牛凱杰，梁 川，衛(wèi)仁娟，白若男

(四川大學(xué) a.水利水電學(xué)院;b.水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

基于層次分析綜合指數(shù)法的大壩震后震損破壞綜合評(píng)價(jià)

牛凱杰a,b，梁 川a,b，衛(wèi)仁娟a,b，白若男a,b

(四川大學(xué) a.水利水電學(xué)院;b.水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

近年來西南地區(qū)地震頻繁發(fā)生，對(duì)該地區(qū)大壩造成不同程度的震損破壞，為了探究地震對(duì)水庫、大壩等水利工程產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)及其破壞規(guī)律，需要對(duì)大壩的震損破壞進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。選取“汶川5·12”地震后岷江上游的14座大壩為評(píng)價(jià)研究對(duì)象，同時(shí)考慮水利工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、地震特性和震損特征4個(gè)方面的影響因素，篩選與大壩震損破壞緊密相關(guān)的11項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)建大壩震損破壞綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)而運(yùn)用層次分析綜合指數(shù)法建立了綜合評(píng)價(jià)模型。根據(jù)該模型對(duì)14座大壩工程的震損狀態(tài)進(jìn)行實(shí)算綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)各個(gè)影響因素的重要性程度分析辨別，評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況基本相符，說明綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇及其權(quán)重確定的合理性，以及層次評(píng)價(jià)方法的可行性。本次評(píng)價(jià)結(jié)果能為大中型水電工程科學(xué)防震提供重要依據(jù)。

大壩；震損破壞；綜合評(píng)價(jià)；層次分析；綜合指數(shù)法

1 研究背景

西部地區(qū)是我國(guó)水能資源最豐富的地區(qū)，水庫工程不可或缺，而該地區(qū)又是強(qiáng)烈地震和地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)[1-2]。2008年的汶川地震以及2013年蘆山地震，不僅造成了居民、工農(nóng)業(yè)嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[3]，也造成震區(qū)多座水庫不同程度的震損，部分水庫甚至出現(xiàn)潰壩險(xiǎn)情[4]。在頻繁的地質(zhì)災(zāi)害與眾多的水利工程必須并存的大背景下，水庫大壩的抗震安全就顯得尤為重要。

現(xiàn)階段地震科學(xué)還不能做到臨震預(yù)報(bào)，因此大壩的抗震防災(zāi)研究已成為當(dāng)前水電領(lǐng)域前沿性的重要研究課題[5-7]。其中，通過實(shí)震調(diào)查并系統(tǒng)地搜集和評(píng)價(jià)分析地震對(duì)水庫、大壩等水利工程產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，并探究其規(guī)律，從而防范地震可能給水利工程帶來的破壞，是我們當(dāng)下能夠做的直接有效的一項(xiàng)工作。

目前關(guān)于水庫工程震損已有大量的研究，多數(shù)研究集中于以下2個(gè)方面：①對(duì)某幾個(gè)大壩或某一地區(qū)的大壩震損現(xiàn)象定性的描述和分析[8-9]；②對(duì)某一種震害現(xiàn)象的機(jī)理及其數(shù)值計(jì)算和模擬[10-11]。迄今為止，在關(guān)于地震影響大壩安全的研究中，尚未見到同時(shí)考慮大壩工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、地震特性和大壩震損特征4類要素的實(shí)算評(píng)價(jià)分析，也沒有對(duì)其影響因素的重要性程度進(jìn)行系統(tǒng)研究。本文選取“汶川5·12”地震后岷江上游14座大壩工程的震損狀態(tài)為研究對(duì)象，針對(duì)與大壩震損破壞密切相關(guān)的11項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)建基于層次分析綜合指數(shù)法的綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行實(shí)算綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)各個(gè)影響因素的重要性程度加以分析辨別，從而為深入探究地震對(duì)水庫、大壩等水利工程產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)及其破壞規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域和資料來源

岷江發(fā)源于四川松潘縣，以都江堰以上為上游，岷江上游河段除干流外，主要支流從南往北依次為黑水河、雜谷腦河、草坡河以及漁子溪。岷江上游干支流共有大中型水電工程20座，水電站總裝機(jī)容量約3 000 MW，參見圖1所示。本文選擇20座水電站中資料較為完善的14座大壩工程，有關(guān)的基本資料參見文獻(xiàn)[12]并示于表1中。

圖1 岷江上游流域范圍及其水電工程分布Fig.1 Map of the upstream of Minjiang River and the distribution of hydropower projects

3 評(píng)價(jià)方法介紹

層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)的基本原理是將一個(gè)復(fù)雜問題中的各種因子劃分為相互關(guān)聯(lián)的有序?qū)哟?，形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，并最終把問題分析歸結(jié)為最底層相對(duì)于最高層(總目標(biāo))以及相對(duì)重要性權(quán)值的確定或相對(duì)優(yōu)劣次序的排序問題。

表1 岷江上游部分水電工程特性及其地震特性Table 1 Features of hydropower projects in the upstream of Minjiang River and their seismic characteristics

運(yùn)用層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)分析時(shí)，大致分為如下3個(gè)步驟：

(1) 建立層次結(jié)構(gòu)模型。在深入分析所面臨的評(píng)價(jià)問題之后，將評(píng)價(jià)對(duì)象中所包含的因素劃分為不同層次，如目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層等。

(2) 構(gòu)造成對(duì)判斷矩陣。判斷矩陣的值反映了人們對(duì)各個(gè)因子的相對(duì)重要性(或強(qiáng)度、優(yōu)劣、喜好等)的認(rèn)識(shí)，通常采用1至9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法對(duì)各個(gè)因子進(jìn)行兩兩比較，用aij表示aij為屬性i的權(quán)wi和屬性j的權(quán)wj的比wi/wj，將所有既定目標(biāo)成對(duì)地比較，結(jié)果用矩陣A表示[13]。對(duì)目標(biāo)層、中間層和指標(biāo)層一律按照上述方法構(gòu)造判斷矩陣，對(duì)各個(gè)層次進(jìn)行判斷，最后得到評(píng)價(jià)體系中考慮所有因素的判斷矩陣。

(3) 進(jìn)行一致性分析[13]，并計(jì)算單一準(zhǔn)則下元素的相對(duì)權(quán)重。用Matlab7.0軟件求出判斷矩陣A的最大特征值λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)通過，特征向量(歸一化后)即為權(quán)向量；若不通過，需要重新構(gòu)造成對(duì)比較矩陣。

綜合指數(shù)法的基本思路是利用層次分析法計(jì)算的權(quán)重和利用模糊評(píng)判法、打分法等取得的指標(biāo)值進(jìn)行累乘，然后相加，最后計(jì)算出各評(píng)價(jià)對(duì)象單體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的指數(shù)[14]。將各指標(biāo)的作用指數(shù)(評(píng)分)乘以各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重，最后分層相加，即可得到綜合評(píng)價(jià)值。

綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算表達(dá)式為

(1)

式中：DL為水庫工程震損大壩風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；ωi評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)向量；Ii為評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分。

4 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建及其權(quán)重的確定

大壩震損后的破壞特征有很多，根據(jù)本次地震特點(diǎn)選擇了具有代表性的大壩裂縫、大壩變形和大壩滲漏來反映大壩的部分震損情況，但要綜合評(píng)價(jià)大壩的整體震損情況，還需要結(jié)合更多指標(biāo)。鑒于大壩自身的工程特性和運(yùn)行管理方式對(duì)大壩震損的影響不容忽視，將這2個(gè)方面納入評(píng)價(jià)體系會(huì)使評(píng)價(jià)依據(jù)更充分。另外，地震的發(fā)生是導(dǎo)致大壩破損的根本原因，地震特性對(duì)大壩的影響最大，在該評(píng)價(jià)體系中應(yīng)處于主導(dǎo)地位。因此，本文將大壩震損特征、工程設(shè)計(jì)與施工、運(yùn)行管理與地震特性結(jié)合起來綜合評(píng)價(jià)大壩震損程度，評(píng)價(jià)因素的選擇涵蓋面廣且相互獨(dú)立，使結(jié)果更有說服力。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)分值Table 3 Standard scores of evaluation indexes

依據(jù)層次分析法，以大壩震損破壞綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)層，以大壩工程設(shè)計(jì)與施工、運(yùn)行管理、地震特性和大壩震損特征為準(zhǔn)則層，從準(zhǔn)則層的4個(gè)方面分別選壩型、工程等級(jí)、庫容、應(yīng)急預(yù)案及應(yīng)急措施、運(yùn)行水位、距地震斷裂帶距離、與地震斷裂帶相對(duì)位置、地震烈度、壩體裂縫、壩體變形、壩體滲漏11個(gè)因素構(gòu)成指標(biāo)層，其層次結(jié)構(gòu)和隸屬關(guān)系如圖2所示。

圖2 大壩震損破壞綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)遞階層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Hierarchical structure of the comprehensive evaluation indexes for the seismic damage of dams

本文所調(diào)查的14座大中型水電工程覆蓋層地基處理都設(shè)計(jì)合理，壩基均無震損破壞；無老齡化的問題，且都已經(jīng)歷了施工期和第一次蓄水；其選址均避開了活動(dòng)斷層，在相對(duì)穩(wěn)定的地塊上；地質(zhì)災(zāi)害與“與地震斷裂帶相對(duì)位置”和“距地震斷裂帶最短距離”2個(gè)指標(biāo)密切相關(guān)，評(píng)價(jià)指標(biāo)若再選取地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)有一定的重復(fù)性[15]；少數(shù)大壩雖出現(xiàn)漫頂現(xiàn)象，但無一潰壩；烈度本身就是包含震級(jí)和震中距的一個(gè)函數(shù)，且烈度與后兩者有密切的關(guān)系[16]。因此，本文未選擇壩基、壩齡、場(chǎng)地、地質(zhì)災(zāi)害、洪水漫頂、震級(jí)、震中距等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)層次分析法原理，參考水庫工程抗震規(guī)范等資料和大壩工程震損破壞實(shí)際資料及專家意見[17-18]，并利用1至9標(biāo)度法賦以相應(yīng)分值，檢驗(yàn)上下層之間的隸屬關(guān)系構(gòu)造判斷矩陣；然后結(jié)合Matlab7.0軟件對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，并做一致性檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果具有滿意的一致性。最后把各判斷矩陣的計(jì)算結(jié)果綜合起來，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 大壩震損破壞綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架Table 2 Framework of comprehensive evaluation indexsystem for the seismic damage of dams

5 綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建及結(jié)果分析

根據(jù)前文對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析，對(duì)14座大壩按11個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)評(píng)分。文中借鑒文獻(xiàn)[19]中所采取的辦法，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用“黃金分割”確定作用指數(shù)，即高風(fēng)險(xiǎn)作用指數(shù)取1，中等風(fēng)險(xiǎn)作用指數(shù)取0.618，小風(fēng)險(xiǎn)作用指數(shù)取0.382。其風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判別依然采用黃金分割原理來劃分，其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判別標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 震損水庫工程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判別Table 4 Risk levels of the earthquake-damagedreservoirs

根據(jù)14座大壩的基本資料以及評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)分值，采用公式(1)對(duì)大壩進(jìn)行綜合評(píng)分，所有的評(píng)價(jià)指標(biāo)及綜合評(píng)價(jià)指數(shù)均在0～1之間，14座水電工程的評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

表5 岷江上游14座水電站工程震損破壞評(píng)價(jià)得分及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Table 5 Evaluation scores and risk levels of 14 damagedhydropower projects in the upstream of Minjiang River

由表2至表5的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析可知：①地震烈度是對(duì)14座大壩造成危害最嚴(yán)重的因素；與地震斷裂帶相對(duì)位置排在第三位，說明地震中上盤效應(yīng)不可忽視，同時(shí)也反映出地質(zhì)災(zāi)害對(duì)大壩損害嚴(yán)重；②應(yīng)急預(yù)案及措施和震前水位比所有工程特性指標(biāo)排序都要靠前，表明重視運(yùn)行管理在一定程度上可以提高工程的承險(xiǎn)能力；③在工程震損指標(biāo)中滲漏位居第一，說明滲漏對(duì)于大壩的威脅大；裂縫的大小和變形的嚴(yán)重程度能直觀反映大壩的震損程度；④壩型、工程等級(jí)、庫容3個(gè)工程特性指標(biāo)排在最后3位，說明工程設(shè)計(jì)與施工相對(duì)次要，不是致險(xiǎn)的關(guān)鍵因素；⑤太平驛、映秀灣和紫坪鋪水電站工程震損破壞風(fēng)險(xiǎn)高，竹格多風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)低，其他10座大壩風(fēng)險(xiǎn)程度為中等。這與實(shí)際調(diào)查的震損情況[12]基本相符。

6 結(jié) 論

本文基于層次分析的綜合指數(shù)法對(duì)“汶川5·12”地震后岷江上游的14座水電站工程大壩震損破壞進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，構(gòu)建了同時(shí)考慮大壩工程設(shè)計(jì)與施工、運(yùn)行管理、地震特性和大壩震損特征4類要素的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和基于層次分析綜合指數(shù)法的綜合評(píng)價(jià)模型，并通過綜合評(píng)價(jià)實(shí)算分析，初步探明了影響大壩震損破壞各個(gè)因素的重要性程度。研究結(jié)果表明，地震烈度是造成大中型水電工程震損破壞最嚴(yán)重的因素，應(yīng)急預(yù)案及震前運(yùn)行水位則是降低震損風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要的措施。因此，本次評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)于深化水庫、大壩等地震風(fēng)險(xiǎn)孕育及破壞規(guī)律的研究和加強(qiáng)水利工程防震運(yùn)行管理具有科學(xué)參考作用。

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(編輯：曾小漢)

Comprehensive Assessment of Seismic Damage Based on HierarchyProcess in Consideration of Synthetic Indexes

NIU Kai-jie1，2, LIANG Chuan1，2, WEI Ren-juan1，2, BAI Ruo-nan1，2

(1.College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, China;2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University,Chengdu 610065, China)

In recent years, earthquakes occurred frequently in the Southwest of China, damaging dams in the region to different extents. Assessment on the seismic damage is necessary to exploring the risk and damage regularity for reservoirs and dams. Fourteen dams in the upstream of Minjiang River after “5·12 Wenchuan earthquake” are selected as evaluation objects. Moreover, impact factors inclusive of project design, operation and management, seismic properties and earthquake damage characteristics are considered, and 11 indexes are selected to form an index system and their weights are determined as well based on the criterion layer. Furthermore, synthetic index method of analytic hierarchy process is used to establish a model of comprehensive assessment. The model is applied to calculate the seismic damage status of 14 dams and discriminate the importance degree of each impact factor. The assessment result is almost consistent with the site investigation, which confirms that the evaluation indexes and their weights are reasonably determined. The result is an important basis for relieving earthquake damage scientifically for large or medium-sized hydropower projects.

dam; earthquake damage; comprehensive assessment; analytical hierarchy process; synthetic index method

2014-03-31；

2014-05-01

國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB036401)

牛凱杰(1989-)，男，山西長(zhǎng)治人，碩士研究生, 主要從事潰壩方面的研究，(電話) 15828513596 (電子信箱)381066609@qq.com。

梁 川(1957-)，男，四川雅安人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水資源優(yōu)化配置和水庫風(fēng)險(xiǎn)方面的研究，(電話)13679019391 (電子信箱)lchester@sohu.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.009

TV698.13

A

1001-5485(2015)02-0039-05

2015,32(02):39-43