黃小梅，溫明浩

(1.海城市上英水庫管理處，遼寧 鞍山 114200；2.海城市水利技術(shù)推廣中心，遼寧 鞍山 114200)

目前為止，我國完成各類水庫的修建已9萬余座，其中在建或已建高度在30m以上的大壩約5000余座，此類大壩水庫工程在保證航運交通、農(nóng)業(yè)灌溉、防洪排澇、發(fā)電等方面具有重要作用，并取得了較為顯著的綜合效益。據(jù)不完全統(tǒng)計，相當一部分大中型水利工程在不同程度上表現(xiàn)出病危狀態(tài)。并且由于獨特的環(huán)境氣候和地理位置，我國東北部地區(qū)對壩高、庫大、水利工程的修建逐漸呈增大趨勢，并且此類水庫多處于嚴寒的高山峽谷區(qū)域，甚至處于地震頻發(fā)區(qū)域，所以對此類已建水利工程進行安全評價對于確保工程設(shè)施正常效益的發(fā)揮、促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。當前，國內(nèi)外學者分別從多個角度對大壩安全評價開展研究并取得了一定成果，如蘇懷智等[1]對大壩工作形態(tài)利用模糊可拓法進行了評估；王泉等[2]對大壩寒冬的安全狀態(tài)利用模糊可拓法進行了定量的評估；伍元等[3]對大壩的安全形態(tài)采用熵理論進行了評估；劉天祥等[4]結(jié)合工程實際狀況對某大壩的安全狀態(tài)利用AFSA-AHP模型進行評估。上述評價方法雖然取得了一定的成果并得出了相應(yīng)的理論，然而對評價指標的隨機性和模糊性與大壩安全評價結(jié)果之間的作用關(guān)系并未進行深入研究。云模型是在M-Zade范式模糊數(shù)學改進的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種數(shù)學模型，它可對模糊性和隨機性相結(jié)合的問題進行較好的分析處理，具有一定的普遍適用性。云模型經(jīng)過多年的發(fā)展和實際應(yīng)用已成為比較成熟、系統(tǒng)、全面的新的認知型模型[5]。熵權(quán)法是一種可降低人為干擾對評價結(jié)果作用影響的客觀賦權(quán)法，其評價結(jié)果能夠較好地反映實際狀況，具有客觀、公正、全面、科學基本特征并因此得到較為廣泛的應(yīng)用[6]。據(jù)此，文章依據(jù)云模型和熵權(quán)法基本理論建立了大壩安全綜合評價模型，并結(jié)合實際工程相關(guān)數(shù)據(jù)利用模型對其進行了綜合評價，對模型的有效性、可靠性、科學性進行了驗證和分析。

1 理論分析

1.1 熵權(quán)法

引入m，n分別作為每個指標的觀測值和大壩安全評價指標，其中第i個指標的第j個觀測值采用xij進行表征。因此可建立指標值矩陣X，其表達式如下：

X=[xij]m×n

(1)

為消除不同指標單位和量綱的差異造成的不可通透性，需將上述矩陣進行歸一化處理并得到標準矩陣Y，其表達式如下：

Y=[yij]m×n

(2)

式中，yij—對應(yīng)于xij經(jīng)歸一化處理后的數(shù)值。

可利用下述公式對第i項評價指標的熵ei進行計算：

(3)

式中，k—標準系數(shù)，可利用k=lnn進行求解。

因此，各評價指標的權(quán)重ωi可采用下式進行計算：

(4)

依據(jù)上述計算結(jié)果可構(gòu)建各指標權(quán)重向量矩陣W，如下所示：

W=(ω1,ω2,…,ωn)

(5)

上述中熵值ei越趨近于1，則代表評價指標權(quán)重可隨任意指標熵值的改變而顯著變化的程度。以熵ei值為(0.9725，0.9538，0.9638)，各指標所對應(yīng)的權(quán)重為(0.165，0.342，0.493)為例，權(quán)重在各指標熵值接近時可發(fā)生顯著的變化，因此采用下述公式對權(quán)重計算公式進行調(diào)整：

(6)

式中，et、ei、el—分別為第t、i、l個指標的熵值。

1.2 云模型基本理論

(7)

(4)對上述過程進行迭代計算，直至符合相關(guān)要求則計算終止。

1.3 大壩安全綜合評價模型

可按照下述過程和方法建立基于正態(tài)云模型和熵權(quán)法的綜合評價模型，其具體過程如下:

(1)分別構(gòu)建大壩安全評價指標域和標準域，即C={c1,c2,，cn}；S={s1,s2,，sn}。

(2)對大壩評價指標的權(quán)重矩陣W利用公式(6)進行計算。

(8)

(9)

對上述公式進行求解轉(zhuǎn)換有：

(10)

(4)云滴之間的離散程度可通過超熵Heij即熵的熵進行表征，云滴之間的凝聚性隨超熵值的增大而提高，正態(tài)云模型在超熵值降低為0時，則轉(zhuǎn)化為正態(tài)云曲線，按照經(jīng)驗對相關(guān)參數(shù)進行取值。

(5)對上述參數(shù)進行確定后可采用正向云發(fā)生器對各指標值進行求解并對大壩安全進行評價。首先對每個評價等級中各安全評價指標的隸屬度向量矩陣Z=(zij)n×m進行求解，考慮到隸屬度矩陣具有一定隨機性并避免極端情況的發(fā)生，文章采用加權(quán)平均法對隸屬度進行N次重復(fù)計算并確定最終平均綜合隸屬度，公式如下：

(11)

(6)利用權(quán)重矩陣W和隸屬度矩陣Z計算結(jié)果可對評價標準域S上的模糊子集F進行求解，公式如下：

F=WZ=(f1,f2,,fm)

(12)

式中，fj—安全評價結(jié)果隸屬于第j個評價等級的隸屬度。結(jié)合相關(guān)文獻最大隸屬度原則，文章采用隸屬度最大的評價等級作為水壩安全評價結(jié)果。

2 實例應(yīng)用

2.1 大壩安全評價指標體系

某混凝土重力壩死水位和正常蓄水位分別為1760m和1820m，最大壩高為310m，總庫容和調(diào)節(jié)庫容分別為76.2×108m3和50.1×108m3，電站裝機容量為4200MW且為年調(diào)節(jié)水庫。為獲得更多的監(jiān)測資料并更加高效、全面地獲取大壩的工作狀態(tài)，在水利大壩建設(shè)施工期布設(shè)了多個觀測檢驗裝置如環(huán)境溫度、變形、裂縫、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變、裂縫、滲流、揚壓力、上游水位、引張線、垂直監(jiān)測等儀器裝置[8-10]。結(jié)合已有觀測數(shù)據(jù)資料和混凝土重力壩基本特性，分別從環(huán)境、滲流和大壩變形3個主要方面篩選出了具有代表性的8個安全評價指標，評價指標體系和評價標準見表1和表2。

表1 大壩安全評價指標體系

表2 大壩安全評價指標標準

利用帷幕折減系數(shù)對表2中揚壓力指標進行處理；將實際水位減去正常蓄水位作為上游水位指標；采用年平均氣溫與實際氣溫差值的絕對值作為氣溫評價指標值。表2中各評價指標均不存在明確的邊界限定值，依據(jù)專家同樣的建議、相關(guān)長期數(shù)據(jù)資料觀測結(jié)果和反饋意見、相似工程的類比對各指標進行選取，因此大壩安全各評價指標具有一定的模糊性和隨機性。針對上述特點和問題，采用云模型可進行很好的處理并具有較大的優(yōu)勢[11]。

2.2 評價結(jié)果

利用文中所述相關(guān)公式并結(jié)合評價指標標準和評價指標體系可對大壩安全評價的正態(tài)云模型參數(shù)矩陣進行求解，結(jié)果見表3。

選取C1評價指標進行隸屬度函數(shù)分析，在不同評價等級下對評價指標C1的正態(tài)云參數(shù)利用Matlab平臺進行隸屬度函數(shù)求解。由表3計算結(jié)果可知，利用正向云發(fā)生器對大壩各指標實測值進行隸屬度矩陣的求解，為使得計算結(jié)果具有更好的精度并考慮計算結(jié)果的隨機性，文章對正態(tài)云模型參數(shù)進行100次迭代計算，各指標隸屬度矩陣計算結(jié)果見表4。

表3 正態(tài)云模型各評價指標計算結(jié)果

表4 各評價指標平均綜合評估值計算結(jié)果

對大壩各指標權(quán)重利用熵權(quán)法和公式(6)進行求解，結(jié)果如下：

W={0.178,0.135,0.60,0.112,0.103,0.092,0.145,0.075}

利用表4以及各指標權(quán)重計算結(jié)果按照步驟5可對評價集上的模糊子集進行求解，結(jié)果見表5。

表5 大壩安全評價結(jié)果

由表5計算結(jié)果可知，該大壩處于較低的風險等級，結(jié)合大壩實際狀況，其原因主要為環(huán)境和外部荷載對結(jié)構(gòu)的影響作用時間較短，該水利大壩為新建大壩且投入運行時間較短，并且該大壩設(shè)計較為嚴格規(guī)范，施工養(yǎng)護及維護檢修正常，大壩為大(1)型水利工程，其結(jié)構(gòu)安全富裕程度較大且運行管理理念較為科學。現(xiàn)場實地勘測表明：該水利大壩未出現(xiàn)不可預(yù)期的滲水情況且在大壩內(nèi)部和表面未存在裂縫，壩體結(jié)構(gòu)運行正常。綜上所述，大壩實際狀況與模型安全評價結(jié)果具有良好的吻合度，模型評價結(jié)果能較好地反映壩體的實際狀況，模型具有較強的可靠性與適用性。

3 結(jié)論

文章在詳細分析了云模型和熵權(quán)法基本理論的基礎(chǔ)之上構(gòu)建了安全評價模型并運用于實際工程中，模型評價結(jié)果表明該大壩處于較低的風險等級。大壩運行實際狀況與模型評價結(jié)果保持良好的一致性，其安全評價結(jié)果能夠較好地反映壩體安全運行實際狀況，模型具有較強的適用性與可靠性。