徐世媚 黃耀英 殷曉慧 王榮魯

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.三峽基地發(fā)展有限公司,湖北 宜昌 443002;3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

根據(jù)《2020年中國(guó)水利統(tǒng)計(jì)年鑒》,截至2019年年底,我國(guó)共有水庫(kù)98112座,庫(kù)容為8983億m3,其中小型水庫(kù)93 390座,中型水庫(kù)3 978座[1].這些水庫(kù)大壩在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了重要作用.隨著我國(guó)水利工作重心逐漸向“補(bǔ)短板、強(qiáng)監(jiān)管”的方向轉(zhuǎn)移,對(duì)這些長(zhǎng)期服役大壩的安全性態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)將具有重要的工程意義[2-3].目前工程上常基于監(jiān)測(cè)資料正反及反饋分析對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行安全評(píng)價(jià).一方面,在水庫(kù)大壩服役過(guò)程中,監(jiān)測(cè)儀器不可避免存在損壞及失效,進(jìn)而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)資料缺失、不連續(xù),甚至規(guī)律性差;另一方面,數(shù)量眾多的中小型水庫(kù)大壩僅安裝埋設(shè)了少量的監(jiān)測(cè)儀器,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)信息偏少即貧監(jiān)測(cè)信息[4],從而導(dǎo)致對(duì)長(zhǎng)期服役的水庫(kù)大壩難以進(jìn)行合理的安全評(píng)價(jià).對(duì)于長(zhǎng)期服役的水庫(kù)大壩,當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)時(shí),其材料參數(shù)(強(qiáng)度參數(shù)和變形參數(shù))的當(dāng)前性態(tài)難以合理確定,如采用設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性復(fù)核,無(wú)法真實(shí)說(shuō)明水庫(kù)大壩當(dāng)前的安全狀況.雖然現(xiàn)場(chǎng)安全檢查(或巡視檢查)是發(fā)現(xiàn)水庫(kù)大壩安全隱患與管理缺陷的有效方法[5],但安全檢測(cè)更能揭示水庫(kù)大壩表觀與內(nèi)部的質(zhì)量現(xiàn)狀.因此,探討基于多源安全檢測(cè)信息的水庫(kù)大壩健康狀態(tài)評(píng)價(jià),可以彌補(bǔ)貧監(jiān)測(cè)信息或監(jiān)測(cè)資料規(guī)律性差的大壩健康狀態(tài)評(píng)價(jià).

目前,一些科技工作者針對(duì)水庫(kù)大壩、水閘和渡槽等水工建筑物的安全評(píng)價(jià)進(jìn)行了較多的研究.在水庫(kù)大壩方面,陳曦等[6]構(gòu)建了某地區(qū)水庫(kù)大壩安全二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)體系,基于模糊層次分析法和專(zhuān)家評(píng)分建立了綜合評(píng)價(jià)模型;王燕等[7]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察、實(shí)地測(cè)量等指標(biāo)組成多源證據(jù)指標(biāo)體系,基于D-S證據(jù)理論進(jìn)行大壩安全評(píng)價(jià);廖文來(lái)[8]構(gòu)建了大壩安全巡視檢查評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,建立了物元可拓和集對(duì)分析兩種綜合評(píng)價(jià)模型;馬福恒等[9]建立了一種基于多層次模糊識(shí)別理論的大壩安全檢測(cè)綜合評(píng)價(jià)模型.在水閘、渡槽方面,李家田等[10]基于四元聯(lián)系數(shù)建立了水閘安全綜合評(píng)價(jià)物元模型,從安全性、適用性和耐久性三個(gè)方面評(píng)定水閘安全狀態(tài);張文劍等[11]建立了渡槽結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)體系,用層次分析法對(duì)在役渡槽的健康狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià).而對(duì)于綜合評(píng)價(jià)方法而言,常用的有模糊數(shù)學(xué)理論[12-13]、灰色理論[14]、云模型[15]及可拓理論[16]等.其中,模糊數(shù)學(xué)法能夠評(píng)價(jià)模糊性較強(qiáng)和難以量化的指標(biāo),但具有主觀性,導(dǎo)致其應(yīng)用結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有所差別[17].而集對(duì)分析理論由于在描述和處理綜合集成問(wèn)題方面有較好的成效,目前廣泛運(yùn)用于大壩安全評(píng)價(jià)[18].總的來(lái)看,目前基于多源檢測(cè)信息進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的研究成果較多,但多集中于水閘、渡槽等水工建筑物,而針對(duì)水庫(kù)大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行多源檢測(cè)信息綜合評(píng)價(jià)的研究較少,僅基于部分檢測(cè)信息進(jìn)行定性評(píng)價(jià),或結(jié)合監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).此外,還存在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)指標(biāo)不完善,與工程實(shí)測(cè)資料結(jié)合不緊密等問(wèn)題.

由于我國(guó)已建混凝土壩數(shù)量眾多,且長(zhǎng)期服役混凝土壩與土石壩健康診斷具有差異性.為此,針對(duì)上述問(wèn)題,本文探討基于多源檢測(cè)信息的混凝土壩結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià),構(gòu)建混凝土壩結(jié)構(gòu)多源檢測(cè)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),以及模糊集對(duì)綜合評(píng)價(jià)模型,以彌補(bǔ)貧監(jiān)測(cè)信息或監(jiān)測(cè)資料規(guī)律性差的混凝土壩結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)的不足.

1 混凝土壩結(jié)構(gòu)多源檢測(cè)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

參考文獻(xiàn)[19]及實(shí)際工程檢測(cè)報(bào)告中涉及到的檢測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容,對(duì)混凝土壩結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)有重要影響的檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行了深入分析及梳理,提出外觀質(zhì)量缺陷(外觀尺寸,剝落、孔洞、蜂窩、麻面,裂縫,錯(cuò)動(dòng),金屬結(jié)構(gòu))和耐久性(混凝土抗壓強(qiáng)度,抗?jié)B性,抗凍性,碳化深度,鋼筋保護(hù)層厚度,鋼筋銹蝕,滲漏溶蝕)兩大類(lèi)共計(jì)12個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系.由于大壩材料參數(shù)(強(qiáng)度參數(shù)和變形參數(shù))的當(dāng)前狀態(tài)難以準(zhǔn)確獲得,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果不能表征大壩當(dāng)前安全狀況,因此,本文在構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí),未將結(jié)構(gòu)安全復(fù)核納入評(píng)價(jià)體系.

2 評(píng)價(jià)等級(jí)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前,對(duì)于混凝土壩結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)等級(jí)的劃分尚未有明確的規(guī)定,在對(duì)水庫(kù)大壩的安全等級(jí)進(jìn)行劃分時(shí),文獻(xiàn)[19]將大壩的安全等級(jí)分為3類(lèi);文獻(xiàn)[20]將大壩的安全等級(jí)分為4類(lèi);還有一些學(xué)者根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)特性,將大壩實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)性態(tài)劃分為5 個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)[21-22].為此,類(lèi)比于醫(yī)學(xué)角度上將病人的健康狀況分為健康、基本健康、健康欠佳和健康狀況差4種情況,本文采用介于三級(jí)和五級(jí)之間的四級(jí)評(píng)語(yǔ)集對(duì)大壩實(shí)測(cè)性態(tài)健康狀態(tài)進(jìn)行劃分,并將混凝土壩結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)劃分為A、B、C、D 這4 個(gè)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)健康、較健康、較不健康、不健康4種狀況.

影響混凝土壩結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)需根據(jù)不同量綱間的特性進(jìn)行劃分,各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)劃分采用定量與定性的方法綜合確定,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先采用國(guó)家、地區(qū)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)文獻(xiàn)研究成果,對(duì)具有定性特征的指標(biāo)采用相關(guān)專(zhuān)家的打分來(lái)確定.各評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)劃分見(jiàn)表1.

3 模糊集對(duì)綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)是基于模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行定量評(píng)價(jià),雖然能評(píng)價(jià)模糊性較強(qiáng)和難以量化的指標(biāo),但由于其主觀性較強(qiáng),存在某些指標(biāo)的信息重復(fù)問(wèn)題,而集對(duì)分析法在描述和處理綜合集成問(wèn)題方面有較好的成效[23].為此本文將二者結(jié)合進(jìn)行多源檢測(cè)信息的混凝土壩健康狀態(tài)綜合評(píng)價(jià).具體評(píng)價(jià)步驟如下:

步驟1:確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)所建立的混凝土壩結(jié)構(gòu)多源檢測(cè)指標(biāo)體系,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和專(zhuān)家打分結(jié)果,對(duì)照各評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表1)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值.

步驟2:計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重

混凝土壩健康狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)體系中不同指標(biāo)對(duì)大壩健康狀態(tài)的影響程度有差異性,而指標(biāo)權(quán)重將直接影響到最終的評(píng)價(jià)和決策結(jié)果的正確性.層次分析法相對(duì)于其他算法具有分析復(fù)雜問(wèn)題的全面性、計(jì)算分析的簡(jiǎn)潔性、分析爭(zhēng)議問(wèn)題的靈活性和不需要大量信息的實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn),且其理論基礎(chǔ)成熟、應(yīng)用廣泛,因此本文采用層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重[24].

步驟3:計(jì)算單指標(biāo)聯(lián)系度

由步驟1所確定的各評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值均在[0,1]區(qū)間內(nèi),且越靠近1越優(yōu).將評(píng)價(jià)樣本第一個(gè)指標(biāo)值xl(l=1,2,…,m;m為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù))看成一個(gè)集合Al,把該指標(biāo)第k級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)看成另一個(gè)集合Bk(k=1,2,…,K;K為評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)),建立混凝土壩健康狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)與對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的集對(duì)H(Al,Bk).為模糊評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分邊界,根據(jù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值xl聚類(lèi)中心sk越近,則該指標(biāo)屬于第sk級(jí)的可能性越大的原則,將指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值xl與第k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)sk的聯(lián)系度用漸變的曲線或折線來(lái)描述.評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于計(jì)算集對(duì)H(Al,B1)的K元聯(lián)系度,對(duì)于越大越優(yōu)的指標(biāo),其四元聯(lián)系度的計(jì)算公式見(jiàn)式(1)～(5).

當(dāng)xl≥s1時(shí):

式中:s1、s2、s3分別對(duì)應(yīng)A、B、C、D 評(píng)價(jià)等級(jí)的臨界值,且s1≥s2≥s3.

步驟4:計(jì)算綜合聯(lián)系度,判斷大壩健康狀態(tài)所屬等級(jí).

集對(duì)H(A,B)的K元聯(lián)系度可定義為:

式中:ωl為指標(biāo)l的權(quán)重;al表示xl屬于第1級(jí)的可能性,以此類(lèi)推,cl表示xl屬于第K級(jí)的可能性;fK為評(píng)價(jià)樣本隸屬于K級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的可能性.為避免聯(lián)系度差異不確定分量系數(shù)確定方法存在一定的主觀性,采用置信度準(zhǔn)則來(lái)判斷評(píng)價(jià)樣本所屬的等級(jí):

式中:λ為置信度,參考文獻(xiàn)[25]中的建議取值區(qū)間[0.50,0.70].樣本屬于hk對(duì)應(yīng)的k級(jí).

綜上所述,模糊集對(duì)分析評(píng)價(jià)法流程如圖1 所示.

圖1 模糊集對(duì)分析評(píng)價(jià)法流程圖

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

劉家洞水電站工程位于廣西壯族自治區(qū)內(nèi)的澄江河上游,是一座以發(fā)電為主的引水式電站.水庫(kù)總庫(kù)容2 638萬(wàn)m3,壩型為碾壓混凝土重力壩,最大壩高60.7 m,電站裝機(jī)容量8 000 k W(2×4 000 k W).根椐文獻(xiàn)[26]的規(guī)定,本工程為Ⅲ等中型工程.水庫(kù)為中型水庫(kù),屬于Ⅲ等工程,電站為小(2)型電站.

大壩內(nèi)觀儀器由于受到各種因素影響,儀器完好率偏低,且大部分已失效,其中應(yīng)力應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、測(cè)縫計(jì)、滲壓計(jì)及壓力計(jì)已全部失效.雖然變形等外觀監(jiān)測(cè)儀器完好率較高,但由于監(jiān)測(cè)頻次偏低(3個(gè)月1次),因此基于監(jiān)測(cè)資料難以開(kāi)展大壩安全評(píng)價(jià).該壩2017年6月開(kāi)展了外觀尺寸,剝落、孔洞、蜂窩、麻面,裂縫,錯(cuò)動(dòng),金屬結(jié)構(gòu),混凝土抗壓強(qiáng)度,抗?jié)B性,碳化深度,鋼筋保護(hù)層厚度,鋼筋銹蝕,滲漏溶蝕等11個(gè)項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作,部分現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖如圖2所示,發(fā)現(xiàn)存在金屬結(jié)構(gòu)輕微變形銹蝕、混凝土麻面剝落、有多條表層裂縫等問(wèn)題.因此,本文結(jié)合劉家洞大壩現(xiàn)場(chǎng)多源檢測(cè)信息,對(duì)該大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)價(jià).

圖2 劉家洞大壩現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖片

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

根據(jù)表1所列出的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及劉家洞工程相關(guān)資料,對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行量化處理,得到混凝土壩結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表2.

表2 劉家洞工程結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

4.3 確定指標(biāo)權(quán)重

由于指標(biāo)權(quán)重的確定關(guān)系到混凝土壩結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性,一般由多位專(zhuān)家對(duì)各指標(biāo)的相對(duì)重要程度給出區(qū)間判斷值.根據(jù)所建立的混凝土壩結(jié)構(gòu)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用層次分析法求得各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值見(jiàn)表3.

表3 基于層次分析法的權(quán)重計(jì)算

4.4 單指標(biāo)聯(lián)系度計(jì)算

按照式(1)～(5)中四元聯(lián)系度的計(jì)算方法分別對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊聯(lián)系度加以計(jì)算,即可得到各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊聯(lián)系度.各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊聯(lián)系度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 劉家洞工程結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊聯(lián)系度

4.5 綜合評(píng)價(jià)

在計(jì)算得到單指標(biāo)模糊聯(lián)系度及各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重后,計(jì)算指標(biāo)綜合聯(lián)系度.設(shè)混凝土壩健康狀態(tài)評(píng)價(jià)集合為A,所有指標(biāo)1級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為集合B,則按照式(6),集對(duì)H(A,B)的聯(lián)系度計(jì)算得:

本文取中等保守程度λ=0.6,由式(7)來(lái)判斷所屬等級(jí):h1=f1=0.534＜λ,h2=f1+f2=0.835＞λ.

計(jì)算結(jié)果表明劉家洞大壩工程健康狀態(tài)等級(jí)處于B級(jí),較健康的狀態(tài).檢測(cè)指標(biāo)基本能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),存在局部輕微的缺陷,經(jīng)維護(hù)即可保證正常運(yùn)行.為確保大壩正常運(yùn)行,建議盡快疏通壩內(nèi)橫向排水鋼管堵塞,將壩基積水排出,及時(shí)處理大壩溢洪道弧形鋼閘門(mén)及其啟閉機(jī)控制系統(tǒng)的問(wèn)題.

通過(guò)對(duì)劉家洞大壩工程開(kāi)展外觀質(zhì)量與缺陷和耐久性的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作,實(shí)現(xiàn)了基于多源檢測(cè)信息的劉家洞工程結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)綜合評(píng)價(jià).根據(jù)咨詢(xún)管理人員及查看劉家洞工程安全鑒定報(bào)告,劉家洞水電站工程設(shè)計(jì)總體符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及已有工程經(jīng)驗(yàn),工程施工基本滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,施工質(zhì)量總體合格,與本文所得結(jié)果偏差不大,計(jì)算得到的劉家洞大壩工程結(jié)構(gòu)的健康狀況與實(shí)際情況基本吻合,驗(yàn)證了該模型的有效性.

5 結(jié)論

針對(duì)混凝土壩工程匱乏監(jiān)測(cè)信息或監(jiān)測(cè)資料規(guī)律性差的問(wèn)題,本文提出基于多源檢測(cè)信息開(kāi)展混凝土壩結(jié)構(gòu)安全性態(tài)綜合評(píng)價(jià),構(gòu)建了混凝土壩結(jié)構(gòu)多源檢測(cè)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及模糊集對(duì)綜合評(píng)價(jià)模型,并應(yīng)用于劉家洞工程,結(jié)論如下:

1)結(jié)合文獻(xiàn)[19]及工程檢測(cè)報(bào)告,優(yōu)選了能全面評(píng)價(jià)混凝土壩結(jié)構(gòu)健康狀況的檢測(cè)指標(biāo),提出了外觀質(zhì)量與缺陷(外觀尺寸,剝落、孔洞、蜂窩、麻面,裂縫,錯(cuò)動(dòng),金屬結(jié)構(gòu))和耐久性(混凝土抗壓強(qiáng)度,抗?jié)B性,抗凍性,碳化深度,鋼筋保護(hù)層厚度,鋼筋銹蝕,滲漏溶蝕)兩大類(lèi)共計(jì)12個(gè)指標(biāo),并設(shè)計(jì)了各指標(biāo)合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),提出了混凝土壩結(jié)構(gòu)多源檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.

2)考慮到混凝土壩結(jié)構(gòu)多源檢測(cè)信息綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分的模糊性問(wèn)題,選取模糊集對(duì)評(píng)價(jià)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土壩結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的綜合評(píng)價(jià),并應(yīng)用該方法對(duì)劉家洞工程結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)等級(jí)為B 級(jí),表明劉家洞大壩工程結(jié)構(gòu)總體處于較健康的狀態(tài).該評(píng)價(jià)結(jié)果與安全鑒定報(bào)告定性評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致,從而驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)方法的有效性.

3)混凝土壩結(jié)構(gòu)多源檢測(cè)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、以及模糊集對(duì)綜合評(píng)價(jià)模型的建立,可以較好地彌補(bǔ)貧監(jiān)測(cè)信息或監(jiān)測(cè)資料規(guī)律性差的混凝土壩結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)的不足.后續(xù)可采用主客觀組合賦權(quán)的權(quán)重確定方法來(lái)進(jìn)一步改進(jìn),使評(píng)價(jià)模型更加合理可信.