夏美龙 沈均榕

摘 要：以磨盘山水库为例，构建土石坝风险因子识别系统，研究层次分析法在土石坝风险因子识别中的运用并计算得到相应的指标权重。研究结果表明：磨盘山大坝的失效模式有漫坝破坏、渗透破坏和边坡失稳三种，而渗透坡降、抗剪断摩擦系数f、洪水、泄洪、抗剪断凝聚力c和临界坡降等是风险因子识别的重要指标。土石坝风险因子识别体系的构建为土石坝风险分析奠定了坚实基础。

关键词：土石坝 风险因子识别 层次分析法 失效模式

我国病险水库大坝量大面广，且逐年增多。在我国已建成各类水库98002座中，土石坝在已溃坝中所占比例超过90%。因此，加强土石坝风险分析，正确地识别土石坝风险因子，对土石坝长效安全运行很有理论和工程意义。风险识别方法主要采用层次分析法。目前，层次分析法广泛应用于政治、经济、教育、环境等各个方面，并主要应用于安全科学和环境科学。在水利工程方面，文献应用于边坡稳定性评价，但对于土石坝整体风险因子识别体系的构建，尚未有完整的描述。本文结合土石坝的自身特点，研究工作采用层次分析法进行土石坝风险因子识别。

1.层次分析法

Saaty于1977年提出了层次分析法。用层次分析法对土石坝进行风险分析，就是根据分析对象的性质和所要达到的目的，将分析对象分解成各个因素，将这些因素按照其间的隶属关系分层分类自上而下分为目标层（土石坝风险）、准则层（失效模式）和指标层（风险因子），如图 1所示。每一层的因素根据它们之间对于上一层因素的相对重要性，由专家对土石坝工程的实际运行状况的判断给出失效模式和风险因子的定量分析，再根据矩阵运算确定出每一因素相对于上一层相应的因素所占的权重。计算得出指标层所有风险因子所占权重，由大到小进行排序最终识别出主要风险因子以及相应的失效模式。

CI为一致性指标。CI值越接近 0，判断矩阵的一致性越好。随机一致性指标值如表 2所示。

CR为随机一致性比例。当CR≤0.1时，判断矩阵的的一致性可以接受。

2.磨盘山大坝风险因子识别

磨盘山水库位于黑龙江省哈尔滨市，大坝为粘土心墙土石坝。2013年9月发生了心墙渗透破坏，大坝渗透变形仍在发展，影响大坝安全。因此正确识别大坝风险因子为土石坝工程的除险加固奠定坚实基础是一项非常重要和迫切的工作。将土石坝风险设为目标层，磨盘山大坝可能的失效模式列出为准则层，每一个失效模式可能的风险因子列出为指标层，磨盘山土石坝层次分析结构模型如图 2所示。

采用专家小组商议结果，对同层元素两两比较进行量化得到各个判断矩阵。运用层次分析法，通过MATLAB算出每一层元素相对上一层相应的元素所占的权重，并进行一致性检验和随机一致性检验。

由表3可知，漫坝破坏、渗透破坏和边坡失稳这三种失效模式所占权重较大，而剩下四种失效模式所占权重比较小。可以初步识别得出，磨盘山大坝主要的失效模式为漫坝破坏、渗透破坏和边坡失稳。将这三种失效模式的风险因子权重计算列于表4—表6。

由表4可知，洪水、泄洪、库容和风浪这四个风险因子所占权重较大，而剩下两个风险因子所占权重比较小。可以初步识别得出，漫坝破坏主要的风险因子为洪水、泄洪、库容和风浪。

由表5可知，渗透坡降和临界坡降这两个风险因子所占权重都比较大。可以初步识别得出，渗透破坏主要的风险因子为渗透坡降和临界坡降。

由表 6可知，抗剪断摩擦系数f和抗剪断凝聚力c这两个风险因子所占权重较大，而剩下一个风险因子所占权重比较小。可以初步识别得出，边坡失稳主要的风险因子为抗剪断摩擦系数f和抗剪断凝聚力c。

识别出来的这些风险因子在分析中不可能都考虑到，如果考虑全部风险因子的影响，则会不利于简化计算，使问题变得复杂。因此，识别出主要的风险因子，很有工程实际意义。计算漫坝破坏、渗透破坏和边坡失稳失效模式下的风险因子相对于目标层土石坝风险的权重并由大到小排序，计算结果列于表 7。选择权重较大的风险因子为主要风险因子，所以最终得到磨盘山土石坝主要风险因子是渗透坡降、抗剪断摩擦系数f、洪水、泄洪、抗剪断凝聚力c、临界坡降、风浪和库容。

3.结论

以磨盘山大坝为例，运用层次分析法识别土石坝风险因子并构建的风险因子识别体系完整全面、可操作性强，研究结果表明影响磨盘山土石坝正常运行的风险因子分为外部荷载和坝体物理力学性质两部分，包括渗透坡降、抗剪断摩擦系数f、洪水、泄洪、抗剪斷凝聚力c、临界坡降、风浪和库容等。其相应的失效模式为漫坝破坏、渗透破坏和边坡失稳，这与磨盘山大坝发生渗透破坏的实际工程情况相符。该风险因子识别体系还可以推广应用到其他水工结构如溢洪道、导流洞等的风险因子识别工作中。

【基金项目：土石坝长效安全运行重大关键技术研究（201501033）】

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