大壩安全評價(jià)

1、大壩安全評價(jià)大壩安全評價(jià)方法綜述摘要：國內(nèi)外水庫安全評價(jià)技術(shù)與方法主要分為傳統(tǒng)的定性準(zhǔn)則法和綜合評價(jià) 分析法，綜合評價(jià)分析法有綜合評分法，層次分析法，風(fēng)險(xiǎn)評估分析法和模糊 綜合評價(jià)法等。工程安全等級分為3級：A級為安全可靠，能按設(shè)計(jì)條件安全 運(yùn)行；B級為基本安全，但有缺陷，可在加強(qiáng)監(jiān)控的條件下運(yùn)行 ；C級為不安 全，存在病險(xiǎn)隱患。最后綜合各專項(xiàng)安全性級別對大壩分類，專項(xiàng)安全性級別 均達(dá)到A級的為一類壩；專項(xiàng)安全性級別達(dá)到A級或B級的為二類壩；專項(xiàng)安 全性級別有一項(xiàng)以上達(dá)到C級的為三類壩。關(guān)鍵詞：安全評價(jià)；風(fēng)險(xiǎn)分析；病險(xiǎn)水庫前言我國現(xiàn)有8.7萬余座水庫，大多建于20世紀(jì)5070年代，限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)

2、濟(jì) 社會條件制約，普遍存在防洪標(biāo)準(zhǔn)低、工程質(zhì)量差等缺陷，加上長期維修養(yǎng)護(hù) 不夠，其中約40%；病險(xiǎn)水庫。病險(xiǎn)水庫不僅不能正常發(fā)揮效益，而且存在很高 的潰壩風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅下游公眾安全與經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，因此對病險(xiǎn)水 庫定期開展水庫安全評價(jià)工作至關(guān)重要。正確的大壩安全評價(jià)是充分發(fā)揮工程 效益、降低工程風(fēng)險(xiǎn)和提高工程除險(xiǎn)加固措施針對性的必然要求。1模糊綜合分析法模糊數(shù)學(xué)將數(shù)學(xué)引入具有模糊現(xiàn)象和模糊概念的各個(gè)知識領(lǐng)域中，其關(guān)鍵在 于尋求適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)語言來描述事物的模糊性?；谀：龜?shù)學(xué)方法的綜合評價(jià)通 過構(gòu)建評價(jià)對象指標(biāo)集與評價(jià)集之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)所屬隸屬度， 建立模糊矩陣，確定各評價(jià)指標(biāo)

3、權(quán)重，最后對模糊矩陣與權(quán)重進(jìn)行模糊運(yùn)算并 歸一化處理，得到綜合評價(jià)結(jié)果。1.1 確定目標(biāo)集和評價(jià)集大壩模糊綜合分析的目標(biāo)集采用水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則的7個(gè)單項(xiàng)，評價(jià)集一般采用五級法，其等級用符號表示為：Vi, V2, V3, V4, V5,依次代表惡 性異常、重度異常、輕度異常、基本正常、正常。各項(xiàng)因素的評價(jià)語為：(Vi,V2, V3,V4,V5) = (Vl,V2,V3,V4,V5)。其中：0 <Vi< l表示對上述等級的隸屬。大壩的因素層指標(biāo)可以分為定量指標(biāo)和定性指標(biāo)兩類，對于定量指 標(biāo)采用“開半梯形”隸屬函數(shù)確定指標(biāo)的隸屬度。1.2 綜合評價(jià)根據(jù)權(quán)向量W和模糊評價(jià)值矩陣R ,采

4、用模糊綜合評價(jià)的基本公式為：B = WR式中，運(yùn)算符 ?！睘槟：龜?shù)學(xué)中的模糊算子，當(dāng) W表示權(quán)向量時(shí)，上式代表 普通矩陣乘積運(yùn)算2。計(jì)算時(shí)，從最底層(因素層)開始，逐層向上綜合，最終 得到最頂層的目標(biāo)集向量。如果目標(biāo)集不滿足歸一化條件，需進(jìn)行歸一化處理。 最后可根據(jù)總體評價(jià)值，按最大隸屬度原則確定大壩安全的總體結(jié)論。2風(fēng)險(xiǎn)評分法風(fēng)險(xiǎn)分析既需要考慮水文、地質(zhì)、材料、荷載的時(shí)空變異性，同時(shí)也要考慮 到其他非傳統(tǒng)因素，如人為差錯(cuò)、機(jī)械故障、上游水庫失事等隨機(jī)事件可能給 大壩安全造成的威脅。美國墾務(wù)局(USBR)推薦使用現(xiàn)場評分(site rating) 法來衡量水庫大壩的風(fēng)險(xiǎn)，它是在美陸軍工程師團(tuán)

5、Hagen的啟發(fā)下形成，按下 式計(jì)算：SR SR ii式中，SR為第i因素的評分值。3所考慮的風(fēng)險(xiǎn)可分兩類：潛在險(xiǎn)情，包括庫容、水頭、隱患、洪水和地震等 因素。將各因素構(gòu)成的險(xiǎn)情分成低、中、高、極高 4級，各級從低至高相應(yīng)賦 予風(fēng)險(xiǎn)值。工程的SR值越高，則表明該工程越危險(xiǎn)。大壩病險(xiǎn)，包括工程齡期、建筑質(zhì)量、滲流態(tài)勢和結(jié)構(gòu)安全等因素；USBR把風(fēng)險(xiǎn)分析和評價(jià)視為改進(jìn) 安全管理的一種手段，看作是大壩管理的一部分。他們把大壩風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)作為一 種決策工具，以便指導(dǎo)資金往風(fēng)險(xiǎn)最大的工程上投入。為了保證大壩不會出現(xiàn) 威脅公共安全、財(cái)產(chǎn)和社會安全的不可接受的風(fēng)險(xiǎn)，USBR建立了大壩安全管理程序，通過比較不同荷

6、載作用所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)和不同大壩間的風(fēng)險(xiǎn)，對產(chǎn)生不可 接受風(fēng)險(xiǎn)的大壩進(jìn)行確認(rèn)，并采取有效的、費(fèi)用合理的適當(dāng)措施降低或消除這 些風(fēng)險(xiǎn)。2. 1綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法針對大壩安全三大相互獨(dú)立的因素進(jìn)行分析，大壩風(fēng)險(xiǎn)評估 指數(shù)，由環(huán)境因素、工程結(jié)構(gòu)因素與綜合影響系數(shù)的乘積組成。1nmnfnra aiaj ak ne nf ne 1 nr nf 1 i 1 j nm 1 k nf 1式中，Q為環(huán)境因素，包括地震、庫岸塌滑、洪水、水庫調(diào)節(jié)能力、環(huán)境侵害等 5項(xiàng)；Q為工程結(jié)構(gòu)因素，包括結(jié)構(gòu)可靠性、壩基優(yōu)劣、防洪設(shè)施安全性、工程 管理維修好壞等4項(xiàng)；&為潰壩損失因素，包括水庫庫容、洪泛區(qū)可能損失情

7、況 等。以上各種風(fēng)險(xiǎn)均按低、中、高三級風(fēng)險(xiǎn)劃分，每一級又細(xì)分為兩級，也就 是將風(fēng)險(xiǎn)共細(xì)分為6級，每級1分，每一因素最低風(fēng)險(xiǎn)值為1,最高風(fēng)險(xiǎn)值為64c 分值愈高，水庫大壩愈危險(xiǎn)。這種風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法計(jì)算簡單，可操作性強(qiáng)，可用于 定性風(fēng)險(xiǎn)分析。2. 2總體安全度法我國水利部大壩安全管理中心在借鑒國外風(fēng)險(xiǎn)分析方法的前提下，于1990年提出了水庫大壩總體安全度（SD）法及相應(yīng)的安全度判別標(biāo)準(zhǔn)，并提出了計(jì) 算方法和計(jì)算程序，將總體安全度定義為：5SD PS式中，Ps為某一水庫大壩的工程安全度；”為水庫的社會經(jīng)濟(jì)影響因子 大壩工程安全度的分析，按大壩的防洪、抗滑、抗裂、抗?jié)B、抗震及抗生物破 壞共6個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算

8、，認(rèn)為其中任何一項(xiàng)功能失效，都將造成壩工結(jié)構(gòu)的整 體破壞，因此工程安全度可表達(dá)為：66Ps1 PfiPsi1.1 1i 1式中，Pfi是第i項(xiàng)功能的失效概率，Ps是第i項(xiàng)功能的可靠度。根據(jù)水庫大壩總 體安全度SD,參考水庫大壩安全度評判標(biāo)準(zhǔn)，得出水庫大壩的風(fēng)險(xiǎn)程度60這種方法理論上可將水庫大壩的安全度予以量化界定，既以結(jié)構(gòu)安全的可靠度為 基礎(chǔ)，又考慮了工程的社會及經(jīng)濟(jì)等影響，其應(yīng)用代表了我國水庫大壩安全評 價(jià)從定性準(zhǔn)則分析向定量風(fēng)險(xiǎn)分析的轉(zhuǎn)化和探索。3傳統(tǒng)的定性準(zhǔn)則法我國目前在大壩安全評價(jià)還沿用傳統(tǒng)的基于確定性準(zhǔn)則的方法，即通過大壩 安全定期檢查，診斷出大壩存在的缺陷，定性鑒定大壩的安全等級。

9、目前我國 水庫大壩安全評級體系是以水庫大壩安全管理?xiàng)l例（1991年）、水庫大壩安全鑒定辦法（水建管2003 271號）為依據(jù)，以水庫大壩安全評價(jià) 導(dǎo)則（SL258 - 2000）為指導(dǎo)，根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)和施工規(guī)范并結(jié)合現(xiàn)場質(zhì)量檢 測和地質(zhì)勘察等資料分別對水庫大壩進(jìn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)和防洪能力復(fù)核、結(jié)構(gòu)安全 復(fù)核、抗震能力復(fù)核、滲流穩(wěn)定及金屬結(jié)構(gòu)安全復(fù)核等，并通過定量或定性分 析進(jìn)行分級。水庫大壩安全影響因素綜合評價(jià)是指通過有針對性的評價(jià)方法對 大壩安全的多層次、多目標(biāo)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作出綜合評價(jià)，主要包括大壩安全影響因 素評價(jià)指標(biāo)集的確定、評價(jià)體系的構(gòu)建、安全綜合評價(jià)方法的選取。綜合評價(jià) 分析方法主要有下述幾種。

10、1.2 綜合評分法大壩安全綜合評分法是選擇行業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)豐富的專家組先分別按不同指標(biāo)的 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對大壩的各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評分，然后采用加權(quán)相加，求得總分 ?？?分越高，表明水庫病險(xiǎn)程度越嚴(yán)重。綜合評分法主要針對大壩運(yùn)行管理資料情 況和特點(diǎn)，從失事后果與大壩失事模式和建筑物病險(xiǎn)程度兩個(gè)主要方面進(jìn)行評價(jià)，從水庫潰決受險(xiǎn)群眾、水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)、大壩滲流安全性、大壩結(jié)構(gòu)安全性、泄洪建筑物性能以及其他特殊情況等6個(gè)評分項(xiàng)分別進(jìn)行評分，然后根據(jù)各評分項(xiàng) 的賦分伯：(SRi, i= 1, 2,6),求和得到病險(xiǎn)水庫大壩的總分值 ZSRi,具體見 下表，依據(jù)分值高低來確定大壩的病險(xiǎn)程度。大壩安全綜合評分評價(jià)項(xiàng)目病險(xiǎn)程

11、度較低病險(xiǎn)程度中度病險(xiǎn)程度嚴(yán)重受險(xiǎn)群眾0200300400防洪標(biāo)準(zhǔn)02065145滲流安全02065145結(jié)構(gòu)安全02065145泄洪建筑02065145物特殊情況02065145表中6個(gè)評分項(xiàng)的涵義如下：(1)滲流安全。主要考慮與壩體或壩基滲漏、管涌有關(guān)的各種問題，包括壩體 或壩基內(nèi)存在或正在發(fā)展的裂縫或其他潛在的水流通道。(2)受險(xiǎn)群眾。受險(xiǎn)群眾指在設(shè)計(jì)洪水條件下(包括泄洪洞和溢洪道的下泄流 量)，如不進(jìn)行人員轉(zhuǎn)移，將處于洪水淹沒區(qū)的人員數(shù)量，這方面資料主要基 于潰壩洪水資料分析而得出。(3)水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)洪水大小來核算能否滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，按可能最大 洪水的百分比表示。(4)泄洪建筑

12、物。主要是泄洪建筑物的泄流能力，泄洪建筑物最大下泄能力和 行洪安全決定了此分項(xiàng)的評分。(5)結(jié)構(gòu)安全。主要是大壩的靜力穩(wěn)定性和抗震穩(wěn)定性，最不利狀況(例如靜力穩(wěn)定或地震穩(wěn)定)決定了此評分項(xiàng)的評分。相對于可能因地震而失穩(wěn)的病險(xiǎn)，“嚴(yán)重”和“非常嚴(yán)重”病險(xiǎn)評分項(xiàng)只用于靜力荷載條件下的狀態(tài)描述。（6）其他特殊情況。主要指工程存在的一些特殊病險(xiǎn)，包括 ：庫區(qū)可能滑坡或 坍塌，水庫區(qū)局部的地面沉陷，溢洪道過流時(shí)侵入壩體可能造成的危害。因此 本項(xiàng)允許評分人針對這類特殊情況賦予相應(yīng)的分值。1.3 層次分析法安全評價(jià)信息包括水文、地質(zhì)、大壩結(jié)構(gòu)、材料、流域和地形、運(yùn)行管理和 安全監(jiān)測等信息，通過數(shù)值仿真、模型

13、實(shí)驗(yàn)、實(shí)測資料分析、信息融合最終獲 取大壩安全狀態(tài)參數(shù)。目前常用的綜合評價(jià)方法主要有層次分析法（AHP）、模糊綜合評價(jià)法、模糊可靠度和和模糊灰色綜合評價(jià)法等。常用的準(zhǔn)則有強(qiáng)度和屈 服準(zhǔn)則、斷裂力學(xué)準(zhǔn)則、損傷力學(xué)準(zhǔn)則、穩(wěn)定準(zhǔn)則、能量準(zhǔn)則、嫡準(zhǔn)則、突變 理論準(zhǔn)則等。根據(jù)大壩風(fēng)險(xiǎn)度的不同，大壩安全評價(jià)方法依次劃分為（1）確定性評價(jià)：從力學(xué)、物理和邏輯規(guī)律等方面對大壩進(jìn)行安全評價(jià)，不考慮非線性 和不確定性，即認(rèn)為滿足設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行規(guī)范要求的大壩就是安全的。（2）安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)：將水文、水力、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、材料、等作為隨機(jī)變量，同時(shí)結(jié) 合具體的政治、經(jīng)濟(jì)和社會環(huán)境，考慮到其它可能影響大壩安全的非傳統(tǒng)因素，

14、 結(jié)合相應(yīng)損失的大壩安全評價(jià)方法 網(wǎng)。（3）不確定性評價(jià)：全面考慮大壩安全 影響因素和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的不確定性以及信息的不完整性的大壩安全評價(jià)方法，主 要包括模糊可靠度評價(jià)、模糊灰色評價(jià)和基于盲數(shù)理論的綜合評價(jià)方法等。（4）考慮結(jié)構(gòu)壽命和可修復(fù)性的不確定性評價(jià)：將大壩系統(tǒng)作為一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，考 慮大壩系統(tǒng)初始損傷和損傷發(fā)展、結(jié)構(gòu)和材料老化、可修復(fù)性風(fēng)險(xiǎn)等方面，從 大壩系統(tǒng)的損傷累積、材料和結(jié)構(gòu)的老化速度和外部環(huán)境的變化趨勢等方面估 計(jì)結(jié)構(gòu)的剩余壽命，使人們對大壩安全的現(xiàn)狀、成因和發(fā)展趨勢獲得全面了解 的評價(jià)方法。大壩安全的綜合層次分析法從傳統(tǒng)評價(jià)體系中7個(gè)單項(xiàng)Ai（ i = 17）中劃分出影響單項(xiàng)的重

15、要因素Aij（ j = 13）,采用層次分析法分層權(quán)重計(jì) 算，確定評價(jià)準(zhǔn)則（隸屬函數(shù)），計(jì)算單項(xiàng)因素隸屬度，得出大壩安全綜合評 價(jià)定量指標(biāo)。其主要步驟如下。1.3.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型根據(jù)水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則，將把影響水庫大壩工作狀態(tài)的因素逐級分 解為遞階層次結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在建立了遞階層次模型后，通過專家調(diào)查的方 式，即可獲得各層次的兩兩比較判斷矩陣，再通過一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算可求出各指 標(biāo)的權(quán)重。1.3.2 量化評價(jià)集確定評價(jià)體系中單項(xiàng)因素Aij的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。按照各專項(xiàng)的安全性分為1、2、3 級，1級為安全可靠；2級為基本安全，但有缺陷；3級為不安全，并采用T. L. Saaty建議的09指標(biāo)量

16、化等級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)。1.3.3 綜合性能指標(biāo)層次分析法為了使指標(biāo)體系中的指標(biāo)的不同狀態(tài)具有統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn)，需要給 指標(biāo)體系中的指標(biāo)劃分等級，事先給定等級標(biāo)準(zhǔn)，使不同工程之間具有可比性， 綜合性能指標(biāo)計(jì)算見下式。大壩最終的安全性能分為3類，一類壩安全可靠，能按設(shè)計(jì)正常運(yùn)行；二類壩基本安全，可在加強(qiáng)監(jiān)控的條件下運(yùn)行 ；三類壩不 安全，屬病險(xiǎn)水庫大壩。nHqiAi 1式中，H為綜合性能指標(biāo)；n為影響因素的個(gè)數(shù)；qi為各個(gè)影響因素的實(shí)際評 分值，(1 < qi <9) ； Ai為各個(gè)影響因素的權(quán)重值。10結(jié)語大壩的安全綜合評價(jià)是一個(gè)多層次、多指標(biāo)、多準(zhǔn)則的復(fù)雜問題，是一項(xiàng)意義重大又要求很高的工作，同時(shí)又要求有一定的投入。這就要求政府和業(yè)主給 于高度關(guān)心和重視，有關(guān)的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員付出艱辛的勞動(dòng)。讓有志 的同行們共同努力，把我國大壩安全評價(jià)的工作提高到更高的水平。參考文獻(xiàn)1李宗坤，周晶，鄭晶星。土石壩實(shí)測性態(tài)多 級模糊模式識別方法研究。水利學(xué)報(bào)，2003,(9): 83-87。2顧沖時(shí)，吳中如.大壩與壩基安全監(jiān)控理 論和方法及其應(yīng)用M.南京：河 海大學(xué)出版社，2006.3許樹柏.層次分析法原理M.天津：天 津大學(xué)出版社，1988.4黃海燕，麻榮永。大壩安全模糊風(fēng)險(xiǎn)分析初 探。廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2003, 28 (