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徐世媚 黄耀英 殷晓慧 王荣鲁
(1.三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002;2.三峡基地发展有限公司,湖北 宜昌 443002;3.中国水利水电科学研究院,北京 100038)
根据《2020年中国水利统计年鉴》,截至2019年年底,我国共有水库98112座,库容为8983亿m3,其中小型水库93 390座,中型水库3 978座[1].这些水库大坝在我国国民经济发展中起到了重要作用.随着我国水利工作重心逐渐向“补短板、强监管”的方向转移,对这些长期服役大坝的安全性态进行评价将具有重要的工程意义[2-3].目前工程上常基于监测资料正反及反馈分析对水库大坝进行安全评价.一方面,在水库大坝服役过程中,监测仪器不可避免存在损坏及失效,进而导致监测资料缺失、不连续,甚至规律性差;另一方面,数量众多的中小型水库大坝仅安装埋设了少量的监测仪器,导致监测信息偏少即贫监测信息[4],从而导致对长期服役的水库大坝难以进行合理的安全评价.对于长期服役的水库大坝,当进行结构安全评价时,其材料参数(强度参数和变形参数)的当前性态难以合理确定,如采用设计参数进行结构强度和稳定性复核,无法真实说明水库大坝当前的安全状况.虽然现场安全检查(或巡视检查)是发现水库大坝安全隐患与管理缺陷的有效方法[5],但安全检测更能揭示水库大坝表观与内部的质量现状.因此,探讨基于多源安全检测信息的水库大坝健康状态评价,可以弥补贫监测信息或监测资料规律性差的大坝健康状态评价.
目前,一些科技工作者针对水库大坝、水闸和渡槽等水工建筑物的安全评价进行了较多的研究.在水库大坝方面,陈曦等[6]构建了某地区水库大坝安全二级模糊综合评价体系,基于模糊层次分析法和专家评分建立了综合评价模型;王燕等[7]结合现场勘察、实地测量等指标组成多源证据指标体系,基于D-S证据理论进行大坝安全评价;廖文来[8]构建了大坝安全巡视检查评价指标体系,建立了物元可拓和集对分析两种综合评价模型;马福恒等[9]建立了一种基于多层次模糊识别理论的大坝安全检测综合评价模型.在水闸、渡槽方面,李家田等[10]基于四元联系数建立了水闸安全综合评价物元模型,从安全性、适用性和耐久性三个方面评定水闸安全状态;张文剑等[11]建立了渡槽结构评价体系,用层次分析法对在役渡槽的健康状态进行了评价.而对于综合评价方法而言,常用的有模糊数学理论[12-13]、灰色理论[14]、云模型[15]及可拓理论[16]等.其中,模糊数学法能够评价模糊性较强和难以量化的指标,但具有主观性,导致其应用结果与实际情况会有所差别[17].而集对分析理论由于在描述和处理综合集成问题方面有较好的成效,目前广泛运用于大坝安全评价[18].总的来看,目前基于多源检测信息进行安全评价的研究成果较多,但多集中于水闸、渡槽等水工建筑物,而针对水库大坝结构进行多源检测信息综合评价的研究较少,仅基于部分检测信息进行定性评价,或结合监测信息进行综合评价.此外,还存在现场检测指标不完善,与工程实测资料结合不紧密等问题.
由于我国已建混凝土坝数量众多,且长期服役混凝土坝与土石坝健康诊断具有差异性.为此,针对上述问题,本文探讨基于多源检测信息的混凝土坝结构健康状态评价,构建混凝土坝结构多源检测指标评价体系、评价标准,以及模糊集对综合评价模型,以弥补贫监测信息或监测资料规律性差的混凝土坝结构健康状态评价的不足.
参考文献[19]及实际工程检测报告中涉及到的检测项目内容,对混凝土坝结构健康状态有重要影响的检测指标进行了深入分析及梳理,提出外观质量缺陷(外观尺寸,剥落、孔洞、蜂窝、麻面,裂缝,错动,金属结构)和耐久性(混凝土抗压强度,抗渗性,抗冻性,碳化深度,钢筋保护层厚度,钢筋锈蚀,渗漏溶蚀)两大类共计12个指标的评价体系.由于大坝材料参数(强度参数和变形参数)的当前状态难以准确获得,导致结构安全复核计算结果不能表征大坝当前安全状况,因此,本文在构建综合评价指标体系时,未将结构安全复核纳入评价体系.
目前,对于混凝土坝结构健康状态等级的划分尚未有明确的规定,在对水库大坝的安全等级进行划分时,文献[19]将大坝的安全等级分为3类;文献[20]将大坝的安全等级分为4类;还有一些学者根据评价指标特性,将大坝实测结构性态划分为5 个评价等级[21-22].为此,类比于医学角度上将病人的健康状况分为健康、基本健康、健康欠佳和健康状况差4种情况,本文采用介于三级和五级之间的四级评语集对大坝实测性态健康状态进行划分,并将混凝土坝结构健康状态划分为A、B、C、D 这4 个等级,分别对应健康、较健康、较不健康、不健康4种状况.
影响混凝土坝结构健康状态的评价指标需根据不同量纲间的特性进行划分,各项评价指标的等级划分采用定量与定性的方法综合确定,分级标准优先采用国家、地区、行业标准或相关文献研究成果,对具有定性特征的指标采用相关专家的打分来确定.各评价指标等级及评分标准划分见表1.
模糊综合评价是基于模糊数学进行定量评价,虽然能评价模糊性较强和难以量化的指标,但由于其主观性较强,存在某些指标的信息重复问题,而集对分析法在描述和处理综合集成问题方面有较好的成效[23].为此本文将二者结合进行多源检测信息的混凝土坝健康状态综合评价.具体评价步骤如下:
步骤1:确定各评价指标标准值
根据所建立的混凝土坝结构多源检测指标体系,依据现场检测和专家打分结果,对照各评价指标等级划分标准(见表1)确定各评价指标的标准值.
步骤2:计算各指标权重
混凝土坝健康状态综合评价体系中不同指标对大坝健康状态的影响程度有差异性,而指标权重将直接影响到最终的评价和决策结果的正确性.层次分析法相对于其他算法具有分析复杂问题的全面性、计算分析的简洁性、分析争议问题的灵活性和不需要大量信息的实用性等优点,且其理论基础成熟、应用广泛,因此本文采用层次分析法确定各评价指标权重[24].
步骤3:计算单指标联系度
由步骤1所确定的各评价指标标准值均在[0,1]区间内,且越靠近1越优.将评价样本第一个指标值xl(l=1,2,…,m;m为评价指标数)看成一个集合Al,把该指标第k级评价标准看成另一个集合Bk(k=1,2,…,K;K为评价等级数),建立混凝土坝健康状况评价指标与对应的评价标准的集对H(Al,Bk).为模糊评价等级标准划分边界,根据指标标准值xl聚类中心sk越近,则该指标属于第sk级的可能性越大的原则,将指标标准值xl与第k级标准sk的联系度用渐变的曲线或折线来描述.评价的关键在于计算集对H(Al,B1)的K元联系度,对于越大越优的指标,其四元联系度的计算公式见式(1)～(5).
当xl≥s1时:
式中:s1、s2、s3分别对应A、B、C、D 评价等级的临界值,且s1≥s2≥s3.
步骤4:计算综合联系度,判断大坝健康状态所属等级.
集对H(A,B)的K元联系度可定义为:
式中:ωl为指标l的权重;al表示xl属于第1级的可能性,以此类推,cl表示xl属于第K级的可能性;fK为评价样本隶属于K级标准的可能性.为避免联系度差异不确定分量系数确定方法存在一定的主观性,采用置信度准则来判断评价样本所属的等级:
式中:λ为置信度,参考文献[25]中的建议取值区间[0.50,0.70].样本属于hk对应的k级.
综上所述,模糊集对分析评价法流程如图1 所示.
图1 模糊集对分析评价法流程图
4.1 工程概况
刘家洞水电站工程位于广西壮族自治区内的澄江河上游,是一座以发电为主的引水式电站.水库总库容2 638万m3,坝型为碾压混凝土重力坝,最大坝高60.7 m,电站装机容量8 000 k W(2×4 000 k W).根椐文献[26]的规定,本工程为Ⅲ等中型工程.水库为中型水库,属于Ⅲ等工程,电站为小(2)型电站.
大坝内观仪器由于受到各种因素影响,仪器完好率偏低,且大部分已失效,其中应力应变计、温度计、测缝计、渗压计及压力计已全部失效.虽然变形等外观监测仪器完好率较高,但由于监测频次偏低(3个月1次),因此基于监测资料难以开展大坝安全评价.该坝2017年6月开展了外观尺寸,剥落、孔洞、蜂窝、麻面,裂缝,错动,金属结构,混凝土抗压强度,抗渗性,碳化深度,钢筋保护层厚度,钢筋锈蚀,渗漏溶蚀等11个项目的现场检测工作,部分现场检测图如图2所示,发现存在金属结构轻微变形锈蚀、混凝土麻面剥落、有多条表层裂缝等问题.因此,本文结合刘家洞大坝现场多源检测信息,对该大坝结构进行健康状态评价.
图2 刘家洞大坝现场检测图片
4.2 评价指标标准值计算
根据表1所列出的评分标准及刘家洞工程相关资料,对各指标进行量化处理,得到混凝土坝结构评价指标标准值见表2.
表2 刘家洞工程结构评价指标标准值
4.3 确定指标权重
由于指标权重的确定关系到混凝土坝结构健康评价结果的准确性,一般由多位专家对各指标的相对重要程度给出区间判断值.根据所建立的混凝土坝结构综合评价指标体系,采用层次分析法求得各项评价指标的权重值见表3.
表3 基于层次分析法的权重计算
4.4 单指标联系度计算
按照式(1)～(5)中四元联系度的计算方法分别对各项评价指标的模糊联系度加以计算,即可得到各项评价指标的模糊联系度.各项评价指标模糊联系度计算结果见表4.
表4 刘家洞工程结构评价指标模糊联系度
4.5 综合评价
在计算得到单指标模糊联系度及各项指标权重后,计算指标综合联系度.设混凝土坝健康状态评价集合为A,所有指标1级评价等级标准为集合B,则按照式(6),集对H(A,B)的联系度计算得:
本文取中等保守程度λ=0.6,由式(7)来判断所属等级:h1=f1=0.534＜λ,h2=f1+f2=0.835＞λ.
计算结果表明刘家洞大坝工程健康状态等级处于B级,较健康的状态.检测指标基本能达到设计标准,存在局部轻微的缺陷,经维护即可保证正常运行.为确保大坝正常运行,建议尽快疏通坝内横向排水钢管堵塞,将坝基积水排出,及时处理大坝溢洪道弧形钢闸门及其启闭机控制系统的问题.
通过对刘家洞大坝工程开展外观质量与缺陷和耐久性的现场检测工作,实现了基于多源检测信息的刘家洞工程结构健康状态综合评价.根据咨询管理人员及查看刘家洞工程安全鉴定报告,刘家洞水电站工程设计总体符合现行标准及已有工程经验,工程施工基本满足规范和设计要求,施工质量总体合格,与本文所得结果偏差不大,计算得到的刘家洞大坝工程结构的健康状况与实际情况基本吻合,验证了该模型的有效性.
针对混凝土坝工程匮乏监测信息或监测资料规律性差的问题,本文提出基于多源检测信息开展混凝土坝结构安全性态综合评价,构建了混凝土坝结构多源检测指标评价体系、评价标准以及模糊集对综合评价模型,并应用于刘家洞工程,结论如下:
1)结合文献[19]及工程检测报告,优选了能全面评价混凝土坝结构健康状况的检测指标,提出了外观质量与缺陷(外观尺寸,剥落、孔洞、蜂窝、麻面,裂缝,错动,金属结构)和耐久性(混凝土抗压强度,抗渗性,抗冻性,碳化深度,钢筋保护层厚度,钢筋锈蚀,渗漏溶蚀)两大类共计12个指标,并设计了各指标合理的评价标准,提出了混凝土坝结构多源检测评价指标体系.
2)考虑到混凝土坝结构多源检测信息综合评价过程中评价指标等级划分的模糊性问题,选取模糊集对评价方法来实现对混凝土坝结构健康状态的综合评价,并应用该方法对刘家洞工程结构的健康状态进行了综合评价,评价等级为B 级,表明刘家洞大坝工程结构总体处于较健康的状态.该评价结果与安全鉴定报告定性评价结果基本一致,从而验证了该评价方法的有效性.
3)混凝土坝结构多源检测指标评价体系、评价标准、以及模糊集对综合评价模型的建立,可以较好地弥补贫监测信息或监测资料规律性差的混凝土坝结构健康状态评价的不足.后续可采用主客观组合赋权的权重确定方法来进一步改进,使评价模型更加合理可信.
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