羅日洪， 黃錦林， 涂金良， 李兆恒， 徐云乾

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510635；2.廣東省粵港澳大灣區(qū)水安全保障工程技術(shù)研究中心， 廣東 廣州 510635;3.廣東省水利水電技術(shù)中心， 廣東 廣州 510635)

渡槽是一種重要的水工建筑物，過去我國修建了大量的中小型渡槽用于農(nóng)業(yè)灌溉。近年來，隨著水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入不斷加大，建成了一批大型渡槽。渡槽的運(yùn)行受多種因素影響，容易產(chǎn)生病害，甚至出現(xiàn)破壞事故[1]。因此，開展渡槽的安全評(píng)價(jià)研究變得尤為重要。在渡槽安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面，目前尚無國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。地方標(biāo)準(zhǔn)中，廣東省發(fā)布了《渡槽安全鑒定規(guī)程》[2](DB44/T 2041—2017)，浙江省編制了《浙江省灌區(qū)渡槽安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[3](試行)，兩者均參照《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[4](SL 258—2017)，以質(zhì)量、水力、地基承載、結(jié)構(gòu)安全等單項(xiàng)評(píng)價(jià)等級(jí)來確定渡槽安全類別，但由于是地方標(biāo)準(zhǔn)，使用上有一定局限性。在開展渡槽安全評(píng)價(jià)工作中，一些學(xué)者在分析對(duì)渡槽安全有影響的各類因素基礎(chǔ)上進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。夏富洲等[5]采用不確定型層次分析法對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估；張鋒[6]基于層次分析法對(duì)寧夏引黃灌區(qū)輸水渡槽進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；黃勁柏等[7]通過建立了力學(xué)簡(jiǎn)化模型比較三種渡槽抗震減震技術(shù)方案，并對(duì)抗震減震效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)；張文劍等[8]對(duì)陜西省某渡槽健康狀態(tài)進(jìn)行層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)。以上對(duì)于渡槽安全評(píng)價(jià)的研究中，有些未考慮渡槽是一個(gè)復(fù)雜的整體，僅從安全因素的某一方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，存在片面性；有些采用層次分析法(AHP)時(shí)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重主觀性較強(qiáng)，容易造成評(píng)價(jià)結(jié)果不合理[9-11]。針對(duì)以上問題，本文在參考《渡槽安全鑒定規(guī)程》[2](DB44/T 2041—2017)基礎(chǔ)上，提出一種基于群決策的AHP渡槽安全綜合評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合具體工程進(jìn)行分析驗(yàn)證，為采用層次分析法進(jìn)行渡槽安全評(píng)價(jià)提供更為科學(xué)的分析模型。

1 基于群決策的AHP渡槽綜合評(píng)價(jià)方法

1.1 群決策主觀權(quán)重計(jì)算改進(jìn)AHP法

(1) 建立層次結(jié)構(gòu)。在分析渡槽結(jié)構(gòu)特征和破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建渡槽安全的層次結(jié)構(gòu)，以渡槽安全為目標(biāo)層，準(zhǔn)則層劃分為安全性、適用性、耐久性，其中安全性是渡槽安全評(píng)價(jià)的最重要指標(biāo)，決定渡槽是否破壞；適用性考慮了渡槽正常使用的能力；耐久性則與渡槽最終服務(wù)期限有關(guān)[12]。根據(jù)《渡槽安全鑒定規(guī)程》[2](DB44/T 2041—2017)，結(jié)合工程實(shí)際情況，劃分底層指標(biāo)，其中安全性劃分為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗震安全、地基與基礎(chǔ)承載力、抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定5個(gè)指標(biāo)；適用性劃分為過流能力、結(jié)構(gòu)變形、止水漏水3個(gè)指標(biāo)；耐久性劃分為結(jié)構(gòu)破損、混凝土裂縫、相對(duì)壽命、鋼筋銹蝕、磨損和空蝕、混凝土強(qiáng)度、碳化深度7個(gè)指標(biāo)，見圖1。

圖1 層次分析體系

(2) 確定指標(biāo)權(quán)重。采用層次分析法(簡(jiǎn)稱AHP法)來解決渡槽這種具有分層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜安全評(píng)價(jià)權(quán)重取值問題，AHP法的步驟是：首先建立遞階層次結(jié)構(gòu)，然后對(duì)層次內(nèi)各因素進(jìn)行兩兩比較，根據(jù)其重要程度劃分若干等級(jí)，一般采用1～9標(biāo)度，構(gòu)造出判斷矩陣，最后求解判斷矩陣，得到指標(biāo)權(quán)重[13]。但有學(xué)者研究表明，1～9標(biāo)度的AHP法各等級(jí)之間關(guān)系存在不合理性，在AHP應(yīng)用中使用指數(shù)標(biāo)度可以克服其它一些標(biāo)度的缺陷[14]。侯岳衡等[15]對(duì)幾種標(biāo)度建立判斷矩陣作權(quán)值和一致性對(duì)比，認(rèn)為9K/9較優(yōu)，因此，本文的AHP法使用指數(shù)標(biāo)度9K/9進(jìn)行計(jì)算，并重新定義等級(jí)劃分。表1為9K/9標(biāo)度的重要性描述。

表1 9K/9標(biāo)度的重要性描述[15]

權(quán)重計(jì)算步驟如下：

① 采用91/9標(biāo)度將同層元素兩兩比較構(gòu)造出判斷矩陣A=aij(aij表示第i個(gè)因素相對(duì)于第j個(gè)因素的重要程度)。

(1)

式中：aij表示元素Xi與Xj相對(duì)于其上一層元素重要性的比較標(biāo)度。

② 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。各因素的權(quán)重系數(shù)就是判斷矩陣的特征向量w，它對(duì)應(yīng)矩陣的最大特征值λmax，見式(2)。

Bw=λmaxw

(2)

采用方根法近似求解式(2)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。其計(jì)算步驟如下：

① 將判斷矩陣每一行元素相乘，得到Mi:

(3)

(4)

(5)

假定S1、S2、……Sm為m個(gè)專家，組成決策組G。B1、B2、……Bn為n個(gè)待評(píng)對(duì)象，wij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)是第i個(gè)評(píng)價(jià)專家對(duì)第j個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)的主觀權(quán)重。各專家在一次評(píng)價(jià)過程中的主觀權(quán)重為Wi=(wi1，wi2，…，win)T,專家組的主觀權(quán)重是W=(Wij)m×n。

1.2 群決策客觀權(quán)重計(jì)算的熵模型

建立熵模型步驟如下：

(1) 根據(jù)上述m個(gè)專家的主觀權(quán)重是W=(Wij)m×n，假定存在一個(gè)理想的最優(yōu)專家S*，其主觀權(quán)重向量為x*=(x*1,x*2,…,x*n)T。

(2) 確定專家主觀權(quán)重水平向量。通過各專家主觀權(quán)重與最優(yōu)專家S*權(quán)重的差異大小衡量其給出的評(píng)價(jià)質(zhì)量的好壞，建立如式(6)是專家主觀權(quán)重水平向量。

Ei=(ei1，ei2，…，ein)

(6)

(3) 建立專家主觀權(quán)重的熵模型：

(7)

式中,hij專家主觀權(quán)重熵值；i=1,2, …，m；j=1,2，…，n。

專家主觀權(quán)重的不確定度用Hi表示。

(8)

(4) 專家評(píng)價(jià)的客觀權(quán)重。專家主觀權(quán)重的不確定度Hi越大，說明該專家評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度越低。反之，則越高。專家的客觀權(quán)重用式(9)表示，ci越大，表示專家i的意見在權(quán)重中比重越大。

(9)

1.3 優(yōu)化組合賦權(quán)模型

采用AHP計(jì)算的主觀權(quán)重向量Wi=(wi1，wi2，…，win)T。采用熵模型計(jì)算的客觀權(quán)重向量S=(S1,S2,…,Sn)T(j=1,2,…n)?；诩訖?quán)融合建立的優(yōu)化組合賦權(quán)模型如下：

(10)

即可得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化組合權(quán)重向量Wj=(w1,w2,…,wn)T。

1.4 渡槽安全綜合評(píng)價(jià)

(1) 安全類別和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《渡槽安全鑒定規(guī)程》[2](DB44/T 2041—2017)，渡槽安全類別劃分為四類，從工程的安全綜合評(píng)價(jià)應(yīng)在現(xiàn)狀調(diào)查分析、現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)和工程安全復(fù)核方面，參考已有研究成果[6,16]，針對(duì)不同類別，安全性、適用性和耐久性的描述也不同，對(duì)各個(gè)類別賦分(四類渡槽不進(jìn)行賦分，其評(píng)定類似于一票否決制)。見表2。根據(jù)《渡槽安全鑒定規(guī)程》[2](DB44/T 2041—2017)對(duì)底層指標(biāo)按情況分為A、B、C三類，結(jié)合《水工混凝土建筑物缺陷檢測(cè)和評(píng)估技術(shù)規(guī)程》[17](DL/T 5251—2010)相關(guān)規(guī)定，底層指標(biāo)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

(2) 安全類別評(píng)估計(jì)算?，F(xiàn)行規(guī)范《渡槽安全鑒定規(guī)程》[2](DB44/T 2041—2017)偏安全地以質(zhì)量、水力、地基承載、結(jié)構(gòu)安全等單項(xiàng)評(píng)價(jià)的最低等級(jí)來確定渡槽類別，某一單項(xiàng)評(píng)價(jià)對(duì)最終結(jié)果具有決定權(quán)，造成評(píng)定結(jié)果與實(shí)際情況存在較大出入。

表2 渡槽安全評(píng)定分類

而根據(jù)各類不同因素對(duì)渡槽安全影響程度的不同，賦予不同權(quán)重，通過一定手段把不同因素的多源信息進(jìn)行融合，對(duì)渡槽進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法，更加科學(xué)、合理，得到的結(jié)果更加符合渡槽的實(shí)際安全狀態(tài)。

根據(jù)《渡槽安全鑒定規(guī)程》[2](DB44/T 2041—2017)和專家意見，結(jié)合渡槽現(xiàn)狀調(diào)查、質(zhì)量檢測(cè)和結(jié)構(gòu)安全復(fù)核等成果，對(duì)底層指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。

(11)

式中：D為準(zhǔn)則層的得分值；wi為第i個(gè)底層指標(biāo)的權(quán)重；Ci為第i個(gè)底層指標(biāo)的得分值。

目標(biāo)層評(píng)分計(jì)算則采用準(zhǔn)則層各指標(biāo)加權(quán)得到。

(12)

式中：F為目標(biāo)層的評(píng)分值；wi為第i個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重。

表3 渡槽安全底層指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

位于廣東省湛江市遂溪河支流西溪河上的新橋渡槽建成于1962年，渡槽至今已運(yùn)行57 a，全長1 206 m，共40跨，渡槽底寬5.5 m，槽身高3.2 m。為雙懸臂支承雙柱式槽墩，由漿砌石砌成。設(shè)計(jì)過水流量12.75 m3/s。地震烈度按7度設(shè)防。現(xiàn)主要為湛江市工、農(nóng)業(yè)及生活供水。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)渡槽內(nèi)部混凝土剝落，鋼筋出露，止水橡膠老化、漏水，槽底板沖刷嚴(yán)重，人行道不同程度缺損，部分槽身分縫漏水嚴(yán)重，還有些槽墩長滿植物。對(duì)其安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出其安全類別，為后續(xù)采取相應(yīng)措施，確保渡槽安全運(yùn)行的重要依據(jù)。

2.2 群決策指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)前述的指數(shù)型標(biāo)度的AHP和熵權(quán)的優(yōu)化權(quán)重計(jì)算方法及層次結(jié)構(gòu)，計(jì)算各指標(biāo)層和準(zhǔn)則層各要素的權(quán)重。由于篇幅所限，僅以安全性底層指標(biāo)計(jì)算為例。

首先邀請(qǐng)5位不同專業(yè)專家對(duì)指標(biāo)按9K/9標(biāo)度的AHP法進(jìn)行兩兩比較賦值，然后根據(jù)式(1)—式(5)進(jìn)行計(jì)算，得到表4所示的某位專家的主觀權(quán)重結(jié)果。

重復(fù)式(1)—式(5)步驟，得到其余4位專家的主觀權(quán)重，見表5。

根據(jù)式(6)—式(9)的熵權(quán)法計(jì)算步驟，得到5位專家意見的客觀權(quán)重。見表6。

表4 某位專家的主觀權(quán)重

表5 安全性底層指標(biāo)主觀權(quán)重

表6 專家意見客觀權(quán)重

最后根據(jù)式(10)將AHP得到的專家主觀權(quán)重和熵權(quán)法計(jì)算的專家意見客觀權(quán)重融合計(jì)算，得到優(yōu)化后的權(quán)重結(jié)果，安全性下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗震安全、地基與基礎(chǔ)承載力、抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定指標(biāo)權(quán)重分別為：0.38、0.26、0.17、0.11、0.08。同理，計(jì)算得到其余指標(biāo)層及準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重。

2.3 安全綜合評(píng)價(jià)

確定了指標(biāo)權(quán)重后，需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦分。由于指標(biāo)的等級(jí)所對(duì)應(yīng)的分值是一個(gè)區(qū)間內(nèi)，在區(qū)間中該等級(jí)如何確定一個(gè)合理的分值需要非常翔實(shí)的質(zhì)量檢測(cè)和結(jié)構(gòu)安全復(fù)核數(shù)據(jù)的支撐，但在實(shí)際工程中，對(duì)工程質(zhì)量的檢測(cè)和結(jié)構(gòu)復(fù)核難以做到非常準(zhǔn)確，或者由于經(jīng)驗(yàn)的原因，對(duì)規(guī)范的要求理解不夠透徹，造成結(jié)果偏差，因此，通過引進(jìn)不同專業(yè)的專家在充分了解工程狀態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)和結(jié)構(gòu)安全復(fù)核結(jié)論以及自身豐富的工程評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)，再通過群決策對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦分，更能代表工程安全的實(shí)際狀態(tài)。具體方法是確定質(zhì)量檢測(cè)和結(jié)構(gòu)安全復(fù)核結(jié)果后，5位專家根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求和表2的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)每一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)級(jí)，再根據(jù)該級(jí)別所對(duì)應(yīng)的賦分區(qū)間進(jìn)行打分，最后進(jìn)行平均，即得到各個(gè)底層指標(biāo)的賦分，見表7。

由表7可以看到，準(zhǔn)則層中，安全性所占的權(quán)重最大，耐久性最小，底層指標(biāo)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗震安全、結(jié)構(gòu)變形、過流能力幾個(gè)指標(biāo)的權(quán)重較大；就具體評(píng)級(jí)來說，渡槽在安全性和適用性指標(biāo)方面評(píng)級(jí)為A或B，得分較高，而在耐久性方面，由于渡槽建成運(yùn)行時(shí)間較長，部分結(jié)構(gòu)達(dá)到中度以上的損壞，大部分指標(biāo)評(píng)級(jí)為C級(jí)。

表7 各指標(biāo)權(quán)重及賦分

以表7得到的各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值和對(duì)應(yīng)的賦分，按照式(11)、式(12)計(jì)算總目標(biāo)渡槽安全狀態(tài)的總得分為74.9分，對(duì)應(yīng)表1的分類標(biāo)準(zhǔn)，該渡槽判定為三類渡槽。即：運(yùn)用指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程存嚴(yán)重?fù)p壞，經(jīng)除險(xiǎn)加固后，才能實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。

2.4 結(jié)果驗(yàn)證

該渡槽2015年安全鑒定結(jié)論為：三類渡槽。建議重建人行道和護(hù)欄等附屬設(shè)施，對(duì)渡槽槽壁混凝土脫落、磨損、鋼筋銹蝕的部位進(jìn)行全面修復(fù)，全部更換分縫止水，槽墩、基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)有缺陷的及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，而且嚴(yán)禁滿槽運(yùn)行，過流量不要超過加大流量，進(jìn)一步延長渡槽的使用壽命[18]。這與本文所用方法得到的結(jié)論基本一致。傳統(tǒng)的單項(xiàng)評(píng)價(jià)方法不能確定工程所處的類別在該評(píng)級(jí)中的水平，以上方法得到的渡槽安全狀態(tài)的總得分偏向二類渡槽，能更準(zhǔn)確地反映渡槽安全的真實(shí)狀態(tài)，對(duì)渡槽后續(xù)運(yùn)行管理和風(fēng)險(xiǎn)防范措施制定的指導(dǎo)性更強(qiáng)。

3 結(jié) 語

在與現(xiàn)有規(guī)范對(duì)渡槽安全評(píng)價(jià)類別的劃分和評(píng)價(jià)要求緊密結(jié)合的基礎(chǔ)上，本文首先將渡槽安全狀態(tài)進(jìn)行層次分析，分三個(gè)層次梳理了渡槽安全狀態(tài)的主要影響因素；繼而引入指數(shù)型AHP方法和熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，并進(jìn)行組合優(yōu)化，使得各指標(biāo)的權(quán)重分配更合理；最后在參考現(xiàn)有渡槽安全評(píng)價(jià)規(guī)范的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)和結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)復(fù)核結(jié)果為基礎(chǔ)，通過專家組群決策，獲取各個(gè)指標(biāo)的最終評(píng)分，再綜合得到渡槽安全狀態(tài)的評(píng)分，確定了渡槽的安全類別，并與實(shí)際安全鑒定結(jié)論基本一致。與現(xiàn)有渡槽安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要以單項(xiàng)評(píng)價(jià)結(jié)果確定渡槽類別不同，本文綜合考慮了影響渡槽安全的要素，融合了各個(gè)安全因素的影響，得到定量化安全狀態(tài)結(jié)果，更能反映渡槽的實(shí)際安全狀況，為渡槽采取必要的風(fēng)險(xiǎn)防范措施提供了更為科學(xué)的依據(jù)。