基于层次分析法的土坝安全病害评价方法研究

基于层次分析法的土坝安全病害评价方法研究

1系统计算方法不完善和评价尺度不明确1995年，外交部发布了《水库安全评估方法》（以下简称《办法》），并于1996年在湖南省黄石市召开了一次试点。《办法》对大坝洪水复核标准、抗震复核、结构稳定和渗透稳定分析,都有具体的计算方法和要求,但对大坝存在的病害缺陷评价只作了一些条文上的规定,没有具体要求,其评价尺度由各地自己掌握,具体操作由有关单位根据规范规定和实际经验进行理论计算和定性评价,主要是采用一些自己制定的简单模型进行定性评估,人为主观因素较大,难免存在工作深度不够,分析评价不够确切,甚至出现误判现象。不同的专家组难免做出不同的评价结果,甚至相反的结论。2土坝安全病害评估方法由于导致土坝病害因素的不确定性,目前很难用比较客观的方法进行评估。本文根据层次分析理论,将抽象化的、难以定量测量的影响土坝安全的指标逐层分解为现代检测技术手段可以做出分析的各项指标,建立土坝安全病害缺陷指标评价的逐阶层次结构思路,提出一种不确定性数学的定性与定量相结合的模糊评估方法。2.1土坝安全性评估指标体系以土坝的安全性为评估的总目标,依据土坝病害缺陷对大坝安全的影响,划分子目标(结构变形稳定性指标、渗透变形稳定性指标)与总目标相关联,而评估目标的主要影响因素只对各子目标负责,对主要影响因素的反映是通过便于量化和描述的直接评价指标来完成。根据上述对土坝病害缺陷的剖析,土坝安全性评估指标体系如图1所示。由图1可以明显看出,本指标体系由三个层次组成:第一层为评估总目标,是对建筑物的总要求;第二层为评估子目标,是对建筑物功能的要求;第三层是评估指标层,是便于量化和直接定性描述的评价指标。2.2水库大坝灾害损失评估标准和分类2.2.1大坝安全评估等级评估等级标准与现行有关鉴定规范相一致,本文采用划分等级标准的方法对土坝病害缺陷和土坝安全性的影响进行等级评定。将评估总目标、子目标和评估指标划分为A、B、C三个等级,以便与大坝安全类别相对应。评估总目标(土坝的安全性)、评估子目标(结构变形稳定性、渗透变形稳定性)的等级根据递阶模糊综合评判的计算值与各等级临界判断标准确定,评估指标则根据现场检测或水库现有档案资料记录而得出的指标评估值或有关描述按以下标准评定等级:A级:符合国家现行规范要求,基本不存在病害缺陷问题;B级:低于符合国家现行规范要求,存在一定的病害缺陷问题,对大坝正常运行有一定的影响;C级:与国家现行规范要求相差很大,存在严重的病害缺陷问题,严重影响大坝正常运行;各等级赋值如表1。2.2.2评估指标的等级分类(1)规范设计和设计要求方面在正常条件下,土坝在承受各种设计荷载作用时,其结构变形定性应不低于规范和设计要求。土坝的结构变形稳定性,在设计荷载作用下,主要与筑坝材料、施工质量、地质构造等8项因素有关,如果在土坝设计、施工时对上述因素考虑不周,其结构变形稳定性就会降低。(2)对渗流变性的影响在正常设计挡水条件下,坝体浸润线、渗透量均在设计或规范规定范围内,渗水清澈,不含土壤颗粒。土坝的渗透变形稳定性指标主要与防渗体的防渗性能、施工质量、渗径、坝后排水体的排水性能、坝基透水的地基处理、地基构造突变、水平铺盖的防渗性能、坝体与周边及坝基结合面的处理等12项因素有关。如果在设计、施工时对上述因素未予考虑或考虑不周,其渗透变形稳定性就会降低。根据规范要求,制定以上影响土坝结构变形稳定和渗透变形稳定的20项指标评估标准见表2。2.3结构变形稳定的影响因素对影响土坝结构变形稳定和渗透变形稳定的各个因素,无法从理论上精确的分析其影响程度。本文通过参阅大量土坝破坏和失事资料,认为土坝坝体施工质量问题是影响土坝结构变形的最重要因素,其次是软弱地基处理,再次是筑坝材料、大坝加高培厚新老坝体的结合程度等;影响土坝渗透变形稳定的最重要因素是透水地基的处理,其次是坝下埋管的处理、防渗体分层分段施工质量、防渗材料性能等,再次是地质构造突变、坝体与岸坡或刚性建筑物的连接等。经对以前众多已经专家鉴定过的典型水库安全鉴定资料试算验证并反复调整后,提出了结构变形稳定的各项因素权重系数表,供广大同行专家参考,并欢迎提出修改意见。各子目标、评估指标权重系数见表3～表5。2.4评估土壤和水库灾害脆弱性的临界标准根据各评估指标评估结果级别赋值和各因素权重系数总和得出土坝病害缺陷评估值,对照表6,确定土坝病害缺陷评估等级。3大坝安全鉴定评估历程山东省莒县青峰岭水库总库容4.01×108m3,兴利库容2.69×108m3,死库容116×104m3。该水库于1959年11月动工兴建,1960年7月建成蓄水,是一座以防洪为主,结合灌溉、发电、养殖等综合利用的大(2)型水库。枢纽工程由主坝、副坝、溢洪道、放水洞及发电站组成。山东省水利厅于2000-07-02邀请水利部大坝安全管理中心、淮委及省内有关检测设计单位专家组成大坝安全鉴定专家组,按照水利部《水库大坝安全鉴定办法》有关规定对大坝进行安全鉴定,得出了该坝为三类坝的鉴定意见。现根据本文所述层次模糊评估法对该水库大坝进行重新鉴定,各评估功能所属评估因素的评估值见表7。由表7所得各评估功能子目标权重分值和表3所示各子目标层权重系数表,可得出青峰岭水库大坝层次模糊评估值为:1.547×0.4+1.586×0.6=1.570,对照表6所示各等级计算评估值范围,可得出青峰岭水库大坝质量评定等级为C级的结论,与水利部大坝安全管理中心等评定单位按照《水库大坝安全鉴定办法》所得鉴定结论完全符合。4水库采用专家鉴定结论将文中所述技术应用到山东省已经通过专家安全鉴定的沐浴水库、日照水库、青峰岭水库、马河水库、西苇水库、黄前水库等6座典型水库中进行检验,用该方法评价的结果与专家鉴定结论基本相符。采用该技术可较好地消除主观人为因素对