付成華，杜修娟，趙 川

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

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·建筑與土木工程·

基于AHP-云模型的土石壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

付成華，杜修娟，趙 川

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

針對(duì)土石壩老化病害過(guò)程的不確定性和復(fù)雜性，建立AHP-云模型進(jìn)行土石壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。綜合考慮潰壩損失，運(yùn)用AHP建立具有多個(gè)層次的土石壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用云模型對(duì)比標(biāo)度構(gòu)造判斷矩陣定量確定指標(biāo)層、因子層、評(píng)語(yǔ)集的云模型特征參數(shù)，辯識(shí)土石壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)程度。對(duì)加固前后的沙河集水庫(kù)大壩狀態(tài)因子進(jìn)行評(píng)分，計(jì)算總評(píng)云模型特征參數(shù)，完成加固前后的水庫(kù)大壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)程度的定量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果符合工程實(shí)際，并可指導(dǎo)水庫(kù)的除險(xiǎn)加固。

土石壩；層次分析法；云模型；風(fēng)險(xiǎn)分析；特征參數(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2013年3月，我國(guó)共修建中小型水庫(kù)9萬(wàn)7 246座[1]，其中病險(xiǎn)水庫(kù)4.7萬(wàn)余座，大多是建于20世紀(jì)50-70年代的中小型土石壩。受各種因素的制約，我國(guó)的土石壩多缺乏質(zhì)量保障，遺留隱患較多，水庫(kù)老化失修且存在各種病害。同時(shí)，隨著近年來(lái)水電開(kāi)發(fā)成本的日益增加和節(jié)約型社會(huì)的政策倡導(dǎo)，對(duì)現(xiàn)有水庫(kù)的充分利用備受關(guān)注。為提高水庫(kù)利用效益，必須深入開(kāi)展水庫(kù)除險(xiǎn)加固研究[2]。我國(guó)的土石壩老化病害研究始于20世紀(jì)80年代中期，鑒于黨和政府的高度重視，近年來(lái)對(duì)全國(guó)土石壩工程的系統(tǒng)檢查也開(kāi)展得如火如荼，大壩安全分析技術(shù)也已有所發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)分析的方法有重現(xiàn)期法、直接積分法、JC法、MC法、AHP法、模糊綜合評(píng)判法、模糊層次評(píng)價(jià)法、灰色綜合評(píng)價(jià)法等[3]，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定的差距，仍處于風(fēng)險(xiǎn)分析的初級(jí)階段。本文綜合考慮土石壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)因素和評(píng)價(jià)體系中指標(biāo)間的相關(guān)性，運(yùn)用AHP建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，引入云模型解決問(wèn)題的不確定性、隨機(jī)性和模糊性，基于AHP-云模型建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，通過(guò)對(duì)土石壩老化病害不同影響因子的綜合云計(jì)算，分析老化病害程度等級(jí)，為土石壩的除險(xiǎn)加固提供依據(jù)。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固前，需對(duì)大壩的病險(xiǎn)因素進(jìn)行有效的初步辨識(shí)，確定大壩的風(fēng)險(xiǎn)程度，以便指導(dǎo)除險(xiǎn)加固。依據(jù)SL258-2000《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》和相關(guān)規(guī)程規(guī)范，“大壩”包括永久性擋水建筑物以及與大壩安全有關(guān)的泄水、輸水和過(guò)壩建筑物及金屬結(jié)構(gòu)等，因此大壩安全評(píng)價(jià)就是水工建筑物結(jié)構(gòu)、工程運(yùn)行管理、工程質(zhì)量等方面的系統(tǒng)評(píng)價(jià)[4]。除此之外，潰壩損失在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中也是必不可少的，這里，將潰壩損失作為指標(biāo)層，生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)與環(huán)境影響作為因子層納入評(píng)價(jià)體系，使初步辨識(shí)涵蓋內(nèi)容更全面，使評(píng)價(jià)結(jié)果更接近實(shí)際情況。采用AHP法建立包括目標(biāo)層、評(píng)語(yǔ)層、指標(biāo)層和因子層等多個(gè)層次的土石壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 土石壩老化病害多級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

2.1 云模型

云模型是基于統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)和模糊數(shù)學(xué)提出的，統(tǒng)一刻畫(huà)語(yǔ)言和數(shù)值之間的隨機(jī)性和模糊性，構(gòu)成定性和定量間的相互映射[5]。云的數(shù)字特征用期望值Ex、熵En和超熵He表示[6]。期望Ex代表定性概念的數(shù)值，反映土石壩老化病害程度的中心值；熵En反映可被概念接受的數(shù)域范圍，即模糊性，熵越大，表示定性概念的可度量力度越大，反映土石壩老化病害的可能取值范圍；超熵He，即熵的熵，是熵不確定性的度量，它代表定性概念樣本出現(xiàn)的隨機(jī)性，反映評(píng)價(jià)結(jié)果偏離中心值的程度。

2.2 AHP-云模型

1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。設(shè)B是土石壩老化病害因素構(gòu)成的集合，即圖1的指標(biāo)層，則有B={B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7}。設(shè)C是指標(biāo)層因子構(gòu)成的集合，即圖1的因子層，則有{C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12，C13，C14，C15，C16，C17，C18，C19，C20，C21}。設(shè)F是土石壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)構(gòu)成的集合，即圖1的評(píng)語(yǔ)層，則有F={F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5}。

表1 云模型的對(duì)比標(biāo)度(兩個(gè)因素)

3)一致性檢驗(yàn)。由于在綜合全部比較結(jié)果時(shí)，無(wú)法避免一定程度的非一致性，因此需要進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。一致性檢驗(yàn)步驟如下：

②由表2中Saaty給出的RI值查找隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。

該模型是對(duì)大壩進(jìn)行初步風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，為了規(guī)避潰壩后果在評(píng)價(jià)中所占比重太大反而影響土石壩本身存在的病害風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響評(píng)價(jià)結(jié)果的真實(shí)性；因此，在指標(biāo)層構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣時(shí)將潰壩后果考慮為較不重要，出于對(duì)生命的重視，在潰壩后果因子層構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣時(shí)將生命損失考慮為極其重要。構(gòu)造指標(biāo)層和各因子層的兩兩比較判斷矩陣，經(jīng)一致性檢驗(yàn)合格，通過(guò)下式計(jì)算各狀態(tài)因子的期望Exc、熵Enc、超熵Hec和各指標(biāo)因子的期望ExB、熵EnB、超熵HeB，分別見(jiàn)表3、表4。

(1)

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

表3 各狀態(tài)因子的權(quán)重云模型特征參數(shù)

表4 指標(biāo)層的權(quán)重云模型特征參數(shù)

2.3 評(píng)語(yǔ)集云模型

根據(jù)有關(guān)規(guī)范和資料[8-9]，按評(píng)分Z的大小將大壩老化風(fēng)險(xiǎn)程度分為5個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表5。

表5 土石壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)語(yǔ)集云模型相應(yīng)期望值、熵和超熵由下式計(jì)算，較低風(fēng)險(xiǎn)與較高風(fēng)險(xiǎn)處于邊界，期望值分別取7.5和2.5，熵值取與其相近的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的熵值。計(jì)算出評(píng)語(yǔ)集云模型的特征參數(shù)如表6所示。

(2)

較低風(fēng)險(xiǎn)即是主體及附屬結(jié)構(gòu)均未產(chǎn)生老化，大壩的整體功能可正常發(fā)揮，建議進(jìn)行正常維護(hù)。低風(fēng)險(xiǎn)即是主體及大部分附屬結(jié)構(gòu)無(wú)明顯老化，大壩整體功能可正常發(fā)揮，建議進(jìn)行正常維護(hù)，適當(dāng)增加檢查頻次。一般風(fēng)險(xiǎn)即是主體結(jié)構(gòu)基本完好，大壩整體功能基本發(fā)揮，建議進(jìn)行適當(dāng)維修加固。較高風(fēng)險(xiǎn)即是主體結(jié)構(gòu)部分老化損壞，附屬結(jié)構(gòu)物損壞嚴(yán)重，大壩整體功能只能部分發(fā)揮，建議立即進(jìn)行維修加固。高風(fēng)險(xiǎn)即是主體及附屬結(jié)構(gòu)均嚴(yán)重?fù)p壞或報(bào)廢，大壩整體功能只能部分發(fā)揮或已基本喪失，強(qiáng)烈建議需立即進(jìn)行維修加固或報(bào)廢重建。

在土石壩老化病害影響因子兩兩比較過(guò)程中采用AHP-云模型對(duì)比標(biāo)度比單純運(yùn)用AHP方法更客觀。評(píng)語(yǔ)集云模型貼合人類(lèi)語(yǔ)言習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)了不確定性語(yǔ)言與定量數(shù)值之間的自然轉(zhuǎn)換。運(yùn)用云模型標(biāo)度描述專(zhuān)家評(píng)分中的語(yǔ)言變量解決判斷矩陣標(biāo)度選擇困難問(wèn)題。運(yùn)用期望、熵、超熵3個(gè)數(shù)字特征代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法描述隸屬度實(shí)現(xiàn)定性和定量之間一對(duì)多的映射。

3 實(shí)例應(yīng)用分析

3.1 實(shí)例概況

沙河集水庫(kù)1979年基本建成，下游人口30多萬(wàn)，農(nóng)田30多萬(wàn)畝，一旦潰壩，淹沒(méi)總損失約53億元，尚未包括人員傷亡損失。除險(xiǎn)加固前大壩下游坡局部失穩(wěn)，汛期多次發(fā)生局部滑動(dòng)、塌陷及裂縫。右壩頭與山坡接觸面沒(méi)有很好的處理，繞壩滲漏依然存在。壩基存在繞滲隱患，可能形成漏水通道，滲流從背水坡流出，危及壩坡安全，壩頂雨后易造成積水下滲，影響下游壩坡局部穩(wěn)定。上游護(hù)坡質(zhì)量差，墊層流失，護(hù)坡松動(dòng)塌陷，損壞嚴(yán)重。現(xiàn)有大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施極不完善，難以準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩的運(yùn)行狀態(tài)。泄洪閘門(mén)漏水嚴(yán)重，啟閉設(shè)備陳舊，損壞嚴(yán)重。北涵洞閘門(mén)碳化嚴(yán)重，鐵附件銹蝕，止水橡皮老化。2000年5月對(duì)沙河集水庫(kù)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固，壩身已做黏土井柱防滲心墻，右壩頭山坡巖體防滲加固措施未實(shí)施，壩身未設(shè)過(guò)渡層。對(duì)原有的防浪墻漿砌石塊進(jìn)行加固，拆除斷裂損壞段墻體。上游護(hù)坡局部翻修，下游坡抗震平臺(tái)挖除軟弱土體，右壩頭山體滑坡體設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn)，建立了包括滲流及環(huán)境量監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)，大大提高了沙河集水庫(kù)的大壩安全管理水平。拆除現(xiàn)有簡(jiǎn)易啟閉房頂，重新現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面，更新4臺(tái)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)齒輪變速箱，更換閘門(mén)止水橡皮、鐵附件，配一副檢修鋼閘門(mén)及啟吊設(shè)備[10]。

3.2 評(píng)價(jià)云模型特征參數(shù)計(jì)算

由3位專(zhuān)家根據(jù)表6中設(shè)定的評(píng)價(jià)云模型，結(jié)合沙河集水庫(kù)加固前后的實(shí)際情況對(duì)指標(biāo)體系中的21個(gè)狀態(tài)因子分別進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，由下式計(jì)算得出評(píng)價(jià)云模型特征參數(shù)，如表7和表8所示。

(3)

3.3 總評(píng)云模型計(jì)算及結(jié)果分析

設(shè)總評(píng)云模型特征參數(shù)的期望值Ex由下式計(jì)算，熵En和超熵He亦類(lèi)似計(jì)算。

Ex=(ExF1Exc1+ExF2Exc2+ExF3Exc3)ExB1+...+

(ExF20Exc20+ExF21Exc21)ExB7。

(4)

經(jīng)計(jì)算，沙河集水庫(kù)大壩加固前總評(píng)云模型特征參數(shù)Ex=3.023，En=1.691，He=0.011 9，總評(píng)結(jié)果云模型如圖2所示。云的期望值為3.023，表明該土石壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)較高，云的熵和數(shù)值較大，云分布比較離散，表明該土石壩評(píng)分是在以3.023分為中心值，且在較大范圍內(nèi)偏向較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)，建議立即進(jìn)行除險(xiǎn)加固。運(yùn)用同樣方法再對(duì)加固后的沙河集水庫(kù)進(jìn)行計(jì)算得總評(píng)云模型特征參數(shù)Ex=6.803，En=1.155，He=0.011 9，總評(píng)結(jié)果云模型如圖3所示。期望值為6.803，表明加固后土石壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)明顯降低，總評(píng)云位于一般風(fēng)險(xiǎn)和較低風(fēng)險(xiǎn)之間，并靠近較低風(fēng)險(xiǎn)，加固后沙河集水庫(kù)大壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)程度為較低風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)價(jià)結(jié)果符合工程實(shí)際。

表7 加固前評(píng)價(jià)云模型特征參數(shù)

表8 加固后評(píng)價(jià)云模型特征參數(shù)

圖2 加固前的總評(píng)云模型

圖3 加固后總評(píng)云模型

4 結(jié)論

1)土石壩老化病害的影響因素很多，并非每個(gè)指標(biāo)都能通過(guò)實(shí)測(cè)進(jìn)行考核，在材料因素、自然因素、人為因素和結(jié)構(gòu)因素基礎(chǔ)上，將潰壩損失引入評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行綜合考慮，評(píng)價(jià)結(jié)果更直觀、全面。

2)本文構(gòu)建了土石壩老化病害評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并提出基于AHP云模型的土石壩老化病害評(píng)價(jià)模型。其中AHP確定權(quán)重，充分考慮指標(biāo)間的相關(guān)性，利用云模型的期望、熵、超熵3個(gè)數(shù)字特征來(lái)評(píng)價(jià)土石壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)程度，綜合考慮了評(píng)價(jià)結(jié)果的中心值、模糊性和隨機(jī)性，提高了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的魯棒性。基于AHP-云模型的方法可以有效地對(duì)群體評(píng)價(jià)做出綜合決策，降低專(zhuān)家的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和主觀因素的影響。最后，實(shí)證分析的結(jié)果表明該模型具有可行性，為定量分析水庫(kù)大壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)中的不確定性提供了一種簡(jiǎn)單有效的新方法，同時(shí)促進(jìn)大壩老化病害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的發(fā)展，更有利于指導(dǎo)水庫(kù)的除險(xiǎn)加固。

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(編校：夏書(shū)林)

Aging-injuring Risk Analysis of Earth-rock Dam Based on AHP-Cloud Model

FU chenghua,DU Xiujuan,ZHAO Chuan

(School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039 China)

For uncertainty and complexity of earth-rock dam aging damage process, AHP-cloud model was applied to finish ageing-injuring risk evaluation of earth-rock dam. First, AHP was used to construct the index system with multiple levels of ageing-injuring risk evaluation about earth-rock dam considering dam-break loss. The cloud model characteristic parameters of index layer and factor layer and comment set were processed quantitatively through established judgment matrix based on contrast scale of cloud model, to identify aging risk degree of earth-rock dam. Finally, every status factor of Shaheji reservoir dam before and after reinforcement was graded respectively and the characteristic parameters of general comment cloud model were calculated, then finished quantitatively the aging risk degree evaluation of earth-rock dam. The results show that this method of aging-injuring risk analysis is feasible and can be used in engineering.

earth-rock dam; analytic hierarchy process; cloud model; risk analysis; characteristic parameter

2015-10-30

西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)成果培育項(xiàng)目(SBZDPY-11-9)；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(ycjj2015162)。

付成華(1978—)，女，副教授，博士研究生，主要研究方向?yàn)樗姽こ獭?/p>

TV641

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1673-159X(2016)05-0046-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.05.009