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基于突變理論的土石壩綜合安全評價

文檔作者：胡建平劉亞蓮文檔來源：廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年08月02日
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第39卷第7期
2013年7月 水力發(fā)電
基于突變理論的土2"5壩綜合安全譯價
胡建平，劉亞蓮
(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510635)
摘要：根據(jù)突變理論，建立了土石壩綜合安全評價指標(biāo)體系，將各指標(biāo)原始評價值轉(zhuǎn)換為突變級數(shù)，利用歸一公
式逐層計算土石壩安全級別評價指標(biāo)值。計算結(jié)果表明，該方法與集對分析法計算結(jié)果一致，為土石壩安全評價提
供一種新的思路。
關(guān)鍵詞：土石壩；安全評價；突變級數(shù)法；指標(biāo)
Comprehensive Evaluation of Earth-rock Dam Safety Based on Catastrophe Theory
HU Jianping，LIU Yalian
(Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering,Guangzhou 5 10635，Guangdong,China)
Abstract The earth-rock dam comprehensive safety evaluation index system is established based on catastrophe theory,in which，
the original value of each evaluation index is converted to a catastrophe progression and then the dam safety level evaluation index
values are calculated layer by layer by using normalization formula．The case study shows that the results of this method are
consistent with that of Set Pair Analysis Method．This method provides a new way for earth-rock dam safety evaluation．
Key W ords：earth-rock dam；safety evaluation；catastrophe progression；index
中圖分類號：TV698．2：0141．4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0559—9342(2013)07—0033—03
O 引言
由于土石壩的安全性受工程質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和管理
等諸多因素影響，具有非線性、模糊性、不確定性、
動態(tài)可變性等特點， 其綜合安全評價非常復(fù)雜。目
前， 主要依據(jù)SL 258- 2000 《水庫大壩安全評價導(dǎo)
則》從工程質(zhì)量、運行管理、防洪、結(jié)構(gòu)、滲流、
抗震與金屬結(jié)構(gòu)等7個分項進(jìn)行評價．各分項采用
相同的權(quán)重。而實際工程中很多因素都存在不確定
性、模糊性。本文將突變理論引入土石壩安全評價
中， 首先根據(jù)土石壩安全機制構(gòu)建土石壩安全評價
指標(biāo)體系， 以此為基礎(chǔ)， 通過工程實例分析，介紹
了突變級數(shù)法在土石壩安全評價中的應(yīng)用， 旨在為
土石壩安全評價和安全管理提供一種新的思路。
1 突變評價法簡介
突變理論Ⅲ是20世紀(jì)70年代在拓?fù)鋵W(xué)、奇點理
論和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等數(shù)學(xué)分支基礎(chǔ)上發(fā)展起來的． 主
要用于對不連續(xù)現(xiàn)象作定性研究的一種新的數(shù)學(xué)理
論， 又稱突變模糊隸屬函數(shù)。它是把受多個控制變
量影響的復(fù)雜系統(tǒng)看成是一個矛盾體系．把系統(tǒng)的
各控制變量看成是內(nèi)部矛盾的諸方面， 系統(tǒng)的狀態(tài)
是它們斗爭統(tǒng)一的結(jié)果，根據(jù)它們對狀態(tài)變量作用
的不同． 可把它們分為矛盾的主、次方面2_1]。評價
時．先對系統(tǒng)的總目標(biāo)進(jìn)行多層次矛盾分解，然后
利用歸一公式對系統(tǒng)各層矛盾進(jìn)行逐層綜合量化運
算，最后得出系統(tǒng)狀態(tài)的總的隸屬函數(shù)， 以此對系
統(tǒng)進(jìn)行評價或判別。其主要優(yōu)點是不需人為確定各
指標(biāo)的權(quán)重，而是根據(jù)各目標(biāo)在歸一公式中的內(nèi)在
矛盾地位和機制決定各指標(biāo)的重要性，減少了評價
中的主觀性，且計算簡單方便， 因而在安全領(lǐng)域的
應(yīng)用越來越廣泛 。
當(dāng)系統(tǒng)控制變量不超過4個時，可以歸納出7
種初等突變模型， 常用的有：尖點突變、燕尾突變
模型和蝴蝶突變模型[ 。一般用 )表示系統(tǒng)的勢
函數(shù)， 為系統(tǒng)的狀態(tài)變量， 該狀態(tài)變量的控制變
量按其對狀態(tài)變量影響的主次關(guān)系順序排列。
收稿日期：2013—02—20
基金項目：廣東省科技計劃項目(201 1B0613001 14)
作者簡介： 胡建平(1962一)，男， 湖南桃江人， 副教授，碩
士，主要從事水利工程、土木工程研究．
爪／J 僅電
由f ( )=0可求得系統(tǒng)的平衡曲面方程， 由廠
( )=0可求得平衡曲面的奇點集， 聯(lián)立求解廠 ( )=0
和f”( )=0可得分解形式的分歧方程， 諸控制變量
滿足此分歧方程時， 系統(tǒng)就會發(fā)生突變。例如， 當(dāng)
控制變量為2個時， 其突變形式為尖點突變， 突變
模型的分解形式的分歧方程為
，
式中， ,Nx 為對于控制變量0、b的 值。
為了實際運算方便，必須把各突變模型中狀態(tài)
變量和控制變量的取值范圍限制在0～1之間。為
此， 將 縮小6倍，b縮小8倍， 即進(jìn)行歸一化處
理。經(jīng)過歸一化處理，狀態(tài)變量和控制變量的取值
范同均為0～1， 而把定義在0～1范圍的狀態(tài)變量、
控制變量的值稱為突變級數(shù)或突變模糊隸屬函數(shù)。
因此， 可以將其與表示模糊隸屬度的模糊隸屬雨數(shù)
聯(lián)系起來， 突變評價法正是利用這一原理對系統(tǒng)進(jìn)
行綜合評價。常用的評價準(zhǔn)則有以下3種：
(1)非互補準(zhǔn)則： 當(dāng)各控制變量對狀態(tài)變量的
作用不可替代，即不可相互彌補時，按“大中取小”
原則選取狀態(tài)變量 值。
(2)互補準(zhǔn)則： 當(dāng)各控制變量對狀態(tài)變量的作
用可以相互替代，即可以相互彌補時，取各控制變
量計算得的狀態(tài)變量的平均值作為 的計算結(jié)果。
(3)過閥值互補準(zhǔn)則： 當(dāng)各控制變量要求過一
定閥值后才能相互彌補其不足時，按過閥值后取平
均值的原則選取 值。
2 基于突變級數(shù)的土石壩安全評價
2．1 評價指標(biāo)體系
土石壩是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程， 安全影響因素
很多，有外部的，也有內(nèi)部的。外因主要包括洪水、
降雨、地震等； 內(nèi)因主要包括工程施工質(zhì)量、壩體
剖面尺寸、筑壩土料物理力學(xué)性質(zhì)、壩體結(jié)構(gòu)以及
壩頂超高等。本文將影響土石壩安全狀態(tài)的控制變
量分為2個層次，歸結(jié)為外部荷載、壩體結(jié)構(gòu)及其
他條件3大類，共由8項基礎(chǔ)指標(biāo)組成， 涵蓋了洪
水、地震、壩頂超過、壩坡及防滲條件等多個方面。
根據(jù)突變理論的基本原理，將重要性大的指標(biāo)放在
前面，重要性小的指標(biāo)放在后面。土石壩安全評價
指標(biāo)體系見圖1。
2．2 基礎(chǔ)指標(biāo)的突變級數(shù)轉(zhuǎn)換
對于越大越優(yōu)型正向指標(biāo)按(2)式將各指標(biāo)的
原始數(shù)值采用隸屬度函數(shù)法轉(zhuǎn)換為0～1的突變級
數(shù)：對于越小越優(yōu)型逆向指標(biāo)按(3)式轉(zhuǎn)換為0-1
的突變級數(shù)。
上 壩安全A
外部荷載B 壩體結(jié)構(gòu)Bz 其他條件B3
廣n 廣—廣] 廠___]
洪抗 壩壩滲 l‘運金
水震 頂坡流 行屬
標(biāo)安 超穩(wěn)穩(wěn) 質(zhì)管結(jié)
準(zhǔn)全 高定定 量理構(gòu)
I：I ( 2 ( 、( 4 ( 5 ( h( 1(
圖1 土石壩安全評價指標(biāo)體系
Y=
Y=
2013年7月
(2)
(3)
2．3 土石壩安全等級劃分
大壩綜合安全分為一類、二類壩和i 類壩3個
級別，一類大壩安全可靠，能按設(shè)計正常運行：二
類大壩基本安全， 可在加強監(jiān)控下運行； 類大壩
不安全， 屬病險水庫大壩。各等級對應(yīng)的安全性綜
合評價值： 當(dāng)各底層指標(biāo)評價值為1時，綜合評價
值A(chǔ)=1， 表示大壩安全； 當(dāng)各底層指標(biāo)值為0時．
綜合評價值A(chǔ)=O， 表示大壩已破壞；各底層指標(biāo)評
價值等于小于0．6時， 為不安全， 此時計算得A=
0．88。因此，A=0～0．88為不安全， 對應(yīng)大壩為i類
壩，大壩不安全， 屬病險水庫大壩；取底層指標(biāo)為
0．8， 計算得A=0．96，A=0．88～0．96時安全性一般，
為二類壩， 大壩基本安全，可在加強監(jiān)控下運行：
A=0．96～1時大壩安全性較高，為一類壩， 大壩安全
可靠，能按設(shè)計正常運行。
3 工程實例分析
3．1 工程簡介
某中型水庫樞紐建筑物由主壩、副壩、溢洪道、
輸水涵管和壩后電站等5部分組成， 主要建筑物為
3級。主、副壩均為均質(zhì)土壩， 工程于1985年年底
建成投產(chǎn)?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，靠右壩頭的后坡出現(xiàn)較
大范圍的滲水區(qū)。溢洪道閘門兩側(cè)漏水，底板伸縮
縫漏水，挑流鼻坎下游兩側(cè)山體遭受沖刷， 常出現(xiàn)
崩塌而影響泄水。大壩前坡干砌石風(fēng)化嚴(yán)重，灌溉
用水輸水管閘門損壞，總灌渠出現(xiàn)塌方和沉陷現(xiàn)象。
3．2 底層基礎(chǔ)指標(biāo)評價值確定
通過計算(對于定量指標(biāo))和專家評價(對于
定性指標(biāo))。并按式(2)、(3)轉(zhuǎn)換后各基礎(chǔ)指標(biāo)的突
變級數(shù)值見表1。
一馘 m～ m～
≥ ≤ ≤ ～ ≥
戈
。
一 o 一 0
弟39雹弟7炅}j 胡叟|三斗 ，寺：量寸。夾 埋 匕日 工七】 際E 女王 1'r
表1 土石壩安全評價基礎(chǔ)指標(biāo)專家評價值
基礎(chǔ)指標(biāo) C C： G 0 C， C8
評價值0．8 0．7 0．7 0．7 0．5 0．7 0．8 0．7
3．3 歸一化計算及安全評價
(1)對于曰 ：C 、C 2／~--控制變量構(gòu)成尖點突變
模型， 由歸一公式得 ，
= 0．89，Xc
2
=0．89。C 、C2為非
互補型，依據(jù)評價準(zhǔn)則， 采用“大中取小”， 所以口
= 0．89。
(2)對于 ： 、 、 3個控制變量構(gòu)成燕尾突
變模型， 由歸一公式得 e=0．84， e-0．89，Xc,
-
- 0．84。因
C 、C 、C 為非互補型，依據(jù)非互補原則， 采用
“大中取小”，所lAB1=0．84。
(3)對于 ： 、c7、 3個控制變量構(gòu)成燕尾突
變模型， 由歸一公式得 c=0．84，xc,
=0．93，xq-0．91。因
C 、C，、C 為非互補型， 依據(jù)非互補原則， 采用
“大中取小”，所以 0．84。
最后， 對曰 、日，、曰 采用燕尾突變模型進(jìn)行歸
一計算后．依據(jù)互補原則． 取平均值得A=0．95。按
表2中土石壩安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)確定為二類壩，大壩
基本安全， 可在加強監(jiān)控下運行。與文獻(xiàn)[7]評價結(jié)
果是一致的。
4 結(jié)語
(1)土石壩安全評價是屬于多指標(biāo)、多層次、
(上接第26頁)的居民進(jìn)行移民安置， 同時對于藏
族居民的安置還涉及到一些民族政策問題， 加大了
移民安置處理的難度， 增加了工程費用成本， 影響
其施工可行性。
從治理效果、經(jīng)濟(jì)性和其他可行性等方面進(jìn)行
對比分析認(rèn)為，方案1投資成本過高且存在施工可
行性的問題。方案2較之可節(jié)省費用．但同樣存在
影響施工的移民安置問題。因此， 最終選擇方案3
為經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、施工條件可行的治理措施。
5 結(jié)論
通過建立計算模型．對該邊坡進(jìn)行初始穩(wěn)定性
分析， 結(jié)合該堆積體的基一覆界面呈“上下凹． 中間
凸” 這一特點，設(shè)置了削坡、削坡壓腳、削坡+抗滑
樁等3種加固方案。從治理效果、經(jīng)濟(jì)性和施工條
件的可行性等方面對各加固方案進(jìn)行對l：t．-9-析認(rèn)為，
削坡+抗滑樁的治理措施能夠在“上下凹． 中間凸”
多準(zhǔn)則的綜合評價問題。本文將突變理論應(yīng)用于土
石壩安全評價中， 利用各指標(biāo)在歸一公式中的內(nèi)在
矛盾地位和機制決定各安全評價影響因素的主次地
位．計算簡單、方便，可為土石壩安全評價提供一
種新的思路。
(2) 利用突變評價法對土石壩進(jìn)行綜合安全
評價是一種新的嘗試， 還需要進(jìn)一步研究和完善，
如層次的分解、同層指標(biāo)問重要性的排序以及各
指標(biāo)的互補與非互補關(guān)系等都需要做進(jìn)一步深入
研究。
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(責(zé)任編輯楊健)
這種特殊基一覆界面類型的邊坡加固中有較好的應(yīng)用
效果，實現(xiàn)了上、下部穩(wěn)定性獨立化，分別進(jìn)行治理，
避免了上部移民問題． 可為類似工程的加固處理提供
參考。
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(責(zé)任編輯楊健)
Water Power Vo1．39 No．7因
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