灰色理论在堤防安全评价中的应用_蔡新

摘
210098 ； 210008 ）
210098 ；
210098 ； 4. 南京市水利局， 南京
要： 针对堤防工程安全风险评估中传统安全系数法存 在 缺 陷 的 问 题 ， 引 进 灰 色 理 论， 以 堤 基 工 程 地 质 条 件、 河势稳
定性 、 渗透稳定性 、 滑动稳定性 、 堤防整体性和工程管理为基本要素， 构建堤防安全风险评价指标体系及堤 防 安 全 评 价 数 学模型 。 将所建模型用于实例分析中， 结果表明， 该模型可行有效， 可为堤防工程安全评价及除险加固提供参考 。 关键词： 水工结构； 安全评价； 灰色理论； 堤防 中图分类号： TV871 文献标识码： A
图2 Fig． 2 堤防安全风险评估指标体系 Safety risk assessment system of dyke
64 2. 1 决策灰类
水
力
发
电
学
报
2012 年
本文将各指标分为 4 个等级， 分别为安全 、 较安全 、 不安全 、 很不安全
［8］
。 各级别的含义 如 下： 安 全 级 别 表 示
图1 Fig． 1
常用白化权函数形式 Usual white function
运用灰色理论进行安全评价的一般步骤为： 1#、 2#、 3 # … 为决策方 案， 1、 2、 3 … 为 决 策 的 灰 类， （ 1） 记Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ … 为决策群体， 记 d ij 为 i 个 决 策 群 体， 对第 j i = Ⅰ、 j = 1#、 2#、 3 # …。 个决策方案所提出的白化决策值， Ⅱ、 Ⅲ…， （ 2 ） 给出决策矩阵和决策灰类 。 （ 3 ） 求决策系数 n jk ： 记 N e 为第 i 个决策群体中决策者人数； 记 f k （ d ij ） ， k = 1， 2， 3， …， Ne ， j = 1#、 2#、 3 # …， N a ，i = Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ … ； N b 为第 i 个决策群体对第 j 个决策方案所提的决策量白化值； 记 n jk 为第 j 个决策方案属于第 k 个
j 个决策方案属于第 k # 个灰决策类别 。
2
堤防安全风险评价指标体系
堤防是一个复杂的系统， 其影响因素很多且有主次之分， 对其进
行安全评价应尽量考虑其主要影响因素 。 本文将影响大堤安全性的 河势稳定性 、 渗透稳定性 、 滑动稳 主要因素归结为堤基工程地质条件 、 定性 、 堤防整体性及工程管理 。 通过对堤防结构安全影响因素的分析 以安全风险评价指标选取的规范性 、 科学性 、 全面性 、 层次性 、 独 研究， 立性和可行性为基本原则， 构建出单目标 、 多层次的堤防结构安全风 险评价体系 。 如图 2 所示， 以堤防结构整体安全性为总目标， 记为 A ； 将总目标分解成工程地质特性 A 1 、 河势稳定性 A 2 、 渗透稳定性 A 3 、 滑 动稳定性 A 4 、 堤防整体性 A 5 、 工程管理 A 6 等 6 个子目标， 即 A = （ A1 ， A 2 ，A 3 ，A 4 ，A 5 ，A 6 ） ， W 2 ，W 3 ， W4 ， W5 ， W6 ） ， 对应的权重为 W = （ W 1 ， 每 Ai 2 ， …， A ij ） ， 个子目标再分解成若干基础指标， 且 Ai = （ Ai 1 ， 相应权重 Wi = （ Wi 1 ， Wi 2 ， …， W i6 ） 。
第1期
蔡
新等： 灰色理论在堤防安全评价中的应用
63
的系统为灰色系统 。 灰色系统理论由我国著名学者邓聚龙教授于 1982 年 提 出 。 灰 色 评 价 法 是 指 基 于 灰 色 系 统 针对预定的目标， 对评价对象在某一阶段所处的状态进行定量评价和描述的方法 。 理论， 确定评估灰类就是要确定评价灰类的等级数 、 灰类的灰数以及灰数的白化权函 数 。 常 用 的 白 化 权 函 数 有 三 种， 见式 1 ， 对应的函数图见图 1 。 xi ， xi ∈ [ 0， x ∈ [ 0， xi ] x1 ] xi 1， x1 i [ ] ， x ∈ 0 ， x i 1 x1 x f1 （ x i ） = ； f2 （ x i ） = ； f3 （ x i ） = 2 － i ， xi x ∈ [ x1 ， 2 x1 ] 1 ， x （ x ， + ） x i ∈ [ x1 ， ∞ x1 i 2 x1 ] i ∈ 1 2 － x ， 1 0， 0， xi ∈ （ － ∞ ， 0） xi ∈ （ － ∞ ， 0） 0， xi ∈ （ － ∞ ， 0 ） ∪ （ 2 x 1 ，+ ∞ ） （ 1）
Grey theory in comprehensive evaluation of dyke safety risk
2， 3 3 2 CAI Xin 1 ， ，YAN Wei 1 ， ，LI Yi 1 ， ，WU Wei 4
（ 1 ． State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering ， Hohai University ， Nanjing 210098 ； 2. College of Mechanics and Materials ，Hohai University ，Nanjing 4. Nanjing Municipal Bureau of Water Resources ，Nanjing 210008 ） 210098 ； 210098 ； 3. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering ，Hohai University ， Nanjing
和 设 计 的 要 求， 只需正常的维修养护即可保证其安全运 该堤防工程的实际工况和各 种 功 能 达 到 了 现 行“标 准 ” 行； 较安全则表示堤防工程的实际工况和各种 功 能 基 本 达 到 了 现 行“标 准 ” 和 设 计 的 要 求， 需要常规的维护和在 设计洪水位下， 在正常的查险抢险条件下即可保证堤防工程的安全； 不安全的含义是堤防工程的功能和实际工况 和设计的要求， 在汛期设计洪水位下将出现较多险情， 需要在安全性调查基础上， 通过局 不能满足现行的“标准 ” 部加固或加强汛期查险抢险力量来解决； 若该 堤 防 工 程 按 现 行“标 准 ” 和 设 计 要 求 存 在 危 及 安 全 的 严 重 缺 陷， 汛 期设计洪水位下运行将可能出现较多的重大险情， 必须采取除险加固措施， 则列为很不安全等级 。 各等级对应的 评估值如表 1 所示 。 2. 2 堤防灰色评价理论 （ 1 ） 确定灰类的白化权函数， 见图 3 和 A i 评价样本矩阵 D i 。
第 31 卷 第 1 期 2012 年 2 月
水 力 发 电 学 报 JOURNAL OF HYDROELECTRIC ENGINEERING
Vol． 31 No． 1 Feb． ，2012
灰色理论在堤防安全评价中的应用
蔡 新

益
1， 2
， 吴
威
4
（ 1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 南京 2． 河海大学力学与材料学院， 南京 3． 河海大学水利水电学院， 南京
表1 灰类评价标准
A i1 d i11 A d i21 D i = i2 = A d in1 in
d i12 d i22 d in2
… … …
d i1 m d i2 m d inm
Table 1
Marketing standard for gray statistic
Abstract ： Grey theory was employed to evaluate the safety risk of dyke structure and it can avoid the defects of traditional safety coefficient method． A mathematical model was built with a comprehensive evaluation index system ： engineering geological conditions ，regime stability ，seepage stability ，sliding stability ，levee integrity and project management． Application of this model to practical engineering cases validated the theory and the proposed model that are useful for design of dyke rehabilitation． Key words ： hydraulic structure ； safety evaluation ； grey theory ； dyke
0
引言
我国堤防工程历史悠久， 堤身内存在许多古河道 、 虚土层 、 透水层等隐患， 在洪 水 期 间 极 易 形 成 险 情， 严重威
胁着人民群众的生命 、 财产安全， 因此对堤防进行安全风险评估尤为重要 。 传统堤防安全风险评估单独对各影响因素进行评价， 得出各者的安全水平， 而并没有评价堤防的整体安全风 险， 寻求一种能够有效评价堤防整体安全性的方法是急需解决的问题 。 目前我国对堤防的 整 体 安 全 评 价 研 究 相 已有的研究多采用可靠度理论和模糊综合评价理论， 但它们在解决复杂 、 不明 确 系 统 问 题 时 存 在 局 对来说较少， 限性
安全等级 安全 较安全 不安全 很不安全
评估值 0. 9 － 1. 0 0. 7 － 0. 9 0. 5 － 0. 7 ＜ 0. 5
…， n； l = 1 ， … ，m ． 式中： d ijl 为基础指标 A ij 的评估值； j = 1 ， （ 2 ） 求决策系数 n ijk ， 决策权 r ijk ； 且记 A i 的决策权为 R i ， 其中 n ijk 为基础 指标 A ij 属 于 第 k 个 灰 类 的 系 数； r ijk 为 基 础 指 标 A ij 属 于 第 k 个 灰 类 的 决 策 权； r ij 为评价指标 A ij 对于各级评价灰类的权向量 。