大坝安全评价.docx

大坝安全评价方法综述摘要:国内外水库安全评价技术与方法主要分为传统的定性准则法和综合评价分析法，综合评价分析法有综合评分法，层次分析法，风险评估分析法和模糊综合评价法等。工程安全等级分为3 级: A 级为安全可靠，能按设计条件安全运行; B 级为基本安全，但有缺陷，可在加强监控的条件下运行; C 级为不安全，存在病险隐患。最后综合各专项安全性级别对大坝分类，专项安全性级别均达到A 级的为一类坝; 专项安全性级别达到A级或B 级的为二类坝; 专项安全性级别有一项以上达到C 级的为三类坝。关键词:安全评价; 风险分析; 病险水库前言我国现有8.7 万余座水库，大多建于20 世纪5070年代，限于当时的经济社会条件制约，普遍存在防洪标准低、工程质量差等缺陷，加上长期维修养护不够，其中约40%为病险水库。病险水库不仅不能正常发挥效益，而且存在很高的溃坝风险，严重威胁下游公众安全与经济社会的可持续发展，因此对病险水库定期开展水库安全评价工作至关重要。正确的大坝安全评价是充分发挥工程效益、降低工程风险和提高工程除险加固措施针对性的必然要求。1 模糊综合分析法模糊数学将数学引入具有模糊现象和模糊概念的各个知识领域中，其关键在于寻求适当的数学语言来描述事物的模糊性。基于模糊数学方法的综合评价通过构建评价对象指标集与评价集之间的函数关系，计算各评价指标所属隶属度，建立模糊矩阵，确定各评价指标权重，最后对模糊矩阵与权重进行模糊运算并归一化处理，得到综合评价结果。1.1 确定目标集和评价集大坝模糊综合分析的目标集采用水库大坝安全评价导则的7 个单项，评价集一般采用五级法，其等级用符号表示为: V1，V2，V3，V4，V5，依次代表恶性异常、重度异常、轻度异常、基本正常、正常。各项因素的评价语为: ( V1，V2，V3，V4，V5) = ( v1，v2，v3，v4，v5) 。其中: 0 vi l 表示对上述等级的隶属。大坝的因素层指标可以分为定量指标和定性指标两类，对于定量指标采用“升半梯形”隶属函数确定指标的隶属度。11.2 综合评价根据权向量W 和模糊评价值矩阵R ，采用模糊综合评价的基本公式为:B = WR式中，运算符“”为模糊数学中的模糊算子，当W 表示权向量时，上式代表普通矩阵乘积运算2。计算时，从最底层( 因素层) 开始，逐层向上综合，最终得到最顶层的目标集向量。如果目标集不满足归一化条件，需进行归一化处理。最后可根据总体评价值，按最大隶属度原则确定大坝安全的总体结论。2风险评分法风险分析既需要考虑水文、地质、材料、荷载的时空变异性，同时也要考虑到其他非传统因素，如人为差错、机械故障、上游水库失事等随机事件可能给大坝安全造成的威胁。美国垦务局( USBR) 推荐使用现场评分( site rating)法来衡量水库大坝的风险，它是在美陆军工程师团Hagen 的启发下形成，按下式计算:式中，为第i 因素的评分值。3所考虑的风险可分两类: 潜在险情，包括库容、水头、隐患、洪水和地震等因素。将各因素构成的险情分成低、中、高、极高4 级，各级从低至高相应赋予风险值。工程的SR 值越高，则表明该工程越危险。大坝病险，包括工程龄期、建筑质量、渗流态势和结构安全等因素; USBR 把风险分析和评价视为改进安全管理的一种手段，看作是大坝管理的一部分。他们把大坝风险评价作为一种决策工具，以便指导资金往风险最大的工程上投入。为了保证大坝不会出现威胁公共安全、财产和社会安全的不可接受的风险，USBR 建立了大坝安全管理程序，通过比较不同荷载作用所导致的风险和不同大坝间的风险，对产生不可接受风险的大坝进行确认，并采取有效的、费用合理的适当措施降低或消除这些风险。21 综合风险指数法综合风险指数法针对大坝安全三大相互独立的因素进行分析，大坝风险评估指数，由环境因素、工程结构因素与综合影响系数的乘积组成。式中，i为环境因素，包括地震、库岸塌滑、洪水、水库调节能力、环境侵害等5 项; j为工程结构因素，包括结构可靠性、坝基优劣、防洪设施安全性、工程管理维修好坏等4 项; k为溃坝损失因素，包括水库库容、洪泛区可能损失情况等。以上各种风险均按低、中、高三级风险划分，每一级又细分为两级，也就是将风险共细分为6 级，每级1分，每一因素最低风险值为1，最高风险值为64。分值愈高，水库大坝愈危险。这种风险指数法计算简单，可操作性强，可用于定性风险分析。22总体安全度法我国水利部大坝安全管理中心在借鉴国外风险分析方法的前提下，于1990 年提出了水库大坝总体安全度( SD) 法及相应的安全度判别标准，并提出了计算方法和计算程序，将总体安全度定义为: 式中，Ps为某一水库大坝的工程安全度; 为水库的社会经济影响因子5。关于大坝工程安全度的分析，按大坝的防洪、抗滑、抗裂、抗渗、抗震及抗生物破坏共6 个方面进行计算，认为其中任何一项功能失效，都将造成坝工结构的整体破坏，因此工程安全度可表达为:式中，Pfi是第i 项功能的失效概率，Psi是第i 项功能的可靠度。根据水库大坝总体安全度SD，参考水库大坝安全度评判标准，得出水库大坝的风险程度6。这种方法理论上可将水库大坝的安全度予以量化界定，既以结构安全的可靠度为基础，又考虑了工程的社会及经济等影响，其应用代表了我国水库大坝安全评价从定性准则分析向定量风险分析的转化和探索。3传统的定性准则法我国目前在大坝安全评价还沿用传统的基于确定性准则的方法，即通过大坝安全定期检查，诊断出大坝存在的缺陷，定性鉴定大坝的安全等级。目前我国水库大坝安全评级体系是以水库大坝安全管理条例( 1991 年) 、水库大坝安全鉴定办法( 水建管2003271 号) 为依据，以水库大坝安全评价导则( SL258 2000) 为指导，根据现行设计和施工规范并结合现场质量检测和地质勘察等资料分别对水库大坝进行防洪标准和防洪能力复核、结构安全复核、抗震能力复核、渗流稳定及金属结构安全复核等，并通过定量或定性分析进行分级。水库大坝安全影响因素综合评价是指通过有针对性的评价方法对大坝安全的多层次、多目标结构系统作出综合评价，主要包括大坝安全影响因素评价指标集的确定、评价体系的构建、安全综合评价方法的选取。综合评价分析方法主要有下述几种。3.1综合评分法大坝安全综合评分法是选择行业内经验丰富的专家组先分别按不同指标的评价标准对大坝的各项评价指标进行评分，然后采用加权相加，求得总分7。总分越高，表明水库病险程度越严重。综合评分法主要针对大坝运行管理资料情况和特点，从失事后果与大坝失事模式和建筑物病险程度两个主要方面进行评价，从水库溃决受险群众、水库防洪标准、大坝渗流安全性、大坝结构安全性、泄洪建筑物性能以及其他特殊情况等6 个评分项分别进行评分，然后根据各评分项的赋分值( SRi，i= 1，2，6) ，求和得到病险水库大坝的总分值ZSRi，具体见下表，依据分值高低来确定大坝的病险程度。 大坝安全综合评分 评价项目满意病险程度较低病险程度中度病险程度严重受险群众0200300400防洪标准02065145渗流安全02065145结构安全02065145泄洪建筑物02065145特殊情况02065145表中6 个评分项的涵义如下:( 1) 渗流安全。主要考虑与坝体或坝基渗漏、管涌有关的各种问题，包括坝体或坝基内存在或正在发展的裂缝或其他潜在的水流通道。( 2) 受险群众。受险群众指在设计洪水条件下( 包括泄洪洞和溢洪道的下泄流量) ，如不进行人员转移，将处于洪水淹没区的人员数量，这方面资料主要基于溃坝洪水资料分析而得出。( 3) 水库防洪标准。根据洪水大小来核算能否满足防洪标准要求，按可能最大洪水的百分比表示。( 4) 泄洪建筑物。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决定了此分项的评分。 ( 5) 结构安全。主要是大坝的静力稳定性和抗震稳定性，最不利状况( 例如静力稳定或地震稳定) 决定了此评分项的评分。相对于可能因地震而失稳的病险，“严重”和“非常严重”病险评分项只用于静力荷载条件下的状态描述。8( 6) 其他特殊情况。主要指工程存在的一些特殊病险，包括: 库区可能滑坡或坍塌，水库区局部的地面沉陷，溢洪道过流时侵入坝体可能造成的危害。因此本项允许评分人针对这类特殊情况赋予相应的分值。3.2 层次分析法安全评价信息包括水文、地质、大坝结构、材料、流域和地形、运行管理和安全监测等信息，通过数值仿真、模型实验、实测资料分析、信息融合最终获取大坝安全状态参数。目前常用的综合评价方法主要有层次分析法(AHP)、模糊综合评价法、模糊可靠度和和模糊灰色综合评价法等。常用的准则有强度和屈服准则、断裂力学准则、损伤力学准则、稳定准则、能量准则、熵准则、突变理论准则等。根据大坝风险度的不同，大坝安全评价方法依次划分为（1）确定性评价：从力学、物理和逻辑规律等方面对大坝进行安全评价，不考虑非线性和不确定性，即认为满足设计、施工和运行规范要求的大坝就是安全的。（2）安全风险评价：将水文、水力、地质、结构、材料、等作为随机变量，同时结合具体的政治、经济和社会环境，考虑到其它可能影响大坝安全的非传统因素，结合相应损失的大坝安全评价方法9。（3）不确定性评价：全面考虑大坝安全影响因素和评价标准的不确定性以及信息的不完整性的大坝安全评价方法，主要包括模糊可靠度评价、模糊灰色评价和基于盲数理论的综合评价方法等。（4）考虑结构寿命和可修复性的不确定性评价：将大坝系统作为一个动力系统，考虑大坝系统初始损伤和损伤发展、结构和材料老化、可修复性风险等方面，从大坝系统的损伤累积、材料和结构的老化速度和外部环境的变化趋势等方面估计结构的剩余寿命，使人们对大坝安全的现状、成因和发展趋势获得全面了解的评价方法。大坝安全的综合层次分析法从传统评价体系中7个单项Ai( i = 1 7) 中划分出影响单项的重要因素Aij( j = 1 3) ，采用层次分析法分层权重计算，确定评价准则( 隶属函数) ，计算单项因素隶属度，得出大坝安全综合评价定量指标。其主要步骤如下。3.2.1 建立层次结构模型根据水库大坝安全评价导则，将把影响水库大坝工作状态的因素逐级分解为递阶层次结构，如图2所示。在建立了递阶层次模型后，通过专家调查的方式，即可获得各层次的两两比较判断矩阵，再通过一系列数学运算可求出各指标的权重3。3.2.2 量化评价集确定评价体系中单项因素Aij的评价标准。按照各专项的安全性分为1、2、3 级，1 级为安全可靠; 2 级为基本安全，但有缺陷; 3 级为不安全，并采用T LSaaty 建议的0 9 指标量化等级标准进行评价。3.2.3综合性能指标层次分析法为了使指标体系中的指标的不同状态具有统一衡量标准，需要给指标体系中的指标划分等级，事先给定等级标准，使不同工程之间具有可比性，综合性能指标计算见下式。大坝最终的安全性能分为3 类，一类坝安全可靠，能按设计正常运行; 二类坝基本安全，可在加强监控的条件下运行; 三类坝不安全，属病险水库大坝。式中，H 为综合性能指标; n 为影响因素的个数; qi为各个影响因素的实际评分值，( 1 qi 9) ; Ai为各个影响因素的权重值。10结语大坝的安全综合评价是一个多层次、多指标、多准则的复杂问题, 是一项意义重大又要求很高的工作, 同时又要求有一定的投入。这就要求政府和业主给于高度关心和重视, 有关的专家学者和工程技术人员付出艰辛的劳动。让有志的同行们共同努力, 把我国大坝安全评价的工作提高到更高的水平。参考文献1 李宗坤，周晶，郑晶星。土石坝实测性态多级模糊模式识别方法研究。水利学报，2003，（9）：83-87。2 顾冲时，吴中如 大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用M 南京: 河海大学出版社， 20063 许树柏 层次分析法原理M 天津: 天津大学出版社， 1988 4 黄海燕，麻荣永。大坝安全模糊风险分析初探。广西大学学报（自然科学版）2003，28（1