基于变权模糊层次法的涵洞运行安全评估

查松山，尚俊伟，王东栋

(中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230001)

1 概述

涵洞作为众多取水输水建筑物中的一种类型，相对其它水工建筑物具有工程规模小、功能相对单一、结构形式简单、数量众多、与堤防结合紧密的特点[1]。很多涵洞由于年久失修，老化、损坏严重，影响其正常使用并给建筑物运行安全带来隐患。故对涵洞进行安全评估，能够为涵洞的维修加固与持续健康运行提供技术支撑。但目前涵洞工程成熟的安全评估方法相对较少，有关涵洞安全评价和鉴定的规程规范和技术标准尚未建立，因此，对涵洞安全评估方法进行研究十分必要。

近几十年来，水工建筑物安全评估主要侧重于大中型水利水电工程的研究[2]。对涵洞工程的安全评估主要参照相关标准和规定进行，缺少反映涵洞特点的评估方法。尽管涵洞结构相对简单，但其安全评估涉及因素较多，且这些影响因素常常难以量化表述。如何根据工程特点，在各类因素中提取关键因素，进行量化归一，建立一种评估准确、可信且便捷的涵洞评估方法是亟待解决的问题。

2 涵洞变权层次模糊安全评估体系构建

2.1 多层次安全模糊评估模型

模糊综合评估是一种基于模糊数学理论的评估方法[3- 5]。该方法根据模糊数学的隶属度理论把定性评估转化为定量评估，即用模糊数学对受到多种因素影响的待评对象做出一个总体评估。涵洞工程安全评估是一种受多因素制约的非确定性问题，可以利用模糊数学的方法对其安全运行进行合理有效的评估。

涵洞安全评估要考虑的因素很多，每个因素又包含多个层次，安全评估层次结构可能是三级或更多的层次结构。解决这种多层次的涵洞安全评估方法是：首先对最低层次的各个指标进行模糊评估，然后不断地对上一层次的各指标进行模糊评估，直到得出涵洞的安全评估结果。以下按照三层指标结构为例说明具体步骤：

(1)确定因素集

设第一层指标为“涵洞安全状况”U；第二层指标集为U={u1，u2，…，un}；划分其中的ui(i=1，2，…，n)，得第三层指标集为Ui={ui1，ui2，…，uim}。

(2)选择评估集

设涵洞安全评估集为V={v1，v2，…，vp}，其中评估指标vk(k=1，2，…，p)一般由“正常”、“基本正常”、“病险”三个评估结果组成，即p=3。

(3)建立权重向量

(4)进行模糊评判

=(bi1，bi2，…bip)

对评估向量(bi1，bi2，…bip)应用最大隶属度原则可得到ui的模糊综合评估结果。进一步考虑各指标的综合影响，向上一层综合。ui属于评估集中第k个元素的隶属度为rik，则

(ri1，ri2，…rip)=(bi1，bi2，…bip)

可得第一层指标“涵洞安全状况”U的模糊综合评估模型为

=(b1，b2，…bp)

对评估向量(b1，b2，…bp)应用最大隶属度原则可得到“涵洞安全状况”U的模糊综合评估结果。

2.2 评估指标体系和权重变化

2.2.1评估指标选择

根据涵洞的特点，通过对涵洞病害分布及成因分析，将防洪能力、结构安全、渗流安全、工程质量、金属结构及电气设备、运行管理作为涵洞安全运行的一级评估指标，各一级指标继续向下细分，如防洪能力的二级评估指标由过流能力、启闭台高程、堤顶高程、消能防冲等组成。各层次的评估指标又可标识为“强制满足要求”指标和“可弹性接受”指标，“强制满足要求”指标不满足要求时，就会使评估目标丧失正常功能，如防洪能力；“可弹性接受”指标对工程安全不起决定作用的非关键部位指标，如运行管理指标。

2.2.2评估指标量化

评估指标引入安全值概念，安全值规定在0～1之间取值，数值越小，对涵洞安全越不利。评估指标量化根据其不同性质分为定量指标和定性指标，定量指标可采用具有连续严格单调性质的直线型隶属度函数进行安全值量化，定性指标可采用德尔菲法进行安全值量化。

2.2.3评估指标权重及变权

由于涵洞安全状况是随着时间的推移而不断变化的，在这个过程中，各个评估指标状况本身的变化及其它影响状况的改变，将使得各个评估指标对涵洞的安全状态的影响程度发生一定的改变，因而各个评估指标间权重的分配也将不断变化，为了保证评估结果的合理性，在涵洞工程安全评估中，就需要动态地调整某项指标的权重。

对于“强制满足要求”指标，评估过程中有且仅有一项指标不满足要求，其权重就调整为1，同一级满足要求的其余指标权重调整为0，则其上一层的评定结果完全由该项指标决定。同一级有多项指标不满足要求。则同一级满足要求的其余指标权重调整为0，不满足要求的指标可根据“改进的0.1～0.9标度法”确定权重[6]，则其上一层的评定结果由多项不满足要求的指标评分结果按照权重叠加计算。

2.3 安全评估集与隶属度函数

2.3.1安全评估集

涵洞的底层指标安全值与评估等级见表1。

表1 安全值与评估等级对应关系表

2.3.2隶属度函数

建立涵洞各评估指标对评估等级的隶属函数如图1所示，对应“正常/A”等级的隶属函数见式(1)，对应“基本正常/B”等级的隶属函数见式(2)，对应“病险/C”等级的隶属函数见式(3)[7]。

(1)

(2)

(3)

3 涵洞变权层次模糊安全评估应用案例

3.1 评估因素集

指标体系分层及排序

第一层为：{涵洞安全}

第二层为：{结构安全=渗流安全=防洪能力=金属结构及电气设备>工程质量>运行管理}

第三层为：防洪能力={过流能力=启闭台高程=堤顶高程>消能防冲}；

结构安全={稳定=强度=变形}；

渗流安全={渗透坡降=防渗排水设施完整性=渗流异常}；

金属结构及电气设备={闸门=启闭机=电气设备}；

工程质量={现场检查、检测>原施工质量}；

运行管理={安全监测>规章制度=机构与人员=辅助设施=通信}。

3.2 底层指标安全值及权重

由上述，涵洞安全评估底层指标安全值及权重分配见表2。

3.3 底层指标综合评估

将表2中的底层指标安全值带入式(1)—式(3)中，求得评估矩阵并和权重向量进行合成计算，得

=(0，0.19，0.81)

=(0，0，1)

=(0，0，1)

=(0，0.28，0.72)

=(0，0.333，0.667)

评估结果向量中三个数字依次代表对“正常”、“基本正常”和“病险”的隶属度。

3.4 第二层指标综合评估

=(0.028，0.190，0.782)

根据最大隶属度原则，由于max(0.028，0.19，0.782)=0.782，则该涵洞安全评估属于“病险”，故评价其安全等级为“病险”。

4 结语

(1)基于变权模糊层次法的涵洞安全评估可以量化评价结果及各安全等级的隶属度，并根据最大隶属度原则给出涵洞安全评估结果，确定安全等级，为涵洞工程除险加固提供判断依据。

(2)变权模糊层次涵洞安全评估减轻了涵洞安全评估中主观因素对评估结论的影响，使评估结论更为科学合理，是现有涵洞安全评估方法的一种有益补充。

(3)安全等级确定为“病险”的涵洞仍需根据工程加固的技术难度、加固后的使用寿命以及加固的经济性等综合确定加固方案。

(4)由于变权模糊层次安全评估需要大量的涵洞现状数据收集整理，对于规模较小的涵洞往往缺少该部分指标，从适用性和经济性方面考虑，该方法不适于小型涵洞或圬工涵洞。