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大壩安全量化評價模型研究

文檔作者：張計林水生饒錫保文檔來源：長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室		點擊數：	更新時間： 2021年05月23日
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第3 0卷第2期
2 0 1 3年2月
長 江科 學 院 院報
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute
V01．30 No．2
Feb． 2 0 l 3
DOI：10．3969／j．issn．1001—5485．2013．02．003
大壩安全量化評價模型研究
張計。林水生，饒錫保
(長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢430010)
摘要：如何實現(xiàn)大壩各單項評價由定性評價到量化評價的轉化是大壩安全量化評價技術研究的關鍵點。通過研究
大壩安全性態(tài)特點，首先確定大壩安全程度的特定量化評價值，然后結合數學分析工具Matlab，非線性擬合確定了
基于Logistic生長曲線模型的大壩安全評價量化評價模型，精確擬合出量化評價參數，擬合決定系數達到0．998 6，
實現(xiàn)了大壩安全單項指標評價由定性到量化的轉變。
關鍵詞：大壩；安全評價；量化評價模型
中圖分類號：TV321 文獻標志碼：A 文章編號：1001—5485(2013)02—0012—04
1 研究背景 2 大壩安全量化評價模型
我國現(xiàn)有的大壩安全評價體系¨ 經過多年的
應用，在我國大壩安全管理和除險加固中起到了較
大的作用。但是該評價方法主要以定性評價為主，
而且3級分級偏粗，雖然可以滿足區(qū)分大壩是否安
全，但還不能滿足安全程度判斷的需要。隨著我國
病險水庫除險加固的不斷深入和綜合評價技術的不
斷完善，目前的大壩安全評價技術已不能滿足要求，
應該在現(xiàn)有基礎上進行進一步完善，實現(xiàn)大壩安全
的量化評價。
大壩安全評價是一項非常復雜的系統(tǒng)評價項
目，需要對大壩多個單項指標進行評價后最終得到
大壩的綜合評價，因此，如何實現(xiàn)大壩各單項評價由
定性評價到量化評價的轉化是大壩安全評價量化評
價技術研究的關鍵。
國內外已有一些學者進行了大壩安全量化評價
技術研究，南京水利科學研究院李雷等人就提出了大
壩性態(tài)危險程度判別模型 j，實現(xiàn)了大壩性態(tài)危險
程度由定性向量化的轉化。但該模型在確定模型參
數時，是采用的先隨機確定一些模型參數，再根據各
模型的特點去尋找與大壩安全性態(tài)較為接近的一種
模型，在模型參數的確定上具有一定的局限性。本研
究首先根據大壩安全性態(tài)特點確定出大壩安全程度
的特定量化評價值，然后結合數學分析工具，非線性
擬合確定了大壩安全程度評價模型的參數，較為精確
地提出了大壩安全評價的量化評價模型。
項目評價由定性向量化的轉變，較簡單常規(guī)的
方法為評分法，即將評價等級進一步細化，根據判別
標準，將每個等級采用一定的分值表示。但是，評分
法不一定能很好地滿足所評價對象的變化規(guī)律，因
此，通過評分法可以說是一種由定性向定量的轉變。
要實現(xiàn)由定量至量化的轉變，還應根據該評價對象
的具體特性，研究出量化評價模型，將評分值轉化為
能滿足評價對象變化規(guī)律的量化評價系數。
2．1 大壩安全評價定量判別
現(xiàn)有的大壩安全評價技術在各單項指標評價方
面均是分為3個等級，只能較為粗略地定性判斷安
全程度，為了更加精確地對各單項指標進行評價，可
將其進一步細分為安全、基本安全、不安全、很不安
全與極不安全5個等級，安全程度由高到低可采用
10～0的分值連續(xù)表示，定性評價等級與評分對應
表見表1。
表1 定性評價等級與評分對應表
Table 1 Definitions and scales of qualitative
evaluation levels for dam safety
：：堡 查 型 坌
安全 各種安全系數與評價標準均超過規(guī)范要求8．0
基本安全各種安全系數與評價標準滿足規(guī)范要求 6．0
不安全部分安全系數或評價標準不滿足規(guī)范要求4．0
很不安全簍 茬畬委 紫評價標準不滿足規(guī)范要求'一 2．0
極不安全 茬畬螽 紫評價標準不滿足規(guī)范要求’較 o．0
收稿日期：2012—08—25
基金項目：國家十一五科技支撐計劃課題“病險水庫除險加固關鍵技術研究”(2006BAC14B04)
作者簡介：張計(1978一)，男，湖北武漢人，工程師，主要從事巖土工程研究工作，(電話)18971081016(電子信箱)18971081016@189．cn。
第2期 張 計等 大壩安全評價量化評價模型研究 l3
2．2 大壩安全程度變化特性
通過評分法完成了大壩安全評價由定性向定量
的轉化，而大壩安全程度變化過程應該是一個動態(tài)、
非線性變化過程，僅僅用評分法的線性規(guī)律還不能
完成反映大壩安全程度變化規(guī)律。大壩及其各分項
工程安全程度變化規(guī)律主要有以下幾點：
(1)穩(wěn)定階段。當安全程度為安全時，表明運
行狀態(tài)較為平穩(wěn)。
(2)平緩變化階段。當安全程度為基本安全時，
有2層含意：一方面可以認為雖然局部有些問題，但
不會影響到大壩的安全，在加強監(jiān)控條件下可以正常
運用。另一方面說明了大壩性態(tài)已經發(fā)生了局部的
不正常，對大壩安全程度的影響已經在加大了。
(3)急劇發(fā)展階段。在不安全階段，大壩安全
狀態(tài)很快發(fā)展。即使只有一處發(fā)生了明顯的嚴重問
題，大壩已不能正常使用，在洪水或其它條件下可能
發(fā)生較大的事故。此時大壩安全程度快速減小。
(4)在很不安全階段，危險性很大。很不安全
性態(tài)說明多處發(fā)生了明顯的問題，大壩安全程度較
低。
(5)極不安全階段，隨時可能出現(xiàn)嚴重險情，大
壩安全程度很低。
綜上所述，大壩安全程度變化關系類似于一條
s形曲線。第1和第5階段，狀態(tài)較為平穩(wěn)，其它階
段，發(fā)展變化較快。
2．3 安全量化評價模型
根據對大壩安全程度變化特性的分析，大壩安
全性態(tài)變化非常類似于Logistic生長曲線的特征。
Logistic模型常用表達式如下：
= —
Y ，， ￡∈(一∞，+∞)。(1)
式中a，b，c表示參數。
現(xiàn)用安全程度系數F來表示大壩安全程度，
表示大壩安全程度評分，因此， 的取值范圍為(0，
10)，F(xiàn)采用(0，1)表示，F(xiàn)值越接近1表示大壩安全
程度越高，將(1)式自變量進行轉換t：一10+2 ，
讓模型滿足F與 值取值范圍，提出大壩安全評價
量化評價模型基本式如式(2)。
F= _ 麗， ∈(0，10)。(2)
根據大壩安全程度變化特點，取s 二s 表示各
區(qū)間安全程度系數變化幅值，假定5個變化幅值前
后對稱，且成倍數關系，即：第1與第5階段狀態(tài)較
為平穩(wěn)，取S =S =0．1；第2階段與第4階段狀態(tài)
變化稍有加快，取發(fā)展速率為第1階段2倍，S：=
0．2；第3階段為狀態(tài)變化最為急劇階段，取發(fā)展速
率為第2階段2倍，S =0．4。由此大壩安全評價量
化評價模型的關鍵點評分與安全程度系數對應情況
見表2。
表2 安全程度系數與評分對應表
Table 2 Safety level factor F and corresponding
evaluation valne$
評分值 影響系數F 評分值 影響系數F
10 1．00 4 0．30
8 0．90 2 O．1O
6 0．70 O 0．0o
根據確定的關鍵點，采用數學工具MATLAB中
nlinfit函數非線性擬合功能，即可較為精確地得到
模型參數。程序關鍵語句如下：
t：0：2：10：
： [0，0．1，0．3，O．7，0．9，1]；
= @(b，t)6(2)．／{1+b(3)×exp[一b(1)X
(一10+2 X t)]}；
[61，r1]=nlinfit(t(1：6)， (1：6) ，[0．5，1，
1])。
擬合得到參數口=1．026 8，b=0．391 8，c=
1．009 0，擬合決定系數為0．998 6，可見擬合相似程
度非常高，擬合曲線圖見圖1，擬合后各關鍵點安全
程度系數值見表3，因此大壩安全評價量化評價模
型表達式為
F一： 1 026 ∈(0，10)。(3) + 1． 8e—o (一 0 ) t 、u’ u 。 J
評分值
圖1 擬合曲線圖
Fig．1 Fitting curve of safety level factor F
表3 量化評價模型關鍵點對應值
Table 3 Dam sa腳levels and corresponding values of
the quantitative evaluation model
1 0 0 0 0 籟 馘世*
14 長江科學院院報 2013生
3 大壩安全量化評價模型的意義
根據以上分析，通過將規(guī)范中安全評價等級進
一步細分，采用量化評價模型，將專家評分轉化為了
符合大壩安全程度變化規(guī)律的量化評價系數，通過
該系數即可較為直觀地反應大壩各單項指標所處的
安全狀態(tài)，實現(xiàn)了將規(guī)范中只能用3個等級進行評
價的定性模式轉化為采用非線性連續(xù)數值表示的量
化評價模式。
(1)當量化評價值在0．92以上時，表明該指標
安全狀況非常好，可以正常運行；
(2)當量化評價值在0．69～0．92區(qū)間時，表明
該指標安全狀況基本正常，只是個別方面存在缺陷；
(3)當量化評價值在0．31～0．68之間時，表明
該指標安全狀況已存在危險，有個別方面存在安全
隱患；
(4)當量化評價值在0．09～0．31之間時，表明
該指標已非常危險，在多個方面已經出現(xiàn)明顯安全
問題；
(5)當量化評價值在0．09以下時，表明該指標
已有重大險情。
4 實例應用分析
紅旗水庫位于修水縣四都鎮(zhèn)堝頭村境內，水系
為修河支流彭姑河上游，距鎮(zhèn)政府所在地6 km。壩
址以上控制流域面積10．9 km ，約占彭姑河總流域
面積的24．3％。紅旗水庫大壩始建于1969年，原設
汁為小(I)型水庫，后在施工過程中擴建成中型水
庫，1972年大壩主體工程竣工。該水庫于2004年
依據《導則》進行了大壩安全鑒定，通過鑒定，主要
鑒定意見如下：
工程質量綜合評價為不合格；水利樞紐運行管
理評價為差；大壩防洪安全評價為c級；結構安全
評定為 級；大壩滲流安全等級評定為c級；金屬
結構安全性等級評價為c級。綜合分析目前該水
庫存在的病險情況，并結合大壩工程質量、運行管
理、抗洪能力、結構穩(wěn)定、滲流安全及金屬結構安全
性分析評價成果，紅旗水庫存在嚴重的病險問題，應
屬于“三類壩”。
通過原有評價方式，對紅旗水庫的安全評價主
要為定性評價方式。如果按照量化評價模式，首先
對大壩各項指標進行定性評分，然后根據式(3)即
可得到量化評價值。紅旗水庫大壩安全評價指標量
化評價表見表4。
表4
Table 4
紅旗水庫大壩安全評價指標量化評價表
Quantitative evaluation of each individual
indicator for Hongqi reserVojr
根據表4可以看出，原有評價模式下，紅旗水庫
的各項評價指標主要為C級，而通過量化評價模
式，原來的c級又細分為了不安全、很不安全、極不
安全3個等級。而且即使同一個等級下，每個評價
指標也都有各自不同的量化評價值，通過該量化值，
可以明確地了解工程該項指標的安全程度。
另外，根據各項評價指標的量化評價值，通過加
權法等綜合評價方法 ]，就可以得到大壩的綜合評
價量化評價值。因此，即使同為“三類壩”，也可以
根據其綜合量化評價值對其病險程度進行清晰的排
序，從而為相關管理部門進行決策提供更為明確的
依據。
由此可見，通過量化評價模型實現(xiàn)大壩安全的
量化評價是可行的，而且具有較強的實際意義。
5 結 語
(1)本文充分分析了大壩安全程度動態(tài)變化特
點，將大壩安全程度進一步細化，通過評分法以及基
于logistic生長曲線模型提出的大壩安全評價量化
評價模型，完成了大壩安全評價各單項評價指標有
定性評價向量化評價的轉變。
(2)本文首先確定了大壩安全程度的特定量化
評價值，在模型擬合過程中引入了Matlab數學分析
工具，精確擬合出了量化評價模型參數，擬合決定系
數達到了0．998 6。
(3)根據本文介紹的大壩安全評價各單項指標
評價的量化評價方法，通過加權法等綜合評價方法
即可實現(xiàn)大壩安全評價的量化評價。
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Chinese))
Quantitative Model for Dam Safety Assessment
ZHANG Ji，LIN Shui—sheng，RAO Xi—bao
(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of MWR，
Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China)
(編輯：曾小漢)
Abstract：The key to assess dam safety is to qualitatively evaluate each individual indicator． We determine the spe．
cific quantitative evaluation values of the dam safety leve1．and then define the mode1 parameters of the dam safetv
level by non—linear fitting mathematical analysis tool(Matlab)．Thereby，on the basis of Logistic model，we can
get a precise quantitative evaluation model，which accurately fits the quantitative evaluation parameters with the de．
termination coemcient of 0．998 6．In this way。the qualitative evaluation of individual indicators is transformed into
quantitative evaluation．
Key words：dam；safety assessment；quantitative assessment model
(上接第5頁)
客 套盒 盒客
Hydrochemical Characteristics of Groundwater in
K W ater Source Area in Ordos Basin
ZHANG Le-zhong，XU Tian—zhu
(1．School of Geology Engineering and Geomatics，Chang’an University，Xi’an 710064，China；
2．Changjiang River Water Resources Commission，Wuhan 430010，China)
Abstract：On the basis of analyzing hydrogeological conditions，the spatio—temporal variation of hydrochemical characteristies
of groundwater in Kuji water source area of Ordos basin is systematically researched．The chemical eom．
position，spatial distribution，and variation of hydrochemical type
runof conditions．Results showed that hydrochemical type changed
were afected by geographic，geomorphic and
as a whole along the direction of groundwater
flow from the peripheral watershed towards the interior and from the internal watershed towards the periphera1． The
negative ion gradually changed from HCO3 to HCO3·C1 and further HCO3·SO4·C1，an d then SO4·C1． In
vertical direction，close hydraulic connection between the middle layer and shallow layer groundwater was found
，
and their partition was not obvious．Due to close hydraulic connection in vertical direction for Cretaceous aquifer of
huge thickness and the depth of groundwater，the groundwater quality is less af ected by seasonal change．
Key words：groundwater；hydrochemical characteristics；variation regularity；Kuji water source area
●-_■
．
I

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