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土石壩安全的集對(duì)分析-可變模糊集評(píng)價(jià)模型

文檔作者：劉亞蓮，胡建平文檔來(lái)源：廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年04月29日
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第42卷第11期
2 0 1 1年6 月
人 民 長(zhǎng) 江
Yangtze River
Vo1．42．No．11
June， 2011
文章編號(hào)：1001—4179(2011)11—0091—04
土石壩安全的集對(duì)分析一可變模糊集評(píng)價(jià)模型
劉亞蓮，胡建平
(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510635)
摘要：由于影響土石壩安全的不確定因素較多，使其安全評(píng)價(jià)非常復(fù)雜。用集對(duì)分析方法構(gòu)建樣本與評(píng)價(jià)標(biāo)
準(zhǔn)等級(jí)間的相對(duì)差異度函數(shù)，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算樣本隸屬于模糊集評(píng)價(jià)等級(jí)的相對(duì)隸屬度，按求得的相對(duì)隸屬
度評(píng)定級(jí)別，并計(jì)算級(jí)別特征變量值，據(jù)此確定大壩綜合安全等級(jí)。應(yīng)用該評(píng)價(jià)模型對(duì)廣東省白礤水庫(kù)進(jìn)行
了安全評(píng)價(jià)，得到了該工程屬于“二類壩”的結(jié)論，與實(shí)際情況較為符合。
關(guān)鍵 詞：集對(duì)分析；可變模糊集；安全評(píng)價(jià)；土石壩
中圖法分類號(hào)：TV314 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
土石壩是最古老、應(yīng)用最普遍的一種壩型，到目前
為止，我國(guó)已建成大、中、小型壩8．6萬(wàn)多座，其中
90％ 以上為土石壩，這些工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮
了巨大作用。然而，隨著大壩數(shù)量的增加、壩齡的增
長(zhǎng)，相當(dāng)一部分大壩存在著某些不安全因素，大壩失事
的潛在危險(xiǎn)在加大?？茖W(xué)合理地對(duì)這些建成已久的大
壩進(jìn)行安全分析和評(píng)價(jià)是確保大壩安全運(yùn)行的前提，
直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，受
到工程界的廣泛關(guān)注。何金平、吳云芳在建立大壩結(jié)
構(gòu)實(shí)測(cè)形態(tài)綜合評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)的層次
分析法對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行了安全分析 ；尉維斌、李珍
照將模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用于大壩綜合安全評(píng)價(jià)，建立了評(píng)價(jià)
模型 ；李雷、李君純等人初步提出了土石壩安全度
綜合評(píng)價(jià)的方法，根據(jù)可靠度理論分析了土石壩的失
效概率 -5 3；2000年水利部建設(shè)與管理司和大壩安全
管理中心聯(lián)合編制并發(fā)布了《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)
則》SL258—2000(以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》)，劉亞蓮、周翠英
依據(jù)《導(dǎo)則》，利用模糊層次分析法建立了土石壩安全
的層次結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)赤竹徑水庫(kù)土壩進(jìn)行了綜合安
全評(píng)價(jià) 。
盡管目前大壩安全評(píng)價(jià)工作已取得了一定的成
果，但評(píng)價(jià)理論還不夠成熟，還需要做進(jìn)一步的研究和
探索，特別是土石壩，由于其材料復(fù)雜，安全影響因素
眾多，安全分析評(píng)價(jià)工作尚處于摸索階段，分析理論和
方法都有待深入和完善。因此，本文基于對(duì)土石壩破
壞模式和失事機(jī)理的分析，參照《導(dǎo)則》，從系統(tǒng)性和
實(shí)用性的角度建立了大壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其評(píng)價(jià)
等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；依據(jù)集對(duì)分析原理，構(gòu)造可變模糊集的相對(duì)
差異度函數(shù)以建立土石壩安全的集對(duì)分析一可變模糊
集綜合評(píng)價(jià)模型，為土石壩安全評(píng)價(jià)提供新途徑。
1 集對(duì)分析基本原理
集對(duì)分析是趙克勤于1989年提出的一種系統(tǒng)分
析方法。其核心思想是把確定和不確定視作一個(gè)確定
不確定系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中將確定性分為“同一”與
“對(duì)立”兩個(gè)方面，將不確定性稱為“差異”，從同一性、
差異性和對(duì)立性3個(gè)方面來(lái)研究系統(tǒng)的不確定
性 。集對(duì)是指由一聯(lián)系的集合A和集合B構(gòu)成的
對(duì)子。集對(duì)分析理論的基本思路是 ：假設(shè)集合有Ⅳ個(gè)
特性，其中有Js個(gè)特性為兩個(gè)集合共同擁有，尸個(gè)特性
為兩個(gè)集合互相對(duì)立，其余 個(gè)特性關(guān)系不確定，則兩
個(gè)集合的聯(lián)系度為：
收稿日期：2010—12—02
基金項(xiàng)目：廣東省自然科學(xué)基金資助(07006119)
作者簡(jiǎn)介：劉亞蓮，女，副教授，博士，主要從事水利工程安全評(píng)價(jià)方面的研究。E—mail：liuyla306@163．corn
92 人 民 長(zhǎng) 江
J 十萬(wàn) + 。 bi cj (1)
【口+6+c=1
式中， 為聯(lián)系度；告為集合A與集合B的同一度，簡(jiǎn)
』V
r D
記為n； 為集合A與集合B的差異度，簡(jiǎn)記為b； 1為
兩集合的對(duì)立度，簡(jiǎn)記為c；i為差異標(biāo)記， 為對(duì)立系
數(shù)。聯(lián)系度 反映了兩集合同一、差異和對(duì)立三者之間
的關(guān)系。
同一、差異和對(duì)立三者之間可以相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)i=
1時(shí)，差異度轉(zhuǎn)化為同一度；當(dāng) =一1時(shí)，差異度轉(zhuǎn)化
為對(duì)立度；當(dāng)一1< <1時(shí)，差異度在同一度和對(duì)立度
中各占一定比例。
2 集對(duì)分析一可變模糊集綜合評(píng)價(jià)模型
土石壩安全的集對(duì)分析一可變模糊集評(píng)價(jià)模型是
首先將待評(píng)樣本的評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值或評(píng)價(jià)值與安全等
級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)集口 之間進(jìn)行集對(duì)分析，用同異反模
糊聯(lián)系度構(gòu)建可變模糊集的相對(duì)差異度，進(jìn)而計(jì)算相
對(duì)隸屬度和定量化評(píng)定樣本的安全類別。
2．1 土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)及類別標(biāo)準(zhǔn)集
2．1．1 土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)
土石壩常見失事模式一般有洪水漫頂沖刷、壩坡
失穩(wěn)、壩體變形、滲流破壞等。引起洪水漫頂?shù)闹饕?
因是壩頂高程不足、泄洪能力差或遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水而搶
險(xiǎn)能力不足，涉及工程等級(jí)及洪水標(biāo)準(zhǔn)的確定、設(shè)計(jì)資
料的準(zhǔn)確性及計(jì)算的準(zhǔn)確性等問(wèn)題；影響壩坡穩(wěn)定的
主要因素是土體的組成、土體的物理力學(xué)性質(zhì)、坡度及
洪水、地震等極端荷載；土石壩的變形主要與施工質(zhì)量
和壩基地質(zhì)條件有關(guān)；滲流破壞主要與壩基和壩身的
材料特性、防滲排水措施及接觸面處理情況等因素有
關(guān)，如新疆八～水庫(kù)潰壩是因新建泄洪涵洞與原壩體
接觸面處理不當(dāng)造成¨ 。本文根據(jù)土石壩失事模式
和安全影響因素，參照《導(dǎo)則》，選取工程質(zhì)量、運(yùn)行管
理、抗御洪水重現(xiàn)期、壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)、滲流安全、抗
震安全和金屬結(jié)構(gòu)安全為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
2．1．2 土石壩安全評(píng)價(jià)類別標(biāo)準(zhǔn)集
土石壩安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《導(dǎo)則》，將各指標(biāo)安全
等級(jí)分為A、B、C三級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《導(dǎo)則》中各標(biāo)
準(zhǔn)，例如，根據(jù)《導(dǎo)則》中表B．1，3級(jí)土石壩防洪大壩
安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為，[ ：洪水重現(xiàn)期(年)≥ 1 000]、[ ：
500≤ 洪水重現(xiàn)期(年) <1 000]、[C：洪水重現(xiàn)期
(年)<500]；根據(jù)《導(dǎo)則》中表B．2—1，三級(jí)土石壩
結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為，當(dāng)采用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算壩坡
穩(wěn)定安全系數(shù)k時(shí)，正常運(yùn)用條件下[A：k≥ 1．43]、
[B：1．26≤ k<1．43]、[C：k<1．26]；非常運(yùn)用條件
下[A：k≥ 1．32]、[B：1．16≤ k < 1．32]、[C：k <
1．16]。對(duì)于工程質(zhì)量、運(yùn)行管理等定性指標(biāo)，先由專
家根據(jù)《導(dǎo)則》中標(biāo)準(zhǔn)打分，然后按照85分以上為A、
60～85分為 、60分以下為C的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
大壩綜合安全評(píng)價(jià)參照《導(dǎo)則》中大壩安全評(píng)價(jià)
等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將大壩綜合安全分為“一類壩，二類
壩，三類壩”三級(jí)，分別代表“大壩安全可靠，能按設(shè)計(jì)
正常運(yùn)行；大壩基本安全，可在加強(qiáng)監(jiān)控下運(yùn)行；不安
全，屬病險(xiǎn)水庫(kù)大壩”。
2．2 評(píng)價(jià)樣本與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)之間聯(lián)系度
2．2．1 單指標(biāo)聯(lián)系度計(jì)算
將土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)_『(．『=I，2，? ，7)與評(píng)價(jià)
標(biāo)準(zhǔn)等級(jí) ( =1，2，3)作為兩個(gè)集合構(gòu)成一個(gè)集對(duì)，
用集對(duì)分析方法就兩個(gè)集合的接近性作同異反的定量
分析，其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為，當(dāng)土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo) 的實(shí)測(cè)
值(或評(píng)價(jià)值)與某評(píng)判等級(jí)k處于同一等級(jí)內(nèi)時(shí)，指
標(biāo) 與評(píng)價(jià)等級(jí)k之間的單指標(biāo)聯(lián)系度 =1；處于相
隔的等級(jí)時(shí)， =一1；若處于相鄰的等級(jí)，則 ∈
[一1，1]。對(duì)于3個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其具體計(jì)算公式如
下：
(1)隨著評(píng)價(jià)指標(biāo) ，的增大，安全評(píng)價(jià)等級(jí)增大
時(shí)，其聯(lián)系度可用(2)～(4)式計(jì)算
／Zjl
l
1—2 二
S 2J— Slj
一1
sli一 i
1 一 2
s i — s
!
1—2蘭二
s3J — s2J
一1
s2j — x i
1 ——2 ．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．
一S
1
≤ S1
sl < < (2)
≥
Xi < s、i
s ≤ ≤ (3)
> s
≤ l，
sl』< < (4)
≥
式中， ，為評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值； s s ，s，f分別為各指
標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的起始值和分界值，且滿足：s。 <53><
，
< S 2J
． ≥ 82j
，
< Slj
J
≤ J ≤ s
式中， (i=1，2，? ，n)為所求的權(quán)重值； 為判斷矩
， 陣中的元素值，表示從某判斷準(zhǔn)則考慮，因素 相對(duì)于
因素i的重要性；n為某一判斷準(zhǔn)則的影響因素。
2．2．3 綜合聯(lián)系度五 計(jì)算
(6)
1 —2 L二 z
，
> s2，
53j — s
1
，
≤ SIJ
1—2 sU< ，< (7)
s2j — SlJ
一1
J
≥ S zJ
2．2．2 評(píng)價(jià)因素權(quán)重的確定
影響土石壩安全的因素很多，各因素在土石壩安
全評(píng)價(jià)體系中的地位、作用不等。為了使評(píng)價(jià)結(jié)論更
合理，需要確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。SL258—2000《水
庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中，各項(xiàng)指標(biāo)取等權(quán)重，不符合
實(shí)際情況。本文采用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重 。
(1)首先依據(jù)《導(dǎo)則》構(gòu)建水庫(kù)安全評(píng)價(jià)層次結(jié)
構(gòu)模型，見圖1。
(2)采用1～9標(biāo)度法，以上一層某一要素為評(píng)價(jià)
準(zhǔn)則對(duì)下一層要素進(jìn)行兩兩比較，確定各判斷矩陣的
元素值，建立判斷矩陣。
(3)按式(8)確定同一層各元素對(duì)于上一層某元
素的相對(duì)重要度的排序權(quán)值，并檢驗(yàn)備判斷矩陣的一
致性。
n 1
(丌 )
∞，= —一 (8)
Σ(兀 )
五 ：Σ (9)
式中，m為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)，土石壩安全評(píng)價(jià)依據(jù)《導(dǎo)則》
SL258—2000，選取工程質(zhì)量、運(yùn)行管理、抗御洪水重現(xiàn)
期、壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)、滲流安全、抗震安全和金屬結(jié)
構(gòu)安全為評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此，m =7。
2．3 土石壩安全綜合評(píng)價(jià)模型
由式(9)可知， ∈[一1，1]，當(dāng) 等于或接近于
一1時(shí)，說(shuō)明評(píng)價(jià)樣本與評(píng)價(jià)等級(jí)k之間的差異性很
大，即樣本不屬于等級(jí)k，應(yīng)屬于其他等級(jí)；反之，如果
五 等于或接近于1，則說(shuō)明評(píng)價(jià)樣本屬于評(píng)價(jià)等級(jí) 。
因此，五 可以看作是模糊集評(píng)價(jià)等級(jí)k的一種相對(duì)差
異度，由可變模糊集評(píng)價(jià)理論可知，其相對(duì)隸屬度為：
(10)
根據(jù)式(10)計(jì)算的相對(duì)隸屬度，即可以按最大隸
屬度原則確定樣本的安全等級(jí)。為了避免應(yīng)用最大隸
屬度原則造成判定失真，采用了特征值q 來(lái)定量化評(píng)
定結(jié)果 ，計(jì)算公式為：
gg == Σk： l Jj} Il＼V k J l=
式中， 為歸一化后的相對(duì)隸屬度。
為了進(jìn)一步提高安全評(píng)價(jià)等級(jí)的準(zhǔn)確性，可以采
用置信度準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)價(jià) ，其評(píng)價(jià)等級(jí)為：
min{ lΣ ，≥A，1≤A≤K} (12)
i= J
圖1 土石壩安全評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型
94 人 民 長(zhǎng) 江
式中，A為置信度，取值一般在O．5～0．7之間。取值 文獻(xiàn)[6]用層次分析法得各指標(biāo)的權(quán)重分別為：
越大，評(píng)價(jià)結(jié)果越傾向于保守 。0．11，0．12，0．19，0．18，0．17，0．12，0．11。由式(9)計(jì)
3 工程實(shí)例分析
白礤水庫(kù)位于廣東省河源市東源縣，距河源城54
km，其地理位置在北緯24。l0 ，東經(jīng)115。O0 。壩址座
落在新豐江支流燈塔河上游的下礤山峽谷處，水庫(kù)集
雨面積23．2 km ，是一座以為灌溉為主，兼有防洪、發(fā)
電、養(yǎng)殖等綜合功能的中型水庫(kù)，在山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起
到了極為重要的作用。樞紐工程有大壩、溢洪道、輸水
管、壩后電站廠房等。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)
別為3級(jí)。大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，設(shè)計(jì)洪
水位高程78．72 m，相應(yīng)庫(kù)容1 030萬(wàn)m ；校核洪水標(biāo)
準(zhǔn)1 000 a一遇，校核洪水位79．70 m，總庫(kù)容1 083萬(wàn)
／lCl ；正常蓄水位75．0／lC／，相應(yīng)庫(kù)容833．4萬(wàn)m ；死水位
48．4 In，相應(yīng)庫(kù)容26萬(wàn)m 。工程于1964年6月動(dòng)工
興建，至次年4月大壩按設(shè)計(jì)基本建成，并開始渠系配
套，于1972年基本完成。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂總長(zhǎng)
度126 m，壩頂寬5．0 m，壩頂高程81．7 m，最大壩高
42．7 In，上游坡為干砌石護(hù)坡，下游坡為草皮護(hù)坡并設(shè)
有排水濾體。壩體斷面如圖2所示。現(xiàn)場(chǎng)檢查的問(wèn)題
有：右壩頭上游坡嚴(yán)重漏水、溢洪道底板伸縮縫漏水、
涵管嚴(yán)重漏水。正常運(yùn)用情況下，本工程各指標(biāo)的評(píng)
價(jià)值及3級(jí)土石壩安全分類標(biāo)準(zhǔn)分別見表1和表2。
由式(2)～(7)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的聯(lián)系度 見表3。
表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算值f或評(píng)分值)
客套
工程質(zhì)量
；
^ ≥85
8 60—85
C ≤ 60
≥85 ≥ l000 ≥ 1．43 ≥85 ≥85 ≥85
60—85 500—1009 1．26 1．43 6O一85 60—85 60—85
≤ 60 ≤500 ≤ 1．26 ≤ 60 ≤60 ≤60
表3 單指標(biāo)聯(lián)系度
算得各等級(jí)的綜合聯(lián)系度分別為：五 =0．047 6，五 =
0．988 6， c=一0．047 6。由式(10)計(jì)算得該工程屬于
“
一類壩、二類壩、三類壩” 的相對(duì)隸屬度分別為：
0．524，0．994，0．476，按最大隸屬度原則確定該工程為
“二類壩”。歸一化后的相對(duì)隸屬度分別為：0．262 6，
0．498 6，0．238 8。由式(11)計(jì)算得該工程的級(jí)別特征
值為2．024。在置信度取0．6的情況下得到的級(jí)別特征
值為2級(jí)(二類壩)。按《導(dǎo)則》中方法確定該工程為
“三類壩”，因?yàn)椤秾?dǎo)則》中規(guī)定只要一項(xiàng)為“C”，工程
就確定為“三類壩”，且《導(dǎo)則》中沒(méi)有考慮各指標(biāo)的權(quán)
蕈。
4 結(jié)語(yǔ)
土石壩安全問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的不確定的系統(tǒng)問(wèn)
題，其安全影響因素很多，且各因素具有很多不確定
性，使得其安全評(píng)價(jià)非常復(fù)雜。本文嘗試將集對(duì)分析
和可變模糊集方法相結(jié)合，用集對(duì)模糊聯(lián)系度構(gòu)建可
變模糊集的相對(duì)差異度，以此建立土石壩安全的集對(duì)
分析一可變模糊集評(píng)價(jià)模型，使評(píng)價(jià)結(jié)論更客觀、更具
合理性。并將此方法應(yīng)用于工程實(shí)例，為土石壩綜合
安全評(píng)價(jià)提供了一條新途徑。
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