江西省昌南閘工程安全性綜合評價

龔雪紅

（南昌市南隔堤堤防工程管理處）

0 引言

水閘屬于一種低水頭水工建筑物，多修建于濱海、水庫、河道、湖泊和渠系等地區(qū)，因具有泄水和擋水功能為當前廣泛應用的水利工程。20 世紀50-70 年代為中國大多數(shù)水閘的修建時期，水閘施工標準和設計方法受當時經(jīng)濟、技術等條件限制，加之人為因素和污染、凍融、空氣、水流及負荷等自然因素的長期作用，導致大多數(shù)水閘均出現(xiàn)了一定程度的病險和損壞情況，對水閘的安全運行已構(gòu)成嚴重的不利影響，所以科學評價水閘的安全運行狀態(tài)極其重要。目前，常用的水閘安全性評價方法有系統(tǒng)決策法、標準比照評價法、專家系統(tǒng)與評估法等，其中系統(tǒng)決策法又可進一步分為灰色評估法、加權(quán)梯階評價法和層次分析法等。由于水閘安全性評定存在專家主觀性強、指標權(quán)重無固定標準和定性要素多等特征，以上方法通常無法系統(tǒng)、全面地體現(xiàn)水閘的真實狀況。將信息熵理論和參數(shù)重要性分值相耦合的改進AHP 法，能夠考慮各參評因子的客觀賦權(quán)和專家主觀判斷，實現(xiàn)定性參數(shù)的量化處理。鑒于此，文章以江西省昌南閘工程為例，將模糊綜合法和改進AHP 法相耦合較為客觀真實的評價了水閘的安全狀態(tài)，可為水閘工程的除險加固設計及其服役壽命預測提供科學依據(jù)。

1 水閘安全性綜合評價體系

水閘安全評價涉及的范圍廣、因素多，依據(jù)不同的內(nèi)涵特征可將其大致分為主要、次要兩大類，應盡可能地考慮主要因素反映其安全狀況。結(jié)合現(xiàn)有文獻資料和水閘安全鑒定相關規(guī)則，按照梯階層次框架構(gòu)建水閘安全評價體系如表1。設定總目標為水閘整體安全水平，進一步將其分解為閘門啟閉機、消能防沖、混凝土結(jié)構(gòu)、抗滑穩(wěn)定性、抗?jié)B穩(wěn)定性和其他6個子系統(tǒng)，結(jié)合水閘工程相關資料將子系統(tǒng)再分解為若干個要素，從而構(gòu)造安全評價因子集Ai=（Ai1,Ai2,…，Aij,），運用改進AHP 法構(gòu)造相應的權(quán)重集為Wi=（Wi1,Wi2,…，Wij,）。

表1 水閘安全評價梯階層次框架體系表

然后將綜合評價結(jié)果按照水閘安全鑒定相關資料劃分為A、B、C、D 四個等級，各等級下的評估區(qū)間和評分閾值如表2。

表2 水閘安全評價等級劃分表

2 模糊綜合評價模型

2.1 數(shù)學模型

確定要素集和評語集。根據(jù)水閘工程建設相關資料和實際運行情況，引入有限論域u=｛u1，u2，…，um｝、｛V1,V2,…Vm｝為水閘安全評判的要素集和評語集。

構(gòu)造模糊評價矩陣。依據(jù)模糊映射函數(shù)f獲取因素U至評語集V之間的映射關系，則利用下式反映評語集V與參評因子ui的映射關系，即：

式（1）中：rij——為隸屬于評判等級vm時參評要素ui的程度。由此可建立水閘安全評價模糊矩陣，其表達式為：

2.2 隸屬函數(shù)

隸屬于某一概念時某一事件的程度利用模糊統(tǒng)計學中的隸屬函數(shù)獲取，其取值范圍為0～1 的閉區(qū)間。其中，比較常用的隸屬函數(shù)分布類型有Cauchy 分布、正態(tài)、半提醒與提醒、半舉行與舉行、半三角和三角、單值型分布，文章結(jié)合現(xiàn)有文獻資料選取中間型柯西分布作為隸屬函數(shù)，其數(shù)學式為：

式（3）中：β——為正偶數(shù)，且k＞0。A、B、C、D 四種類型的函數(shù)分布如圖1。

2.3 改進的AHP法

目前，綜合賦權(quán)、客觀賦權(quán)和主觀賦權(quán)法為常用的權(quán)重系數(shù)求解的三大方法，為保證評價結(jié)果的可靠性運用改進AHP法獲取綜合權(quán)重。其中，1～9標度準則為傳統(tǒng)AHP法構(gòu)造對比矩陣的主要依據(jù)，若不同要素間的差異性較低則往往難以確定判斷標度，同時賦權(quán)過程中易受人為因素的干擾，修正對比矩陣時易出現(xiàn)評判結(jié)果偏離實際情況、權(quán)重分配不穩(wěn)定等問題。為解決以上問題，文章將信息熵原理和參數(shù)重要性分值提出改進AHP 法，對水閘安全性評判各要素權(quán)重運用改進AHP 法求解，其主要流程為：

圖1 函數(shù)分布類型圖

步驟1：針對各項參評要素邀請相關專家獨立完成重要性評分，評判準則如表3。通過兩兩對比參評指標的重要性分值，按照一定的原則構(gòu)造對比矩陣，在此基礎上完成對比矩陣最大特征個及其相應的特征向量的運算。專家給出的指標權(quán)重即為構(gòu)造的特征向量，充分考慮專家意見獲取的權(quán)重矩陣W′i為主觀權(quán)重。

步驟2：依據(jù)水閘運行實際狀況和工程建設相關資料構(gòu)造客觀權(quán)重cik，結(jié)合信息熵原理和主觀權(quán)重W′i，利用下式獲取各項參評因子的客觀權(quán)值，即：

表3 專家評分判定準則表

式（4）中：wijk、eijk——為評判專家k針對參評因子Aij賦予的權(quán)重值及其安全評分值；cik、hik——為參評專家k賦予的客觀權(quán)重和熵值。

步驟3：根據(jù)已獲取的水閘安全性評價主觀ci、客觀W′i權(quán)重矩陣，利用下式確定各參評因子的綜合權(quán)重wi，即：

式中字母含義同上。

2.4 模糊綜合評價

在水利工程安全評價領域模糊綜合法具有廣泛的應用前景，結(jié)合以上綜合權(quán)重值和專家評分構(gòu)建模糊評價模型為：

式中字母含義同上。

通過普通的加權(quán)乘積運算獲取水閘安全綜合評價值，其運算法則為模糊算子，由此實現(xiàn)水閘運行的狀態(tài)評價。

2.5 結(jié)果分析

采用具體的分值衡量各評價等級，由此實現(xiàn)模糊向量的單值化處理，然后運用加權(quán)平均法計算模糊數(shù)學評價的隸屬度，選用最終的一個點值作為水閘安全評價的綜合值。選取不同的分值x1、x2... xm，作為m個評價等級賦分，則利用以下單值化公式獲取模糊評價值：

式中字母含義同上。

最終，將水閘安全運行狀態(tài)依據(jù)F值隸屬的等級給予科學的評判，充分利用了模糊數(shù)據(jù)信息的向量單值化法兼顧了待評對象的整體特性，由此獲取的評判等級可以系統(tǒng)、客觀地反映水閘運行的真實情況。

3 工程實踐

昌南閘工程位于象湖濕地公園中心渠附近、南隔堤K4+880 處，工程完工于2007 年8 月，主要包括3 孔鋼筋混凝土涵閘，中孔為凈寬12 m的通航孔，其頂板高程25.18 m，底板高程16.10 m，兩側(cè)景觀人行孔凈寬4.50 m。采用橫拉鋼體門作為船閘閘門，尺寸為6 m×6.20 m×2扇，選取平推式雙作用集成啟閉機，并建有直徑為1.50 m、長36 m 的充水橡膠滾水壩一座。同時，為滿足工程管理和環(huán)境建設需要，建設有充、排水泵房、液壓式啟閉房以及管理用房。水閘主要建筑物為三級、工程防洪設計標準為百年一遇。該工程是集防洪，溝通、控制、調(diào)節(jié)南北象湖景觀水位，游船通航，生態(tài)園林，景觀休閑為一體的綜合性工程。

為確保昌南閘工程的安全運行，檢測的主要項目包括：①消能防沖和防滲設施的完整性、有效性；②混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、變形和強度；③啟閉機、電氣設備和閘門的安全性；④水閘安全運行觀測設施和水工構(gòu)筑物的有效性。

依據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果深入分析昌南閘工程存在的問題有：①閘墩及其閘兩岸翼墻存在滲水、裂縫和輕微塌陷，水力沖刷防沖槽現(xiàn)象突出，局部結(jié)構(gòu)存在裂縫。②混凝土結(jié)構(gòu)外露鋼筋發(fā)現(xiàn)輕微銹斑、鋼筋輕度銹蝕且混凝土保護層脫落；閘底板混凝土強度一般、沖刷破壞嚴重，且閘基出現(xiàn)滲漏。③閘門橡膠止水發(fā)現(xiàn)輕微漏水，閘門局部變形，閘門局部變形且出現(xiàn)輕微氧化銹蝕，發(fā)現(xiàn)漏水情況。④啟閉設施啟閉能力良好、結(jié)構(gòu)完整性和運行情況良好，構(gòu)件折斷損傷情況輕微。⑤上下游觀測設施勉強滿足要求，損傷問題比較突出，電氣設備基本可以符合運行要求。⑥閘室穩(wěn)定性復核結(jié)果滿足要求，消能效果和過流能力一般。

結(jié)合現(xiàn)象調(diào)查結(jié)果邀請5 位專家對各項基礎指標給予評判，收集整理各項參評因子的重要性評分，構(gòu)造相應的判斷矩陣f，結(jié)果如下：

充分考慮各項參評要素的具體內(nèi)涵和5位專家評判結(jié)果，經(jīng)適當調(diào)整獲取系統(tǒng)層各要素主、客觀權(quán)重，然后利用文中所述有關公式得到水閘安全評價綜合權(quán)重wi：

w1=［0.308 0.355 0.337］；w2=［0.374 0.338 0.288］；w3=［0.260 0.405 0.335］；w4=［0.350 0.332 0.318］；w5=［0.177 0.246 0.285 0.291］；w6=［0.330 0.386 0.284］；w=［0.205 0.210 0.167 0.188 0.122 0.108］。

充分考慮水閘工程現(xiàn)場勘測結(jié)果和專家評分值，經(jīng)適當調(diào)整最終獲取水利工程健康狀況綜合評分值，如表4。

采用中間型柯西分布構(gòu)造的隸屬度函數(shù)求解R值，結(jié)合模糊數(shù)學法獲取評價體系中6 個子系統(tǒng)的安全評價值為：B1=（0.118,0.601,0.244,0.032）；B2=（0.335,0.560,0.053,0.018）；B3=（0.406,0.543,0.037,0.014）；B4=（0.351,0.585,0.045,0.019）；B5=（0.471,0.485,0.023,0.015）；B6=（0.138,0.640,0.184,0.035）；B=（0.302,0.577,0.094,0.021）。

最終，采用公式（7）獲取昌南閘工程F=78.02，按照已劃分的評價等級可以判定該水閘工程達到二類等級。各項參評要素基本可以達到水閘正常運行標準，通過對損壞部位的整治可以確保水閘的正常運行。

表4 水閘安全運行綜合評分表

4 結(jié)論

通過對熵權(quán)法和指標重要性分值的詳細分析提出改進的AHP 法，選取模糊綜合法評價分析了閘門啟閉機、混凝土結(jié)構(gòu)、消能防沖、抗滑穩(wěn)定和抗?jié)B穩(wěn)定等重要參數(shù)的安全狀態(tài)。以昌南閘工程為例，綜合應用模糊數(shù)學法和改進AHP 法實現(xiàn)定性指標的定量化處理，該方法較為客觀、準確地反映了水閘工程的運行狀態(tài)，可為水閘除險加固方案的制定及其正常運行管理提供決策依據(jù)。