陳 果

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司 河源分公司，廣東 河源 517001)

1 概 述

我國(guó)是水資源開發(fā)利用大國(guó)，水庫數(shù)量也居世界首位。根據(jù)《第一次全國(guó)水利普查公報(bào)》，全國(guó)共有已建及在建水庫9.8×104座，其中9.3×104座為小型水庫，約占現(xiàn)有水庫總數(shù)的95%[1]。這些小型水庫大多建于上世紀(jì)50-70年代，受當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)設(shè)備等的限制，普遍存在工程質(zhì)量問題，“三邊”工程居多。再加上長(zhǎng)期缺乏管理和維護(hù)，約有36%左右的水庫出現(xiàn)了病險(xiǎn)。病險(xiǎn)水庫不僅不能正常發(fā)揮防洪、灌溉、供水等效益，而且工程本身已成為防洪度汛的最大隱患，嚴(yán)重威脅著下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。我國(guó)小型水庫病險(xiǎn)狀況嚴(yán)峻，進(jìn)行安全綜合評(píng)價(jià)勢(shì)在必行。因此，要定期對(duì)水庫大壩進(jìn)行安全鑒定和評(píng)價(jià)，了解水庫的安全狀況，以便有針對(duì)性地采取措施，對(duì)確保水庫的安全運(yùn)行和公共安全都具有十分重要的意義。

2 水庫大壩安全評(píng)價(jià)方法現(xiàn)狀

我國(guó)現(xiàn)行水庫大壩的安全綜合評(píng)價(jià)是以《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 258-2017)為依據(jù)，先對(duì)工程質(zhì)量、運(yùn)行管理、防洪能力、結(jié)構(gòu)安全、滲流安全、金屬結(jié)構(gòu)、抗震復(fù)核等若干個(gè)相關(guān)專題分別進(jìn)行研究，其結(jié)果分為A、B、C三級(jí)；依照《導(dǎo)則》，A級(jí)為安全可靠，B級(jí)為基本安全，但有缺陷，C級(jí)為不安全。最后，綜合各專項(xiàng)的安全級(jí)別對(duì)水庫大壩進(jìn)行分類，安全級(jí)別均達(dá)到A級(jí)的，為一類壩；安全級(jí)別均達(dá)到A級(jí)或B級(jí)的，為二類壩；安全級(jí)別中有一項(xiàng)及以上是C級(jí)的，為三類壩[2]。此類評(píng)價(jià)大都以大壩的安全為核心，以評(píng)價(jià)出水庫大壩所屬等級(jí)為目的，分級(jí)較為籠統(tǒng)，對(duì)病險(xiǎn)程度的量化卻鮮有關(guān)注。

而層次分析法(AHP)作為一種半定量化的分析評(píng)價(jià)方法，具有系統(tǒng)、實(shí)用、簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)。在小型水庫的安全綜合評(píng)價(jià)中對(duì)層次分析法進(jìn)行應(yīng)用，通過對(duì)比分析的方式，對(duì)定性因素指標(biāo)進(jìn)行定量化處理，能夠客觀、全面、系統(tǒng)地完成水庫大壩的病險(xiǎn)程度判定和安全綜合評(píng)價(jià)。

3 基于層次分析法小型水庫安全綜合評(píng)價(jià)的基本原理

3.1 層次分析法

層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。層次分析法的核心是將決策者的經(jīng)驗(yàn)判斷定量化，增強(qiáng)決策的準(zhǔn)確性，在目標(biāo)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且缺乏統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的情況下更為實(shí)用。單層次化的層次分析法包括以下4個(gè)步驟：

3.1.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立層次結(jié)構(gòu)模型

所選擇的指標(biāo)應(yīng)滿足：內(nèi)涵明確，具有代表性和獨(dú)立性、層次性和系統(tǒng)性，簡(jiǎn)捷可操作，定性與定量相結(jié)合，充分完備以相對(duì)全面和完整地反映評(píng)價(jià)對(duì)象的各方面重要特征。

3.1.2 同一準(zhǔn)則層間各元素兩兩比較，依據(jù)其相對(duì)重要性構(gòu)建判斷矩陣

若以A為目標(biāo)層，其下各準(zhǔn)則指標(biāo)為B1，B2，……，Bn，則要按照它們對(duì)于A的相對(duì)重要性賦予一定的權(quán)重。該權(quán)重賦予常采用1～9標(biāo)度法。表1列出1～9 標(biāo)度法各值的具體含義。

表1 1～9標(biāo)度含義表

bij的取值反映出同層次兩指標(biāo)之間的相對(duì)重要性。若取值在1～9之間，值越大，則說明i與j相比，重要程度越高。這樣對(duì)于目標(biāo)A,n個(gè)被比較的下層指標(biāo)構(gòu)成一個(gè)判斷矩陣:

(1)

3.1.3 計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重

層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，就是在建立層次化遞階指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，通過比較同一層各指標(biāo)的相對(duì)重要性來綜合計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重向量。計(jì)算權(quán)重向量的方法主要有和法、根法等。本文主要采用和法進(jìn)行權(quán)重向量的計(jì)算。

3.1.4 判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)

構(gòu)造的判斷矩陣應(yīng)與一致矩陣相接近，具有大體上的一致性。如果未通過一致性檢驗(yàn)，則需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修正，直至滿足要求為止。判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)的內(nèi)容包括：

1) 計(jì)算一致性指標(biāo)CI。公式如下：

(2)

2) 查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。表2列出1～10階的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表

3) 計(jì)算一致性比例CR。公式如下：

(3)

若CR<0.10時(shí)，則認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對(duì)判斷矩陣做適當(dāng)修正。

3.2 計(jì)算權(quán)重向量的和法

對(duì)于目標(biāo)A之下的n個(gè)指標(biāo)B1，B2，……，Bn有判斷矩陣B, 則求權(quán)重向量W=(w1，w2，…，wn)T及最大特征值λmax的主要步驟有：

1) 將判斷矩陣A中的元素做列歸一化處理：

(4)

得到歸一化之后的矩陣Q=(qij)n×n

2) 將矩陣Q的元素按行相加,得到向量P=(p1，p2，…，pn)T：

(5)

3) 對(duì)向量P作歸一化處理即得權(quán)重向量W=(w1，w2，…，wn)T：

(6)

4) 求最大特征值。公式如下：

(7)

3.3 基于層次分析法小型水庫安全綜合評(píng)價(jià)

將傳統(tǒng)的大壩安全評(píng)價(jià)與層次分析法相結(jié)合，可以有效地解決小型水庫的安全綜合評(píng)價(jià)問題?；趯哟畏治龇ǖ乃畮齑髩伟踩C合評(píng)價(jià)，通過體系構(gòu)建、賦分、綜評(píng)3個(gè)方面進(jìn)行。

3.3.1 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建主要包括構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)圖及計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的層次總排序權(quán)重。根據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 258-2017)的評(píng)價(jià)要求，把影響水庫大壩安全的各項(xiàng)主要因素分解為層次結(jié)構(gòu)。在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖構(gòu)建完成之后，以向?qū)＜艺{(diào)查咨詢的方式，了解同一層次各項(xiàng)指標(biāo)間的相對(duì)重要性，進(jìn)而確定判斷矩陣。實(shí)際應(yīng)用工程中，分解得到的指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為遞階層次結(jié)構(gòu)。故在得到單層次、單一準(zhǔn)則下權(quán)重的基礎(chǔ)上，還需自下而上進(jìn)行下層指標(biāo)對(duì)上層指標(biāo)的重要性排序，逐步進(jìn)行合成權(quán)重計(jì)算，最后得到最下層元素對(duì)總目標(biāo)的重要性排序。此過程稱為層次總排序，還應(yīng)進(jìn)行總排序的一致性檢驗(yàn)。

層次總排序的基本原理：設(shè)自上而下的3層次為P層、Q層、R層，Q層有m個(gè)指標(biāo)，R層有n個(gè)指標(biāo),Qi指標(biāo)對(duì)Pk指標(biāo)的權(quán)重為wik，Rj指標(biāo)對(duì)Qi指標(biāo)的權(quán)重為wji，則Rj對(duì)Pk的權(quán)重為：

(8)

3.3.2 賦 分

目前，水庫大壩安全評(píng)價(jià)常用安全系數(shù)法和分析法，這些評(píng)價(jià)方法主要是以大壩安全為主要目標(biāo)，并以不同的評(píng)價(jià)等級(jí)A，B，C對(duì)大壩作出安全評(píng)價(jià)[3-5]。但在利用層次分析法時(shí)就需要量化這些指標(biāo)因素，即要對(duì)底層各個(gè)指標(biāo)因素進(jìn)行評(píng)分標(biāo)度。為客觀、真實(shí)地反映水庫大壩的安全程度，可先對(duì)這些指標(biāo)按照A，B，C 3個(gè)等級(jí)評(píng)級(jí)，之后可對(duì)照等級(jí)劃分表考慮其問題的嚴(yán)重程度進(jìn)行量化打分。本文采用表3所示的各指標(biāo)等級(jí)劃分表，賦予這些分值時(shí)需經(jīng)過相關(guān)專家的探討，使其具有一定的客觀性。

表3 指標(biāo)等級(jí)劃分表

該等級(jí)劃分表根據(jù)工程實(shí)例的具體情況，將各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)劃為9級(jí)分制, 通常取1，3，5，7，9表示程度標(biāo)度,若有折中,則取相鄰標(biāo)度中間值。

3.3.3 綜 評(píng)

綜評(píng)是指將底層各指標(biāo)所得的分值與其對(duì)應(yīng)的總排序權(quán)重進(jìn)行相乘后求和，即可得到水庫大壩安全評(píng)價(jià)的具體分值，作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)：

(9)

式中：H為綜合評(píng)價(jià)得分；m為底層指標(biāo)個(gè)數(shù)；ωi為第i個(gè)底層指標(biāo)的總排序權(quán)重；ui為第i個(gè)底層指標(biāo)的評(píng)分值。

根據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 258-2017)的要求，表4給出水庫大壩安全等級(jí)與分值區(qū)間的關(guān)系。根據(jù)水庫大壩所得分值，便可查出該水庫所屬的類別。其中，一類壩安全可靠,能按設(shè)計(jì)正常運(yùn)行；二類壩基本安全,可在加強(qiáng)監(jiān)控下正常運(yùn)行；三類壩不安全，屬于病壩險(xiǎn)壩[]。

表4 水庫大壩安全綜合評(píng)價(jià)等級(jí)表

4 工程實(shí)例

4.1 工程現(xiàn)狀

某水庫為小(Ⅰ)型水庫，修建于19世紀(jì)60年代，大壩是均質(zhì)土壩，總庫容為129×104m3，土壩最大壩高20.0 m，壩頂長(zhǎng)度80 m。該水庫樞紐的主要建筑物有土壩、輸水涵及溢洪道等三大部分。近年按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行安全綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)該水庫存在較大問題[6]。

經(jīng)檢測(cè)得出：

1) 本工程質(zhì)量基本滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，且運(yùn)行中暴露局部質(zhì)量缺陷，但尚不嚴(yán)重影響工程安全的，工程質(zhì)量可認(rèn)為基本合格。

2) 該水庫管理人員能履行相應(yīng)的管理職責(zé)，運(yùn)行管理評(píng)價(jià)較為規(guī)范。但無大壩變形、位移觀測(cè)設(shè)施，無法對(duì)大壩變形情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)；無壩體浸潤(rùn)線觀測(cè)，無法分析及掌握大壩的安全狀況，不利于險(xiǎn)情預(yù)報(bào)和大壩的管理。

3) 水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)及大壩的抗洪能力滿足規(guī)范要求。

4) 大壩的抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，溢洪道穩(wěn)定基本滿足運(yùn)行要求，輸水涵頭基本正常運(yùn)行。其他建筑物結(jié)構(gòu)基本安全。

5) 該水庫大壩滲流性態(tài)不安全，大壩浸潤(rùn)線逸出點(diǎn)及滲漏量不滿足規(guī)范要求。大壩壩肩嵌入強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，未見斷層等不良地質(zhì)現(xiàn)象，未見繞壩滲漏，變形開裂等跡象，壩肩基本穩(wěn)定。

6) 該水庫涉及金屬結(jié)構(gòu)的建筑物主要為壩體埋設(shè)的鋼管，從現(xiàn)場(chǎng)對(duì)出水口進(jìn)行觀測(cè)，管口有局部銹蝕，管身未發(fā)現(xiàn)有破裂、漏水情況，管周也未見接觸滲漏問題。輸水涵鋼管布置基本合理。

現(xiàn)根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)按本文的層次分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4.2 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 258-2017)，按照影響土壩安全運(yùn)行的因素，將評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分成3個(gè)等級(jí)，其中包括1個(gè)一級(jí)指標(biāo)、7個(gè)二級(jí)指標(biāo)、23個(gè)三級(jí)指標(biāo)，詳細(xì)內(nèi)容見圖1。

圖1 某水庫評(píng)估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 建立判斷矩陣并計(jì)算單準(zhǔn)則下的權(quán)重向量

根據(jù)圖1所示的體系層次結(jié)構(gòu),進(jìn)行同一準(zhǔn)則層間各元素兩兩比較，依據(jù)其相對(duì)重要性采用1～9標(biāo)度法賦值，構(gòu)建判斷矩陣；采用和法計(jì)算單準(zhǔn)則下的權(quán)重向量,并作一致性檢驗(yàn)。具體計(jì)算結(jié)果見表5-表12。

表5 A-B權(quán)重向量計(jì)算與一致性檢驗(yàn)

表6 B1-C權(quán)重向量計(jì)算與一致性檢驗(yàn)

表7 B2-C權(quán)重向量計(jì)算與一致性檢驗(yàn)

表8 B3-C權(quán)重向量計(jì)算與一致性檢驗(yàn)

表9 B4-C權(quán)重向量計(jì)算與一致性檢驗(yàn)

表10 B5-C權(quán)重向量計(jì)算與一致性檢驗(yàn)

表11 B6-C權(quán)重向量計(jì)算與一致性檢驗(yàn)

表12 B7-C權(quán)重向量計(jì)算與一致性檢驗(yàn)

4.4 合成總排序權(quán)重

23個(gè)底層指標(biāo)的總排序權(quán)重U為：

U=[0.030 564，0.069 444，0.007 992，0.006 424，0.017 739，0.048 837，0.040 250，0.080 500，0.040 250，0.133 380，0.133 380，0.036 504，0.033 345，0.014 391，0.154 394，0.066 920，0.017 686，0.011 356，0.011 322，0.011 322，0.021 964，0.009 520，0.002 516]T

4.5 綜合評(píng)價(jià)

在分析了評(píng)價(jià)體系底層各指標(biāo)因素對(duì)目標(biāo)層的影響權(quán)重之后，根據(jù)表3的評(píng)分準(zhǔn)則，對(duì)每個(gè)指標(biāo)因素根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行賦分，可以得到綜合評(píng)價(jià)得分，以此作為該水庫安全綜合評(píng)價(jià)的依據(jù)。從結(jié)果上看，該水庫綜合評(píng)價(jià)得分為4.090，查表4可知,該工程應(yīng)評(píng)為三類壩。各專項(xiàng)量化評(píng)價(jià)見表13。

表13 某水庫各項(xiàng)指標(biāo)量化評(píng)價(jià)表

續(xù)表13

5 結(jié) 論

本文應(yīng)用層次分析法，建立某小型水庫安全評(píng)價(jià)的半定量化模型，并對(duì)其進(jìn)行安全綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：

1) 依據(jù)本文所建立的評(píng)價(jià)模型,該工程應(yīng)評(píng)為三類壩。實(shí)際上,在安全評(píng)價(jià)報(bào)告中[4]，按照傳統(tǒng)的大壩安全評(píng)價(jià)方法，該水庫大壩也被評(píng)為三類壩，為病險(xiǎn)水庫。從各項(xiàng)指標(biāo)的得分可以看出水庫存在的問題，為水庫除險(xiǎn)加固的開展以及運(yùn)行管理水平的提高提供了依據(jù)，具有一定的實(shí)用性。同時(shí)，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的最大隸屬原則[7]，23個(gè)C層指標(biāo)均隸屬于A論域，其中又以B4子系統(tǒng)下的C10壩體變形和C11壩體穩(wěn)定以及B5子系統(tǒng)下的C15壩體滲漏的隸屬函數(shù)最大，故這3項(xiàng)是影響大壩安全的最主要因素。因此，在除險(xiǎn)加固時(shí)，應(yīng)優(yōu)先對(duì)這3項(xiàng)問題進(jìn)行解決處理。

2) 本文應(yīng)用的結(jié)果表明，層次分析法在處理一些定性定量評(píng)價(jià)問題時(shí)，具有一定的系統(tǒng)性、簡(jiǎn)潔性和實(shí)用性；并且還可以定量反映出水庫的定性狀態(tài)，對(duì)水庫除險(xiǎn)加固的開展以及運(yùn)行管理水平的提高有一定的參考意義。但層次分析法也存在著變權(quán)、合理準(zhǔn)則制定、一致性檢驗(yàn)以及底層因素量化賦分等的問題。

3) 針對(duì)層次分析法的不足，為適應(yīng)水利工程安全評(píng)價(jià)的需要，可以做出一些改進(jìn)。例如，將模糊評(píng)價(jià)法與層次分析法結(jié)合在一起，并用到水庫大壩的安全評(píng)價(jià)中：模糊評(píng)價(jià)法負(fù)責(zé)對(duì)方案進(jìn)行綜合判斷篩選，層次分析法負(fù)責(zé)指標(biāo)細(xì)分和權(quán)重設(shè)計(jì)，此稱為模糊層次分析法[8-12]；將熵值法與層次分析法結(jié)合起來，可有效避免人為因素的干擾，解決層次分析法中的主觀賦權(quán)等問題[13-14]。