

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

大壩安全量化評(píng)價(jià)模型研究

張 計(jì)，林水生，饒錫保

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

如何實(shí)現(xiàn)大壩各單項(xiàng)評(píng)價(jià)由定性評(píng)價(jià)到量化評(píng)價(jià)的轉(zhuǎn)化是大壩安全量化評(píng)價(jià)技術(shù)研究的關(guān)鍵點(diǎn)。通過(guò)研究大壩安全性態(tài)特點(diǎn)，首先確定大壩安全程度的特定量化評(píng)價(jià)值，然后結(jié)合數(shù)學(xué)分析工具M(jìn)atlab，非線性擬合確定了基于Logistic生長(zhǎng)曲線模型的大壩安全評(píng)價(jià)量化評(píng)價(jià)模型，精確擬合出量化評(píng)價(jià)參數(shù)，擬合決定系數(shù)達(dá)到0．998 6，實(shí)現(xiàn)了大壩安全單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)由定性到量化的轉(zhuǎn)變。

大壩；安全評(píng)價(jià)；量化評(píng)價(jià)模型

1 研究背景

我國(guó)現(xiàn)有的大壩安全評(píng)價(jià)體系［1］經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用，在我國(guó)大壩安全管理和除險(xiǎn)加固中起到了較大的作用。但是該評(píng)價(jià)方法主要以定性評(píng)價(jià)為主，而且3級(jí)分級(jí)偏粗，雖然可以滿足區(qū)分大壩是否安全，但還不能滿足安全程度判斷的需要。隨著我國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固的不斷深入和綜合評(píng)價(jià)技術(shù)的不斷完善，目前的大壩安全評(píng)價(jià)技術(shù)已不能滿足要求，應(yīng)該在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步完善，實(shí)現(xiàn)大壩安全的量化評(píng)價(jià)。

大壩安全評(píng)價(jià)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目，需要對(duì)大壩多個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)后最終得到大壩的綜合評(píng)價(jià)，因此，如何實(shí)現(xiàn)大壩各單項(xiàng)評(píng)價(jià)由定性評(píng)價(jià)到量化評(píng)價(jià)的轉(zhuǎn)化是大壩安全評(píng)價(jià)量化評(píng)價(jià)技術(shù)研究的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者進(jìn)行了大壩安全量化評(píng)價(jià)技術(shù)研究，南京水利科學(xué)研究院李雷等人就提出了大壩性態(tài)危險(xiǎn)程度判別模型［2－3］，實(shí)現(xiàn)了大壩性態(tài)危險(xiǎn)程度由定性向量化的轉(zhuǎn)化。但該模型在確定模型參數(shù)時(shí)，是采用的先隨機(jī)確定一些模型參數(shù)，再根據(jù)各模型的特點(diǎn)去尋找與大壩安全性態(tài)較為接近的一種模型，在模型參數(shù)的確定上具有一定的局限性。本研究首先根據(jù)大壩安全性態(tài)特點(diǎn)確定出大壩安全程度的特定量化評(píng)價(jià)值，然后結(jié)合數(shù)學(xué)分析工具，非線性擬合確定了大壩安全程度評(píng)價(jià)模型的參數(shù)，較為精確地提出了大壩安全評(píng)價(jià)的量化評(píng)價(jià)模型。

2 大壩安全量化評(píng)價(jià)模型

項(xiàng)目評(píng)價(jià)由定性向量化的轉(zhuǎn)變，較簡(jiǎn)單常規(guī)的方法為評(píng)分法，即將評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)一步細(xì)化，根據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)，將每個(gè)等級(jí)采用一定的分值表示。但是，評(píng)分法不一定能很好地滿足所評(píng)價(jià)對(duì)象的變化規(guī)律，因此，通過(guò)評(píng)分法可以說(shuō)是一種由定性向定量的轉(zhuǎn)變。要實(shí)現(xiàn)由定量至量化的轉(zhuǎn)變，還應(yīng)根據(jù)該評(píng)價(jià)對(duì)象的具體特性，研究出量化評(píng)價(jià)模型，將評(píng)分值轉(zhuǎn)化為能滿足評(píng)價(jià)對(duì)象變化規(guī)律的量化評(píng)價(jià)系數(shù)。

2．1 大壩安全評(píng)價(jià)定量判別

現(xiàn)有的大壩安全評(píng)價(jià)技術(shù)在各單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)方面均是分為3個(gè)等級(jí)，只能較為粗略地定性判斷安全程度，為了更加精確地對(duì)各單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可將其進(jìn)一步細(xì)分為安全、基本安全、不安全、很不安全與極不安全5個(gè)等級(jí)，安全程度由高到低可采用10～0的分值連續(xù)表示，定性評(píng)價(jià)等級(jí)與評(píng)分對(duì)應(yīng)表見表1。

表1 定性評(píng)價(jià)等級(jí)與評(píng)分對(duì)應(yīng)表Table 1 Definitions and scales of qualitative evaluation levels for dam safety

2．2 大壩安全程度變化特性

通過(guò)評(píng)分法完成了大壩安全評(píng)價(jià)由定性向定量的轉(zhuǎn)化，而大壩安全程度變化過(guò)程應(yīng)該是一個(gè)動(dòng)態(tài)、非線性變化過(guò)程，僅僅用評(píng)分法的線性規(guī)律還不能完成反映大壩安全程度變化規(guī)律。大壩及其各分項(xiàng)工程安全程度變化規(guī)律主要有以下幾點(diǎn)：

（1）穩(wěn)定階段。當(dāng)安全程度為安全時(shí)，表明運(yùn)行狀態(tài)較為平穩(wěn)。

（2）平緩變化階段。當(dāng)安全程度為基本安全時(shí)，有2層含意：一方面可以認(rèn)為雖然局部有些問題，但不會(huì)影響到大壩的安全，在加強(qiáng)監(jiān)控條件下可以正常運(yùn)用。另一方面說(shuō)明了大壩性態(tài)已經(jīng)發(fā)生了局部的不正常，對(duì)大壩安全程度的影響已經(jīng)在加大了。

（3）急劇發(fā)展階段。在不安全階段，大壩安全狀態(tài)很快發(fā)展。即使只有一處發(fā)生了明顯的嚴(yán)重問題，大壩已不能正常使用，在洪水或其它條件下可能發(fā)生較大的事故。此時(shí)大壩安全程度快速減小。

（4）在很不安全階段，危險(xiǎn)性很大。很不安全性態(tài)說(shuō)明多處發(fā)生了明顯的問題，大壩安全程度較低。

（5）極不安全階段，隨時(shí)可能出現(xiàn)嚴(yán)重險(xiǎn)情，大壩安全程度很低。

綜上所述，大壩安全程度變化關(guān)系類似于一條S形曲線。第1和第5階段，狀態(tài)較為平穩(wěn)，其它階段，發(fā)展變化較快。

2．3 安全量化評(píng)價(jià)模型

根據(jù)對(duì)大壩安全程度變化特性的分析，大壩安全性態(tài)變化非常類似于Logistic生長(zhǎng)曲線的特征。Logistic模型常用表達(dá)式如下：

式中a，b，c表示參數(shù)。

現(xiàn)用安全程度系數(shù)F來(lái)表示大壩安全程度，x表示大壩安全程度評(píng)分，因此，x的取值范圍為（0，10），F(xiàn)采用（0，1）表示，F(xiàn)值越接近1表示大壩安全程度越高，將（1）式自變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換t＝－10＋2x，讓模型滿足F與x值取值范圍，提出大壩安全評(píng)價(jià)量化評(píng)價(jià)模型基本式如式（2）。

根據(jù)大壩安全程度變化特點(diǎn)，取S1～S5表示各區(qū)間安全程度系數(shù)變化幅值，假定5個(gè)變化幅值前后對(duì)稱，且成倍數(shù)關(guān)系，即：第1與第5階段狀態(tài)較為平穩(wěn)，取S1＝S5＝0．1；第2階段與第4階段狀態(tài)變化稍有加快，取發(fā)展速率為第1階段2倍，S2＝ 0．2；第3階段為狀態(tài)變化最為急劇階段，取發(fā)展速率為第2階段2倍，S3＝0．4。由此大壩安全評(píng)價(jià)量化評(píng)價(jià)模型的關(guān)鍵點(diǎn)評(píng)分與安全程度系數(shù)對(duì)應(yīng)情況見表2。

表2 安全程度系數(shù)與評(píng)分對(duì)應(yīng)表Table 2 Safety level factor F and corresponding evaluation values

根據(jù)確定的關(guān)鍵點(diǎn)，采用數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB中nlinfit函數(shù)非線性擬合功能，即可較為精確地得到模型參數(shù)。程序關(guān)鍵語(yǔ)句如下：

擬合得到參數(shù)a＝1．026 8，b＝0．391 8，c＝1．009 0，擬合決定系數(shù)為0．998 6，可見擬合相似程度非常高，擬合曲線圖見圖1，擬合后各關(guān)鍵點(diǎn)安全程度系數(shù)值見表3，因此大壩安全評(píng)價(jià)量化評(píng)價(jià)模型表達(dá)式為

圖1 擬合曲線圖Fig．1 Fitting curve of safety level factor F

表3 量化評(píng)價(jià)模型關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)值Table 3 Dam safety levels and corresponding values of the quantitative evaluation m odel

3 大壩安全量化評(píng)價(jià)模型的意義

根據(jù)以上分析，通過(guò)將規(guī)范中安全評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)一步細(xì)分，采用量化評(píng)價(jià)模型，將專家評(píng)分轉(zhuǎn)化為了符合大壩安全程度變化規(guī)律的量化評(píng)價(jià)系數(shù)，通過(guò)該系數(shù)即可較為直觀地反應(yīng)大壩各單項(xiàng)指標(biāo)所處的安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了將規(guī)范中只能用3個(gè)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)的定性模式轉(zhuǎn)化為采用非線性連續(xù)數(shù)值表示的量化評(píng)價(jià)模式。

（1）當(dāng)量化評(píng)價(jià)值在0．92以上時(shí)，表明該指標(biāo)安全狀況非常好，可以正常運(yùn)行；

（2）當(dāng)量化評(píng)價(jià)值在0．69～0．92區(qū)間時(shí)，表明該指標(biāo)安全狀況基本正常，只是個(gè)別方面存在缺陷；

（3）當(dāng)量化評(píng)價(jià)值在0．31～0．68之間時(shí)，表明該指標(biāo)安全狀況已存在危險(xiǎn)，有個(gè)別方面存在安全隱患；

（4）當(dāng)量化評(píng)價(jià)值在0．09～0．31之間時(shí)，表明該指標(biāo)已非常危險(xiǎn)，在多個(gè)方面已經(jīng)出現(xiàn)明顯安全問題；

（5）當(dāng)量化評(píng)價(jià)值在0．09以下時(shí)，表明該指標(biāo)已有重大險(xiǎn)情。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

紅旗水庫(kù)位于修水縣四都鎮(zhèn)堝頭村境內(nèi)，水系為修河支流彭姑河上游，距鎮(zhèn)政府所在地6 km。壩址以上控制流域面積10．9 km2，約占彭姑河總流域面積的24．3%。紅旗水庫(kù)大壩始建于1969年，原設(shè)計(jì)為?。á瘢┬退畮?kù)，后在施工過(guò)程中擴(kuò)建成中型水庫(kù)，1972年大壩主體工程竣工。該水庫(kù)于2004年依據(jù)《導(dǎo)則》進(jìn)行了大壩安全鑒定，通過(guò)鑒定，主要鑒定意見如下：

工程質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)為不合格；水利樞紐運(yùn)行管理評(píng)價(jià)為差；大壩防洪安全評(píng)價(jià)為C級(jí)；結(jié)構(gòu)安全評(píng)定為C級(jí)；大壩滲流安全等級(jí)評(píng)定為C級(jí)；金屬結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)評(píng)價(jià)為C級(jí)。綜合分析目前該水庫(kù)存在的病險(xiǎn)情況，并結(jié)合大壩工程質(zhì)量、運(yùn)行管理、抗洪能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、滲流安全及金屬結(jié)構(gòu)安全性分析評(píng)價(jià)成果，紅旗水庫(kù)存在嚴(yán)重的病險(xiǎn)問題，應(yīng)屬于“三類壩”。

通過(guò)原有評(píng)價(jià)方式，對(duì)紅旗水庫(kù)的安全評(píng)價(jià)主要為定性評(píng)價(jià)方式。如果按照量化評(píng)價(jià)模式，首先對(duì)大壩各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行定性評(píng)分，然后根據(jù)式（3）即可得到量化評(píng)價(jià)值。紅旗水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)量化評(píng)價(jià)表見表4。

表4 紅旗水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)量化評(píng)價(jià)表Table 4 Quantitative evaluation of each individual indicator for Hongqi reservoir

根據(jù)表4可以看出，原有評(píng)價(jià)模式下，紅旗水庫(kù)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為C級(jí)，而通過(guò)量化評(píng)價(jià)模式，原來(lái)的C級(jí)又細(xì)分為了不安全、很不安全、極不安全3個(gè)等級(jí)。而且即使同一個(gè)等級(jí)下，每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)也都有各自不同的量化評(píng)價(jià)值，通過(guò)該量化值，可以明確地了解工程該項(xiàng)指標(biāo)的安全程度。

另外，根據(jù)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化評(píng)價(jià)值，通過(guò)加權(quán)法等綜合評(píng)價(jià)方法［4］，就可以得到大壩的綜合評(píng)價(jià)量化評(píng)價(jià)值。因此，即使同為“三類壩”，也可以根據(jù)其綜合量化評(píng)價(jià)值對(duì)其病險(xiǎn)程度進(jìn)行清晰的排序，從而為相關(guān)管理部門進(jìn)行決策提供更為明確的依據(jù)。

由此可見，通過(guò)量化評(píng)價(jià)模型實(shí)現(xiàn)大壩安全的量化評(píng)價(jià)是可行的，而且具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）本文充分分析了大壩安全程度動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，將大壩安全程度進(jìn)一步細(xì)化，通過(guò)評(píng)分法以及基于logistic生長(zhǎng)曲線模型提出的大壩安全評(píng)價(jià)量化評(píng)價(jià)模型，完成了大壩安全評(píng)價(jià)各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)有定性評(píng)價(jià)向量化評(píng)價(jià)的轉(zhuǎn)變。

（2）本文首先確定了大壩安全程度的特定量化評(píng)價(jià)值，在模型擬合過(guò)程中引入了Matlab數(shù)學(xué)分析工具，精確擬合出了量化評(píng)價(jià)模型參數(shù)，擬合決定系數(shù)達(dá)到了0．998 6。

（3）根據(jù)本文介紹的大壩安全評(píng)價(jià)各單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)的量化評(píng)價(jià)方法，通過(guò)加權(quán)法等綜合評(píng)價(jià)方法即可實(shí)現(xiàn)大壩安全評(píng)價(jià)的量化評(píng)價(jià)。

［1］ SL258—2000，水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則［S］．（SL258—2000，Guide for Evaluation of Dam Safety［S］．（in Chinese））

［2］ 李 雷，王昭升，張士辰．大壩性態(tài)危險(xiǎn)程度判別模型研究［J］．安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，（6）：149－152．（LI Lei，WANG Zhao-sheng，ZHANG Shi-chen．Study on I-dentifiable Mode of Dam Performance Hazard Degrees［J］．Journal of Safety and Environment，2007，（6）：149－152．（in Chinese））

［3］ 張國(guó)棟，李 雷，彭雪輝．基于大壩安全鑒定和專家經(jīng)驗(yàn)的病險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)技術(shù)［J］．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，9（9）：158－166．（ZHANG Guo-dong，LI Lei，PENG Xue-hui．Appraising Techniques for Dam Severity Based on Dam Safety Appraisal and Expert’s Experience［J］．China Safety Science Journal，2008，9（9）：158－ 166．（in Chinese））

［4］ 熊 威，田 波，盧建華．水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)技術(shù)與方法探討［J］．人民長(zhǎng)江，2011，6（12）：24－27．（XIONG Wei，TIAN Bo，LU Jian-hua．Discussion on Technologies and Methods of Safety Evaluation of Dams and Reservoirs［J］．Yangtze River，2011，6（12）：24－27．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Quantitative M odel for Dam Safety Assessment

ZHANG Ji，LIN Shui-sheng，RAO Xi-bao
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The key to assess dam safety is to qualitatively evaluate each individual indicator．We determine the specific quantitative evaluation values of the dam safety level，and then define themodel parameters of the dam safety level by non-linear fittingmathematical analysis tool（Matlab）．Thereby，on the basis of Logistic model，we can get a precise quantitative evaluationmodel，which accurately fits the quantitative evaluation parameterswith the determination coefficientof0．998 6．In thisway，the qualitative evaluation of individual indicators is transformed into quantitative evaluation．

dam；safety assessment；quantitative assessmentmodel

TV321

A

1001－5485（2013）02－0012－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．003

2012－08－25

國(guó)家十一五科技支撐計(jì)劃課題“病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固關(guān)鍵技術(shù)研究”（2006BAC14B04）

張 計(jì)（1978－），男，湖北武漢人，工程師，主要從事巖土工程研究工作，（電話）18971081016（電子信箱）18971081016＠189．cn。