基于层次分析法的水库土石坝工程病险特点研究

王甫 谭政 熊威 颜扬

摘要：为消除坝体安全隐患，保障水库大坝安全，中国已建成水库9.7万多座，92%左右为土石坝，土石坝在水库大坝安全中具有举足轻重的地位。通过构建水库大坝安全评价层次结构模型，基于大坝安全风险和病险频度综合权重进行分析，并通过层次分析法及帕累托法，量化得出水库土石坝主要病险指标和因素。研究表明：水库土石坝病险特点具有均衡性、全面性、规律性；水库病险依次是渗流安全、结构安全、防洪能力；水库病险主要因素是大坝渗流安全、泄洪能力、大坝结构安全、泄水建筑物结构安全、大坝坝顶高程和防浪墙高程等；不同等级规模水库病险特点有所不同。研究结果对当前水库土石坝工程除险加固具有参考意义。

关键词：土石坝；病险特点；层次分析法；帕累托法；大坝安全评价

中图法分类号：TV697 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.009

文章编号：1006-0081（2024）02-0053-07

0 引 言

水库土石坝工程多建成于20世纪50～70年代，普遍存在工程标准偏低、管理力量薄弱、监测设施不足、老化失修严重等问题。国家高度重视水库大坝安全，1998年以来，中国累计投入近3 000亿元资金，对2 800多座大中型水库和6.9万座小型水库进行了除险加固，水库安全状况不断改善。“十四五”期间，中国计划投入近 1 000 亿元完成现有1.94万座病险水库的除险加固任务，其中大、中、小型病险水库分别约80座、470座和1.88万座。受限于水库服役时间长、加固资金有限、建设质量参差不齐、管理维护不到位等因素，目前还有相当数量的水库土石坝工程存在病险情。研究水库土石坝工程病险原因，分析归纳病险特点，可为水库加固精准施策提供技术支撑。

水库大坝安全评价一直是大坝管理的基础课题和研究热点，也是大坝除险加固的依据。为了对水库大坝安全进行评价，制定了SL 258-2017《水库大坝安全评价导则》（以下简称《导则》），从工程质量、运行管理、防洪、渗流、结构、抗震、金属结构等7个指标层进行评价，但评价主要以定性评价为主，各指标重要程度视为等同，评价分为A、B、C级（A级为安全可靠；B级为基本安全，但有缺陷；C级为不安全），评价时以最低级别作为大坝安全等级，难以反映不同指标在大坝安全评价中的重要程度。为解决这一问题，专家学者通过层次分析法、熵权法、模糊综合评价法、云模型、拓扑博弈论等建立大坝整体性态评价模型，以降低传统分析方法中的主观性和指标权重相等的影响，但对具体某个水库安全评价中的病险总体性特点规律研究相对较少。

本文根据《导则》建立大坝安全综合评价指标体系，根据搜集到的中国各省市2019～2023年安全鉴定结论为“三类坝”的184座水库土石坝工程（大型水库12座，中型水库77座，小型水库95座）的鉴定及加固资料的整理和分析，基于大坝安全风险和病险指标频度，通过层次分析法量化确定各指标权重，结合帕累托曲线分析病险水库的主要因素，从而得出水库土石坝工程病险特点。

1 研究方法

1.1 构建层次结构模型

本文将大坝安全综合评价结论分解为7个指标层，按照SL 258-2017《水库大坝安全评价导则》及专家学者研究成果提出大坝安全评价的22个指标因素，构建“水库大坝安全评价-指标层-因素层”的递阶层次结构，如表1所示。

1.2 层次分析法

引入层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）来确定各因素的权重，该方法将复杂的问题及众多因素分解成一个有序的递阶层次结构，通过两两比较及计算矩阵最大特征根和其对应特征向量，来确定各指标的权重。

（1）建立判断矩阵。Saaty提出一致矩阵法，即两两相互比较，采用相对尺度，尽可能减少性质不同的诸因素相互比较的困难，提高准确度。为比较每一个因素对目标的影响，确定它们在目标中的重要程度，每次取两个因素对目标的影响之比为比较标度a，比较结果为判断矩阵A。采用1～9标度法，由专家根据各指标的性质、相对关系以及实际经验给出，如表2所示。

（2）计算权向量和判断矩阵的一致性。根据判断矩阵，求出最大特征根所对应的特征向量，所求特征向量即为各评价因素的重要性排序，即各指标的权重。带入A的特征值及求出相对的特征向量，其中与最大特征根λ对应的特征向量ω归一化处理后得出各权重值ω。为验证判断矩阵一致性，參考相关文献，用Saaty提出的一致性比率CR作为衡量标准，通过公式检验：CR=CI/RI，其中：CI=（λ-n）/（n-1），RI为判断矩阵的平均随机一致性指标，当CR0.1时，可认为判断矩阵满足一致性检验。

1.3 确定权重

大坝安全风险权重是通过层次分析法将行业内专家对大坝安全各指标、因素的打分量化而得，病险频度权重是对中国各省市2019～2023年安全鉴定结论为“三类坝”的184座水库土石坝工程评级为C的指标层、因素层分析得出。

（1）大坝安全风险。邀请行业内专家根据大坝安全风险程度打分，加权平均后给出表1水库大坝安全评价各指标层和各因素层的1～9标度，构建指标层和因素层两两判断矩阵，采用软件IBMSPSS Statistics 26.0版进行统计分析。本层次分析法模块计算最大特征根对应的特征向量，一致性检验通过后，得出指标层权重值ω和因素层权重值ω。此处得到的因素层权重值为上一层指标层对应的相对权重，为进行全因素综合比较，需将该因素权重值乘以该因素对应的上一层指标层权重值得出组合权重。

（2）大坝病害频度。整理184座水库样本资料并统计分析表1中各指标和因素造成水库安全评价为C级的数量，将其作为指标层和因素层两两判断矩阵的权重计算基础，构建指标层和因素层两两判断矩阵，采用统计分析软件IBMSPSS Statistics 26.0的层次分析法模块计算最大特征根对应的特征向量，一致性检验通过后，得出指标层权重值ω和因素层权重值ω，计算出各因素组合权重。

1.4 综合评价

综合考虑大坝安全风险和大坝病害频度，将指标层权重值ω和ω相乘、因素层权重值ω和ω相乘，对乘积结果分别进行归一化处理，得出最终指标层权重值ω和因素层权重值ω。

将指标层权重值和因素层组合权重值分别按值从大到小排序，绘制帕累托图，确定影响水库大坝安全评价的主要因素（累计权重达0.8）和次要因素（累计权重0.8～0.9）。

2 研究结果

2.1 大坝安全风险权重

根据文中构建的水库大坝安全评价层次分析模型，结合专家打分，加权平均得出指标层两两判断矩阵，如表3所示。

采用统计分析软件IBMSPSS Statistics 26.0的层次分析法模块，计算求得各指标层权重ω=（0.066，0.082，0.270，0.211，0.198，0.031，0.142），一致性检验CR0.1。计算因素层权重方法同上，通过一致性检验，综合计算结果见表4。

2.2 大坝病害频度权重

整理样本资料并区分大中型水库和小型水库，统计分析各因素造成安全评价为C级的数量，将其分别作为指标层和因素层两两判断矩阵的权重，以此为基础展开相关的计算和分析。经统计，样本数据安全评价指标层及因素层C级数量分别见表5和图1。

根据表5和图1构建指标层和因素层两两比对矩阵，采用统计分析软件IBMSPSS Statistics 26.0版本层次分析法模块计算特征向量最大特征值，并验证计算结果。结果显示，各指标层和因素层一致性比例CR0.1，表明构建的两两判断矩阵满足层次分析法一致性验证，指标层和因素层权重计算成果见表6。

2.3 综合评价权重

综合考虑大坝安全风险和大坝病害频度对水库大坝安全的影响，将两指标层权重值对应相乘、两因素层权重值对应相乘，乘得结果分别进行归一化处理后得出最终指标层权重值和因素层权重值，结果见表7。

将表4数据按照从大到小排序后累加绘制帕累托图，如图2所示。图2（a）～（c）对应表7的组合权重，根据结果可以确定影响水库大坝安全综合评价的主要因素（累计频率达0.8）和次要因素（累计频率0.8～0.9）。

2.4 评价小结

由图2（d）～（f）可知，大中型水库土石坝工程指标层主要病险指标是渗流安全指标、结构安全指标与金属结构安全指标，次要病险指标是防洪能力不足。小型水库土石坝工程指标层主要病险指标是渗流安全指标、结构安全指标与防洪能力不足，次要病险指标是工程质量不合格。水库土石坝工程总体上指标层主要病险指标是渗流安全指标、结构安全指标与防洪能力不足，次要病险指标是金属结构安全指标。

由图2（a）～（c）可知，大中型水库土石坝工程病险因素层主要因素是大坝渗流安全、泄洪能力、閘门结构安全、大坝结构安全、泄水建筑物结构安全、启闭机结构安全、大坝坝顶高程和防浪墙高程、输水建筑物渗流安全；次要因素是泄水建筑物渗流安全、输水建筑物结构安全与安全监测。小型水库土石坝工程病险主要因素是大坝渗流安全、泄洪能力、大坝结构安全、泄水建筑物结构安全、大坝坝顶高程和防浪墙高程；次要因素是输水建筑物结构安全、大坝质量与安全监测。水库土石坝工程总体上病险因素层主要因素是大坝渗流安全、泄洪能力、大坝结构安全、泄水建筑物结构安全、大坝坝顶高程和防浪墙高程、闸门结构安全与输水建筑物结构安全；次要因素是启闭机结构安全、大坝质量与输水建筑物渗流安全。各指标和因素分布较均匀，没有出现“绝壁式”权重，充分体现出水库大坝安全评价是7个指标和22个因素共同影响的结果，水库土石坝工程病险特点具有均衡性和全面性。

3 讨 论

3.1 基于大坝安全风险和病险频度的水库土石坝安全评价 根据表6总体来看，当前水库土石坝工程主要病险指标是结构安全指标、渗流安全指标、工程质量不合格与金属结构安全指标，其中结构安全指标主要是泄水建筑物结构安全指标和输水建筑物结构安全指标，这说明前几轮水库加固是成功的。虽然从病险频度分析，防洪能力不足导致水库评为“三类坝”数量显著降低，但随着近年来极端气候、超标准洪水的频度和强度显著增强，且土石坝不能抵御洪水漫顶，2018～2021年11座溃坝事故中有8座因超标准洪水所致，防洪能力仍然是水库土石坝工程安全的重中之重。本文引入大坝安全风险权重分析，弥补了病险频度分析水库病害特点未考虑不同指标危害程度的不足，能更全面反映当前水库土石坝工程应重点关注的病害问题。

3.2 不同規模水库土石坝工程病险特点

由表7和图2可知，从大坝安全风险和病害频度综合权重中可分析得出，当前水库土石坝工程主要病险指标是渗流安全指标、结构安全指标与防洪能力不足。大中型水库和小型水库主要病害指标有所区别，大中型水库需更关注金属结构安全指标，小型水库更应关注防洪安全指标；当前水库土石坝工程主要病险因素是大坝渗流安全、泄洪能力、大坝结构安全、泄水建筑物结构安全、大坝坝顶高程和防浪墙高程、闸门结构安全、输水建筑物结构安全，大中型水库和小型水库主要病害因素基本相同，但有所区别的是大中型水库主要病害因素更多，小型水库主要病害因素更集中。

4 结 语

中国水库土石坝工程数量大、类型多、分布广，病险情况复杂。本文通过构建水库大坝安全评价层次结构模型，基于大坝安全风险和病险频度综合权重进行分析。综合考虑病害指标、因素出现的频度及危害，通过绘制帕累托曲线，初步分析了当前水库土石坝工程病险特点。下一步可结合大尺度和大规模样本数据研究病险特点是否与区域、坝型、坝高等有关，总结不同病险问题所对应的加固技术，为当前病险水库土石坝工程病险治理与加固提供参考。

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（编辑：张 爽）

Study on risk characteristics of reservoir earth and rockfill dam project

in new era based on analytic hierarchy processWANG Fu，TAN Zheng，XIONG Wei，YAN Yang

（1.Changjiang Survey Planning Design Research Co.，Ltd. ，Wuhan 430010，China； 2.National Dam Safety Engineering Technology Research Center，Wuhan 430010，China； 3.China Water Resources Pearl River Planning Surveying and Designing Co.，Ltd.，Guangzhou 510610，China）

Abstract：In order to eliminate dam safety hazards and ensure the safety of reservoir dams，a hierarchical structure model for reservoir dam safety evaluation was constructed.Based on the comprehensive weight analysis of dam safety risk and risk frequency，we quantitatively analyzed the main risk indicators and factors of earth and rockfill dam engineering by constructing the hierarchical structure model of dam safety evaluation and Pareto method. The study showed that the risk characteristics of reservoir earth and rockfill dam project were balanced，comprehensive and regular. The main indexes of reservoir risk were seepage safety，structural safety and insufficient flood control capacity in turn. The main factors of reservoir risk were seepage safety of dam，flood discharge capacity review，dam structure safety，structure safety of drainage buildings，dam top elevation and wave wall elevation review，etc. The characteristics of reservoir risk were different in different sizes. The research results can provide a reference for the current reservoir earth and rockfill dam engineering．

Key words：earth and rockfill dam；defectiveness characteristics；analytic hierarchy process；Pareto method；dam safety assessment