张文娟，李树言，漆文邦

(四川大学水利水电学院，成都 610065)

0 前 言

作为中国江河防洪体系中的重要构成部分，水库的安全运行与人民群众的生命财产安全息息相关。依据《全国病险水库除险加固专项规划》，全国共有水库87 076座(小型水库83 359座)，其中共有38 019座病险水库(小型水库35 586座)，小型水库约占病险水库总数的93.6%[1]。大量小型病险水库的存在，已使其成为中国防洪安全中的最大隐患。因此有必要对小型病险水库的除险加固工程进行探究。

1 小型病险水库的成因

1.1 建设时期存在问题

中国现有的小型水库中，大约90%的水库修建于“大跃进”、 “文革”时期。建国初期中国缺乏设计、施工技术力量，水文和地质等基础资料较少，设计规范和行业标准不健全等[2]，使得小型水库从建设初期就埋下了一定的隐患，易演变成病险水库。

1.2 运行期间管理落后

由于缺乏技术支持和不重视水库的管理等各方面原因，小型水库在建成初期就缺少观测设施及手段。同时也没有相应的维修养护费用及管理人员，使得水库的运行状况不能得到快速有效的掌握及处理，以致对下游人民群众的安全构成隐患。

2 常见的病险问题及工程措施

2.1 水库的病险问题

大坝坝体的填筑质量和夯压质量较差，造成坝土结构松散，大坝多存在渗漏问题；溢洪道多为土渠，杂草丛生，无消力池，无法满足安全泄洪的要求；输水建筑物多为坝下埋管，因坝体年久变形、涵洞结构不完整及质量差等因素，涵洞存在漏水和接触冲刷的隐患；水库未修管理房，缺少通信设备，缺乏大坝位移、沉降观测设施及水文观测设施等；水库防汛抢险道路为土路，凹凸不平，不能满足工程抢险道路要求[3-6]。

2.2 水库除险加固的工程措施

小型水库一般为土石坝，经过长达几十年的运行，坝体发生沉降变形，故应校核坝顶高程是否满足要求。若需加高大坝，可以在坝顶增设防浪墙，或直接增加大坝坝顶高程[7]。如要提高水库的泄洪调洪能力，可加深或扩宽原溢洪道或新建溢洪道。

对于存在渗漏问题的病险水库大坝，可利用坝体充填灌浆、坝基帷幕灌浆、混凝土防渗墙和劈裂灌浆等工程措施进行防渗处理。通过培厚减缓坝坡和削坡减缓坝坡的方式可以对大坝坝体进行稳定加固。培厚减缓坝坡时，上下游坝坡都应使用透水性比原坝坡大的材料[8]。上游护坡多采用干砌石、堆石及混凝土板护坡等，下游一般采用简化型式的护坡[9]。若输水涵洞存在漏水和接触冲刷的隐患，可对其进行回填灌浆处理，或加内衬，也可新建。

而且，也应提高水库的管理水平。例如，新建管理房、增设水库通讯设备、新增大坝及水文监测设施及新建防汛抢险道路等，并安排管理人员对水库进行日常巡护，以确保水库的安全运行。

3 病险水库认定现状及缺陷

在中国，现行的水库大坝安全评价方法主要有分析法和安全系数法[10]。该评价方法是以大坝工程安全为中心，对其若干的相关专题分别进行研究，从而将大坝分为A、B、C三个等级。各个专题的安全性级别全部达到A级的，称为一类坝；安全性级别全部为A级和B级的，是二类坝；安全性级别中有一项及其以上为C级的，称为三类坝[11]，见图1。

图1 传统的大坝综合安全评价框架图

水库大坝的安全评价可从2个方面入手，首先是水库大坝是否为病险水库，然后是分析判定其病险问题的严重程度如何。根据现行的大坝安全评价法，将大坝分为3级，但是这样分级较为笼统，不能满足其病险严重程度的判定。比如，同为C级的2座大坝，其中一个可能仅有一项判定为C，而另一座可能所有项均判定为C级。2座大坝虽同为三类坝，显而易见，一座所有项均判定为C级的大坝病险严重程度一定比仅有一项判定为C的大坝的要严重得多。

4 层次分析法的应用

随着对水库大坝除险加固研究的不断深入以及相关法规体系的持续完善，水库大坝的病险严重程度评价方法的重要性越发凸显。因此，将传统的大坝安全评价法和层次分析法两者相结合，利用定性和定量分析的方法，可对水库大坝的病险严重程度进行判定和评价。

4.1 层次分析法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process简称为AHP法)是把与决策问题相关的因素分成目标、准则及方案等不同阶梯层次，构造层次结构图，并以此为基础进行分析和决策的方法。AHP法的步骤[12-14]如下。

4.1.1 递阶层次结构图的构建

通过对决策目标的分析、调查、研究，找寻与目标体系相关的因素及其相互之间的关系，从而将其划分成不同的层次结构，最后构建成相应的递阶层次结构图，见图2。

4.1.2 判断矩阵的构造

根据递阶层次结构图，由上至下逐步地构建相应的判断矩阵。各层的指标因素都必须要以相邻的上一层的指标因素为对比准则，依照1～9 的标度方式进行两两比较以此构建判断矩阵。将此应用到实际时，一般要通过向相关研究领域的专家教授进行反复咨询从而确定判断矩阵。

具体的标度定义及含义如表1所示。

表1 1～9标度定义表

4.1.3 层次单排序和一致性检验

层次单排序权重向量是通过求出判断矩阵的最大特征值及其相应的特征向量，并进行归一化计算后得到。判断矩阵的计算成果带有一定程度上的客观性，故应该对其进行一致性检验。如果检验不合格，则要对判断矩阵进行修正，直至满足要求。

图2 水库大坝安全综合评价评估指标的层次结构图

一致性指标CI的计算：

(1)

式中：λmax为最大特征值；n为指标个数。

表2 平均一致性指标表

通过表2可得到不同指标个数下的平均一致性指标RI。RI在某种水平上可以规避一致性判断指标随着n的增大而显著增大的缺陷。

一致性比例CR的计算：

(2)

4.1.4 层次总排序和其一致性检验

由上而下逐层地计算各层指标因素相对于目标层的合成权重，最终可以得到各个指标因素对于总目标决策影响大小的排序。为了确保思维上的逻辑不产生矛盾，也应对层次总排序进行一致性检验，只有通过了检验，其得到的结果才具有可信性。

4.2 层次分析法在小型水库综合安全评价方面的应用

以层次分析法为基础的水库大坝综合安全评价分析法，有分解、判断、综合共3个阶段[15]。

4.2.1 分 解

构建水库大坝安全评价的递阶层次图及对应的判断矩阵，求解计算得到各个指标的权重。分析与水库大坝的安全评价相关的内容，可将影响水库大坝安全的因素逐层分解为如图2所示的结构。构建了递阶层次结构图之后，以向专家教授调查咨询的方法，得到各层次指标的判断矩阵，再经过一系列的计算便可获得各个指标的权重大小。

4.2.2 判 断

判断是指对层次结构图中的最底层指标因素进行评估。在大坝传统的安全评价方法中，利用A、B、C三个等级对这些指标进行评判。但是，在利用层次分析法时要量化这些指标因素，即对底层各个指标因素进行评分。在本文中，提出了一种等级划分标准，如表3所示。

根据水库大坝的现状具体分析，对各项指标以其问题的严重程度打分。赋予这些分值时需经过相关专家的评比探讨，其应具有一定的客观性。

表3 各个指标的等级划分表

4.2.3 综 合

综合是计算底层指标因素相对于总目标决策的权重，且对其进行一致性检验。最后，将各个指标所得的分值和其相应的权重进行相乘后相加，即可得到水库大坝安全评价的具体分值。根据水库所得分值，便可比较同等级水库的病险严重程度。水库的总分值越低，其病险问题就越严重，其进行除险加固的需求就越迫切。

4.3 工程实测

4.3.1 工程概况

M水库为小(2)型水库，修建于19世纪50年代，大坝是均质土坝，总库容为12.5万m3，坝轴线长约93.0 m，坝顶平均宽4.50 m。小(2)型水库的主要建筑物有大坝、临时溢洪道及输水涵洞。大坝坝体与坝基均存在渗漏，临时溢洪道为开敞式未衬砌土渠，断面极不规则。输水涵洞进口淤塞，闸阀失灵、难于启闭。涵洞洞身渗漏严重。

N水库为小(2)型水库，建于20世纪，曾于2013年进行了部分改造。大坝为均质土坝，总库容为12万m3，坝顶平均宽6.5 m，坝轴线长约33.0 m。坝体碾压质量、防渗质量均较好，溢洪道为开敞式浆砌石衬砌渠道(矩形断面)，结构完整，但进口段底板淤积严重、杂草丛生，底板和边墙局部浆砌石及砂浆抹面有轻微的破损。输水涵洞出口的转盖门操作不方便，易关闭不严，同时也容易生锈。

按传统的大坝安全评价方法对M、N水库进行评判，两者均为C等、三类坝，是病险水库大坝。

4.3.2 构造判断矩阵确定各指标权重

以本文中图2为依据，通过两两比较、1～9级标度法，共构造了8个判断矩阵。针对这些判断矩阵，利用Matlab编程可求取各指标的权重，且作一致性检验。各个判断矩阵的层次单排序权值的计算结果如表4。

表4 各判断矩阵的层次单排序权值和其一致性检验

23个底层指标的合成权重W为：

W=[ 0.071 0.029 0.012 0.021 0.007

0.039 0.015 0.026 0.080 0.045

0.092 0.198 0.033 0.059 0.044

0.119 0.016 0.013 0.031 0.005

0.032 0.010 0.004]

4.3.3 综合评价

对M、N两个小型水库的23个指标进行打分，如表5。并按照各个指标权重计算得到每个水库的综合评价得分。

由表5可知，M、N两座水库虽同为三类坝，但M水库比N水库的总分要低，说明M水库的病险程度远比N水库严重得多。当洪水期到来时，M水库更容易发生漫坝或溃坝事故，对下游人们群众的生命财产的威胁性极大。故M水库和N水库两者相比来说，对M水库除险加固的紧急性和必要性较强，故应先对M水库的病险问题采取必要的工程处理措施。

表5 M、N两个小型水库的得分表

5 结 语

本文着重探讨了传统的水库综合安全评价中存在的缺陷，即不能反映水库大坝的病险严重程度，并就此引入层次分析法构建了水库安全评价的定量评价分析模型。与现行规程相比，该评价模型可以得出量化的结论，反映出水库的病险严重程度，从而可以更加合理地对小型水库除险加固工程进行决策。而且，由于通过了专家教授的评判论证，该层次分析法模型中构建了合理客观的判断矩阵及评价准则，使得该模型更加具有可信度和实用性，进而成为水库大坝综合安全评价的一个值得研究的新方法。

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