基于改进灰靶模型的兰窝水库大坝安全性态评价研究

华 夏

(辽宁润中供水有限责任公司，沈阳 110166)

土坝是平原地区小型水库的主要坝型。受到其自身特性的影响，随着土坝运行时间的增长，其病害与缺陷将会不可避免地显现出来，从而影响到土坝本身的正常运行[1]。但是，大坝的破坏过程并不是一朝一夕发生的，是一个漫长渐变的过程。因此，这种破坏进程是可以通过各种理论和技术手段发现的。所以，在土坝的运行期间，需要定期进行安全监测和评价，并以评价结果为指导，选择合理的维护和加固措施以实现水库的长期健康运行。基于上述认知，本次研究拟采用加权灰靶决策模型对辽宁省兰窝水库除险加固工程前后的大坝安全性态进行评价研究，从而确定除险加固工程设计的有效性。

1 工程背景

辽宁省营口市鲅鱼圈区兰窝水库始建于20世纪70年代，是一座以灌溉为主，兼具防洪和水产养殖等诸多功能于一体的小型水库。水库的集雨面积为10.5km2，总库容约19万m3。兰窝水库的主要建筑物有水库大坝、溢洪道以及放水涵管等，根据《防洪标准》(GB50201-2014)，工程等别为别为Ⅴ等，主要水工建筑物级别为5级[2]。由于大坝建成年份较早，当时并没有进行专门的地质勘查设计。大坝为均质土坝，全长220m，最大坝高4.0m，坝顶宽3.5m，大坝迎水坡坡比为1∶1.5，没有护坡，背水侧坡比为1∶2.5，现状坝顶高程为45.15-45.40m。由于兰窝水库年久失修，坝体存在明显的渗漏现象，防渗不能满足要求；溢洪道简陋不堪，泄洪安全难以保证；放水涵管没有闸门和启闭机等控制设施，年久失修，漏水现象比较严重。总之，水库存在的病险问题制约着水库自身效益的发挥，威胁着下游地区的安全，同时也对社会经济产生一定的不利影响，亟待进行除险加固。2017年，辽宁省营口市拟对该水库进行除险加固，针对水库大坝存在的主要问题，主要除险加固内容有：利用水泥土搅拌桩防渗墙对土坝进行垂直防渗，设计深度为21.0m，顶部高程为18.0m，设计有效厚度200mm；对土坝的背水坡进行贴坡排水导渗；对土坝迎水面的块石护坡进行翻修；采取压重方案对坝脚的液化土层进行处理；对土坝顶部的防汛道路进行硬化。

2 基于灰靶理论的大坝安全性态评价模型

2.1 模型原理

灰靶理论是灰色理论的重要组成部分，由灰色系统理论的创始人——邓聚龙教授提出[3]。该理论的主要优势是可以用于处理小样本、贫信息以及不确定条件下的模式识别问题，是解决多目标决策与评价的重要方法和有效方法[4]。灰靶理论的核心内容有两部分，靶心度分析和贡献度分析。其中靶心度分析指的是在没有标准模式的情况下，通过以灰靶为目标，同时利用可信度对灰靶上的信息的真实程度大小进行衡量[5]。具体而言，就是首先通过各方案的比较构造标准模型作为灰靶的靶心，然后按照一定的计算分红公式，计算各个方案的靶心距，并据此划分等级结构。靶心度的计算公式如下：

(1)

式中：γ(uo，ui)为靶心度；γ(uo(k),ui(k))为指标的靶心系数；n为指标个数。

在传统的灰靶模型中，将上述公式中的1/n视为指标权重，而所有评价指标对应的靶心系数的均值即为靶心度，因此各个评价指标对于靶心度的重要程度是相同的[6]。显然，在实际情况中，不同指标的重要性程度显然不同。为了解决上述问题，本次研究中在靶心度求解中引入指标权重，获得改进靶心度计算公式：

(2)

式中：ωk为待评模式k的指标权重。

显然，上述改进灰靶模型，通过引入指标权重有效弥补了传统灰靶模型的缺陷，有利于通过模型评价获得最符合实际情况的结果。

2.2 改进灰靶模型的计算的基本步骤

利用改进灰靶模型进行计算评价时，一般需要经过如下步骤：

1)构建评价对象的待选方案集与评价指标集，构造相应的评价指标矩阵。

2)确定标准模型，根据指标的不同特征将其分为成本性指标、效益型指标以及适中型指标，然后按照一定的方式构造最优效果向量。

3)对评价指标的处理，主要包括两方面的内容：①消弱指标间的相关性与量纲统一；②进行灰靶极性变换。

4)将每个待选方案与最优效果向量也就是标准模式进行比较，利用公式计算出靶心系数。

5)将靶心系数与相应的指标权重代入改进后的靶心度计算公式，计算出靶心度，并根据靶心度进行灰靶决策。

3 兰窝水库大坝安全性态评价

3.1 评价指标权重

由于兰窝水库设施工、运行方面的具体资料十分有限，研究中主要依据大坝的安全鉴定报告以及现场巡查记录，通过和相关专家进行讨论，获得大坝安全性态评价指标，并依照脆弱度计算方法进行各个指标脆弱度计算。与大坝溃决可能性所不同的是，脆弱度关注的是大坝安全检查过程中发现的隐患[7]。大坝单个缺陷的脆弱度进行计算可以根据彭雪辉等人的研究成果，其计算公式如下：

(3)

式中：Vi为单个缺陷脆弱度；C为不安全等级系数，实际缺陷取10，潜在缺陷取5；S1为大坝现状与标准之间差别，取值为0-1之间；S2为特征关联度，通常默认为1；S3为临时措施无效程度，通常默认为1；AEF为年超越率。

根据兰窝水库大坝单个评价指标的脆弱度计算结果进行加权计算，获得各个评价指标的权重。由于指标量纲与性质差别较大，各个评价指标具有不可共度性。因此，研究中对评价指标的原始数据进行归一化处理，使其全部量化至区间[0,1]之间。经过上述计算和处理，最终获取兰窝水库大坝加固前和加固后对于各指标的指标值结果如表1所示。

表1 基于脆弱度的大坝安全性态评价指标权重

3.2 评价等级与流程

根据灰色理论和水库的安全现状，以靶心度计算结果为依据进行水库安全等级划分，划分结果与范围如表2所示。

表2 水库安全状态分析标准

续表2 水库安全状态分析标准

按照上节提出的改进靶心度计算公式，以水库的实际资料和本节利用脆弱度评价标准计算获取的大坝评价指标的权重和指标值计算大坝加固前和加固后的靶心度。经过计算，兰窝水库加固前的靶心度为0.508，加固后的靶心度为0.908.对比表2，兰窝水库大坝加固前的安全评价等级为三级，属于病险状态，说明大坝的主要指标难以达到设计标准，大坝设计或工程质量存在比较严重的问题，因此不能按照设计指标正常运行大坝，需要降低使用标准或报废重建。加固后的大坝评价标准为一级，健康，说明大坝的各项运用指标能够达到设计标准，工作状态属于正常水平，大坝不存在比较明显的质量问题，可以按照正常设计进行大坝运行。由此可见，兰窝水库大坝加固后比加固前更优，说明水库大坝的除险加固措施是必要的和有效的。

4 结 论

由于土石坝具有材料易得、施工方便等诸多优势，因此应用十分广泛，是我国上世纪修建的中小型水库大坝的主要坝型。由于这些土石坝设计建设标准较低，且经过长时间运行，病险情况比较普遍。因此，开展大坝的定期安全评价，并对病险水库进行除险加固，对确保水库大坝安全运行具有重要意义。文章以辽宁省兰窝水库大坝为例，对基于改进灰靶模型的大坝安全性态评价展开研究，并获得如下主要结论：

1)在对传统灰靶模型的缺陷分析基础上，通过引入指标权重实现对模型的改进，构建起基于指标权重的改进灰靶评价模型。该模型可以从不同侧面阐释评价指标之间关系，使评价结果更接近实际情况。

2)利用改进后的灰靶模型对兰窝水库大坝安全性态进行评价，结果显示加固前的兰窝水库大坝为三级，属于病险状态，需要进行加固处理；加固后的兰窝水库大坝属于一级，属于健康状态，大坝的除险加固措施是必要的和有效的。