CN111523806A - 基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，包括：设计重力坝，包括：拟定重力坝的剖面、对重力坝进行荷载计算、对重力坝进行稳定性分析、对重力坝进行应力分析；对重力坝进行风险评估，包括：对重力坝进行风险估计、对风险因素建立模糊综合评价、对重力坝工程进行风险评估、对重力坝工程风险评估结果进行分析，其中，所述对重力坝进行风险估计，包括如下步骤：对风险概率进行模糊估计、建立风险评价标准。
Description
技术领域
本发明涉及数据分析技术领域，特别涉及一种基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法。
背景技术
随着我国水利建设规模发展，以及在项目修建过程中面临更多的风险，水利工程风险评估的研究非常重要，也非常必要。在重力坝设计阶段，虽然满足了抗滑稳定分析和应力分析，但由于施工及运行阶段存在各种风险因素，所以不能认为大坝就可以安全运行，对重力坝设计及运行过程中的各风险因素进行识别，计算其风险损失大小，并提出相应的应对风险的措施是十分必要且有意义的。
重力坝在满足稳定和强度要求后，也不能认为完全的安全，在其施工及运行中还存在许许多多的风险因素威胁着大坝的安全，这些安全隐患不容小觑，且大坝一旦出现事故，后果将不堪设想，所以本发明在设计中还包括该重力坝的风险评估。传统重力坝在设计时，仅仅按照应力应变等安全系数来校核坝的稳定性，并没有考虑大坝在实际运行过程中的风险因素及控制方法。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，包括如下步骤：
步骤S1，设计重力坝，包括：拟定重力坝的剖面、对重力坝进行荷载计算、对重力坝进行稳定性分析、对重力坝进行应力分析；
其中，所述拟定重力坝的剖面，包括：确定坝顶高程、确定坝基高程、拟定坝顶宽度、拟定剖面尺寸、拟定坝底宽度；
步骤S2，对重力坝进行风险评估，包括：对重力坝进行风险估计、对风险因素建立模糊综合评价、对重力坝工程进行风险评估、对重力坝工程风险评估结果进行分析，其中，所述对重力坝进行风险估计，包括如下步骤：对风险概率进行模糊估计、建立风险评价标准，其中所述对风险概率进行模糊估计，包括如下步骤：确定专家权重、对风险概率进行分级、对风险概率进行专家模糊估计、计算风险因素发生概率的隶属度；
所述建立风险评价标准，包括：建立风险分级标准和风险评价标准，其中，所述风险分级标准包括风险事故发生概率的等级标准和风险事故发生后的损失等级标准。
进一步，在所述步骤S1中，所述对重力坝进行荷载计算，包括：计算自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载。
进一步，在所述步骤S1中，所述对重力坝进行稳定性分析，包括：
采用单一安全系数法计算，公式如下：
其中，K′表示按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′表示坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，f′＝1.1；c′表示坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力,KPa，资料给出c’＝75t/m2，折合为735KPa；A表示坝基接触面截面积，m2；ΣW表示作用于坝体上全部荷载对滑动平面的法向分值,kN；ΣP表示作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值,kN。
进一步，在所述步骤S1中，所述对重力坝进行应力分析，包括：
采用单一安全系数法对基本组合(1)和特殊组合(1)两种情况分别分析水平截面上的正应力，假定σy按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力σyu和σyd。
ΣW表示作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；
ΣM表示作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和， kN·m；
B表示计算截面的长度,m；
坝体最大主应力计算：
pu＝γH1，pd＝γH2，
σ1u＝(1+n2)σyu-pun2
σ1d＝(1+m2)σyd-pdm2
要求计算的最大主应力不超过混凝土的容许应力值；
资料给出基岩极限抗压强度为[σ]＝650kg/cm2即[σ]＝6370kPa
基本组合(1)
pu＝γH1＝9.8×98.7＝967.3kPa
pd＝γH2＝9.8×12.4＝121.52kPa
σ1u＝(1+n2)σyu-pun2＝(1+0.22)×557.62-969.3×0.22＝541.15kPa
σ1d＝(1+m2)σyd-pdm2＝(1+0.82)×1412.20-121.52×0.82＝2238.23kPa
特殊组合(1)：
pu＝γH1＝9.8×101.2＝991.76kPa，pd＝γH2＝9.8×30.8＝301.84kPa
σ1d＝(1+m2)σyd-pdm2＝(1+0.802)×1389.75-301.84×0.802＝2085.60kPa。
进一步，在所述步骤S1中，所述确定坝顶高程，包括：
(1)计算超高值Δh
基本公式：坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，由下式计算
Δh＝h1％+hz+hc
Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
h1％—累计频率为1％时的波浪高度，m；
hz—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差,m；
hc—安全加高，
(2)计算坝顶高程
从下面两个公式中选择较大值，得到坝上游防浪墙顶高程：
防浪墙顶高程＝设计洪水位+Δh设
防浪墙顶高程＝校核洪水位+Δh校。
进一步，在所述步骤S2中，所述对风险因素建立模糊综合评价，包括：建立因素集、建立风险因素权重集、建立备择集、进行单因素模糊评价、进行模糊综合评价、建立风险水平分级、对评价指标进行处理。
进一步，在所述步骤S2中，所述对重力坝工程进行风险评估，包括：设置风险因素、确定风险评估指标体系及权重、对风险概率和风险损失进行模糊估计、建立风险评价过程。
进一步，所述建立风险评价过程，包括：建立风险因素集、建立风险因素权重集、建立备择集、第三层风险因素的模糊评价、第二层风险因素模糊综合评价、第一层模糊综合评价。
根据本发明实施例的基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，分析了风险评估理论和方法，包括风险内涵、风险识别、风险估计、风险评价。论文运用专家调查法，识别了重力坝的主要风险因素,应用模糊数学理论解决了风险估计中的模糊性及定量化困难的问题，分析得到重力坝风险因素的概率及损失估计；并基于R＝P×C模型及模糊综合评价法，综合考虑风险因素的发生概率及损失严重程度对风险水平的影响，得到各层次风险因素等级，为风险控制提供依据。
我国水利建设发展的速度很快，据统计，我国建坝数量居世界之首，而且不同形式的高坝在逐年增多，所以探索更加美观的坝体具有极其重要的意义。随着我国水利建设规模发展，以及在项目修建过程中面临更多的风险，水利工程风险评估的研究非常重要，也非常必要。随着我国水利建设高潮的到来，重力坝设计及其风险评估必然会越来越受到重视，对重力坝风险评估体系进行系统研究，以及对其施工风险具体研究都具有重要的理论与实际意义。基于此，本发明对水底隧道风险评估体系和施工风险评估提出了解决方案。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的挡水坝段剖面及荷载图；
图3为根据本发明实施例的溢流坝剖面及荷载图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明建立了一种了重力坝的工程风险模型,对重力坝施工过程中的风险做了仔细识别和整理，针对重力坝风险特点选取了模糊数学原理对施工风险进行估计、模糊综合评价法进行评价，并且阐述了根据层次分析法建立重力坝风险评估指标体系的方法和原理。
如图1所示，本发明实施例的基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，包括如下步骤：
步骤S1，设计重力坝，包括：拟定重力坝的剖面、对重力坝进行荷载计算、对重力坝进行稳定性分析、对重力坝进行应力分析。
具体的，重力坝设计内容包括：剖面拟定，荷载计算，应力分析和稳定分析。按工程资料及重力坝设计规范，拟定挡水坝段剖面及溢流坝段剖面，如图2和图3所示。
1、重力坝剖面拟定
(1)确定坝顶高程
(1.1)超高值Δh的计算
基本公式：坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，可由式(2-1)计算。
Δh＝h1％+hz+hc (2-1)
Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
h1％—累计频率为1％时的波浪高度，m；
hz—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差,m；
hc—安全加高，对于一级工程，设计情况hc＝0.7m，校核情况hc＝0.5m。
表1坝的安全加高
下面按官厅公式计算h1％,hz。
L＝10.4(hl)0.8 (2-3)
v0为计算风速,m/s,设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。波高hl,
时，为累计频率5％的波高h5％；当
时，为累计频率10％的波高h10％。规范规定应采用累计频率为1％时的波高，对应于5％波高，应乘以1.24；对应于10％波高，应乘以1.41。
首先计算波浪高度Hl和波浪长度L和波浪中心线超出静水面的高度hz。采用多年平均最大风速v0＝21.5m/s，水库吹程D＝3.05km，
波浪三要素计算如下：
波高
波长L＝10.4(hl)0.8＝10.4×1.110.8＝11.31m
壅高
h1％＝1.24h5％＝1.24×1.11＝1.38m；
hz＝0.34m；
设计洪水位时，
Δh＝h1％+hz+hc＝1.38+0.34+0.7＝2.42m
校核洪水位时，
Δh＝h1％+hz+hc＝1.38+0.34+0.5＝2.22m
(1.2)坝顶高程计算
坝上游防浪墙顶高程按式(3-5)计算，并选用其中较大值
防浪墙顶高程＝设计洪水位+Δh设
防浪墙顶高程＝校核洪水位+Δh校 (2-5)
根据以上两种水位时Δh计算结果，得出两种状况下防浪墙顶高程。
(1)设计洪水位时的坝顶高程：▽防浪墙顶高程＝设计洪水位 +Δh＝224.7+2.42＝227.12m
(2)校核洪水位时的坝顶高程：▽防浪墙顶高程＝校核洪水位 +Δh＝227.2+2.22＝229.42m
为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值▽防浪墙顶高程229.42m，所以取防浪墙顶高程为229.42m，高于波浪顶高程。按规范，防浪墙墙身高度可取1.2m，从而坝顶高程为228.22m，坝顶高程要高于校核洪水位227.2m。
(1.3)确定坝基高程
由于资料没有给出坝址处具体地质情况，并且此设计仅为最初可行性分析阶段，从而本设计就初定的坝基高程为河床高程(126.00m)，校核洪水位为227.20m，又坝顶高程为 228.22m，可知坝高为102.22m。
(3)拟定坝顶宽度
坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。因无特殊要求，根据规范的规定，坝顶宽度可采用坝高的8％～10％取值，且不小于2m并应满足交通和运行管理的需要。按坝高的9％计算，即为9.2米，考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝顶宽为12m，以满足大坝维修作业通行需要。
(1.4)拟定剖面尺寸
根据规范SL319-2005规定，非溢流坝段的基本断面呈三角形，其顶点宜在坝顶附近。基本断面上部设坝顶结构。坝体的上游面可为铅直面、斜面或折面。实体重力坝上游坝坡宜采用1∶0～1∶0.2，坝坡采用折面时，折坡点高程应结合电站进水口、泄水孔等布置，以及下游坝坡优选确定。
下游坝坡可采用一个或几个坡度，应根据稳定和应力要求并结合上游坝坡同时选定。下游坝坡宜采用1∶0.6～1∶0.8；对横缝设有键槽进行灌浆的整体式重力坝，可考虑相邻坝段联合受力的作用选择坝坡。
拟定坝体形状为基本三角形。坝的下游面为均一斜面，斜面的延长线与上游坝面相交于最高库水位处，为了便于布置进口控制设备，又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定，本次设计采用上游坝面上部铅直，下部倾斜的形式。该形式为实际工程中经常采用的一种形式，具有比较丰富的工程经验。
上游设置成折面可利用淤沙增加坝体自重，折点设置在淤沙水位以上，由资料可知，坝前淤沙高程为177.5m，故折点可取在高程为178m的位置。参考其他相似工程，初步拟定坝面坡度：上游坝坡取1：0.2，下游坝坡取1：0.8。
(1.5)坝底宽度拟定
坝底宽度约为坝高的0.7～0.9倍，本发明的坝高为102.17m，通过已经确定的上下游坝坡坡率，最终确定坝底宽度B＝89.4m。
溢流坝段同理，不再赘述。
(2)重力坝荷载计算
重力坝的主要荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等，常取1m坝长进行计算。荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。本次设计考虑的正常蓄水位情况和校核洪水位情况；计算成果如下表所示。
表2挡水坝段正常蓄水位时荷载计算成果表
表3挡水坝段校核洪水位荷载计算成果表
表4设计洪水位下溢流坝段荷载计算成果表
1.3重力坝稳定分析
重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法计算和验算。抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。抗滑稳定计算时取单宽作为计算单元。
采用单一安全系数法计算，公式如下：
式中：
K′——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；
f′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，f′＝1.1；
c′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力,KPa，资料给出c’＝75t/m2，折合为735KPa；
A——坝基接触面截面积，m2。
ΣW——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的法向分值,kN；
ΣP——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值,kN；
验算成果记录如下：
表5稳定性分析成果表
比较相应的表中Ks，本发明可以看出各种情况下Ks＞3.0，大坝都满足稳定性要求。
1.4重力坝应力分析
用材料力学法计算边缘应力。当采用材料力学法分析坝体应力时，SL 319-2005《混凝土重力坝设计规范》规定的强度指标如下。重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求：在各种荷载组合下(地震荷载除外)，坝踵垂直应力不应出现拉应力；坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力；坝体最大主压应力，应不大于混凝土的允许压应力值。
以下采用单一安全系数法对基本组合(1)和特殊组合(1)两种情况分别分析水平截面上的正应力。假定σy按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力σyu和σyd。
ΣW—作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；
ΣM—作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和， kN·m；
B—计算截面的长度,m。
坝体最大主应力计算：
pu＝γH1，pd＝γH2， (2-9)
σ1u＝(1+n2)σyu-pun2
σ1d＝(1+m2)σyd-pdm2 (2-10)
要求计算的最大主应力不超过混凝土的容许应力值。
资料给出基岩极限抗压强度为[σ]＝650kg/cm2即[σ]＝6370kPa
基本组合(1)
pu＝γH1＝9.8×98.7＝967.3kPa
pd＝γH2＝9.8×12.4＝121.52kPa
σ1u＝(1+n2)σyu-pun2＝(1+0.22)×557.62-969.3×0.22＝541.15kPa
σ1d＝(1+m2)σyd-pdm2＝(1+0.82)×1412.20-121.52×0.82＝2238.23kPa
特殊组合(1)：
pu＝γH1＝9.8×101.2＝991.76kPa，pd＝γH2＝9.8×30.8＝301.84kPa
σ1d＝(1+m2)σyd-pdm2＝(1+0.802)×1389.75-301.84×0.802＝2085.60kPa
经计算可知，两种工况下坝踵处均为压应力，坝趾处应力值满足坝基岩的强度要求，并且两种工况下的上下游最大主应力值均小于混凝土坝要求的混凝土强度容许值，即设计是可行的。
溢流坝段应力分析方法同挡水坝段，经分析后，溢流坝段应力值满足强度要求，这里不再赘述。
1.5重力坝创新设计
本发明的重力坝设计的创新之处在于使坝体满足稳定要求和强度要求的基础上，增强大坝的可观赏性，使大坝不再千篇一律。本发明设想在大坝外型上使用富有中国特色民族文化的建筑缩影，如布达拉宫、蒙古包、长城等。亦或是一代伟人的雕像，为大坝建设做出贡献的为人们。又亦或是被大坝建设淹没的代表物集合图。亦或是中国特有的植物，水果，供游客观赏采摘。
步骤S2，对重力坝进行风险评估，包括：对重力坝进行风险估计、对风险因素建立模糊综合评价、对重力坝工程进行风险评估、对重力坝工程风险评估结果进行分析。
(1)风险是指在一定条件下和一定时期内某项行动可能发生的各种不利结果的变动程度。
用数学手段描述为：
R＝P×C
其中R为某项行动，P是该项行动中潜风在的风险事态发生的可能性(概率)，C 为其造成的结果(损失)。
(2)风险估计及风险评价
风险估计是风险评估重要的中间环节，所谓的风险估计就是对识别的风险源进行估计，估计潜在损失发生的可能性和损失的程度或规模大小，即损失发生可能性的估算和严重性的估算，以便于评价各种潜在损失的相对重要性，从而为风险评价提供依据。换句话说，风险估计就是对识别的风险源进行测量，给定某一风险发生的概率，用以衡量风险发生的可能性及其造成的后果，即在过去损失资料分析的基础上，运用概率论和数理统计方法对某一或某几个特定风险事故发生的概率和风险事故发生后可能造成损失的严重程度做出定量或定性分析。
风险评价是指在风险识别和风险估计的基础上，把风险发生的可能性、损失严重程度，结合其他因素综合起来考虑，得出项目发生风险的危害程度，再与风险的评价标准比较，确定项目的风险等级。然后根据项目的风险等级，决定是否需要采取控制措施，以及控制措施采取到什么程度。
风险评估的方法有很多，如专家打分法，层分析法，故障树分析法等等，本文采用模糊综合评价法。事物的模糊性主要是指客观事物间性质的差异在过渡过程中表现出的不分明性，即用来判定事物属性的边界不清楚。人脑中所形成的概念几乎都是模糊的，由此而形成的判断及推理也都是模糊的。模糊性、不确定性的问题通常采用模糊数学来研究。模糊综合评价就是在对多种因素所影响的事物或现象进行总的评价过程中涉及到模糊因素或模糊概念的一种评价方式。模糊综合评价的理论体系建立在模糊集合论基础上，同时其自身有严格的理论体系。模糊综合评价可以满足多因素、多层次的评价要求。
(3)重力坝风险估计
3.1模糊数学理论
模糊集合的概念是美国学者L.A.Zadeh于1965年首次提出，对模糊的行为和活动建立模型。模糊数学从二值逻辑的基础上转移到连续逻辑上来，把绝对的“是”与“非”变为更加灵活的东西，在相当的限阙上去相对地划分“是”与“非”，这并非让数学放弃它的严格性去迁就模糊性，相反，是以严格的数学方法去处理模糊现象。
模糊数学的优势在于：它为现实世界中普遍存在的模糊、不清晰的问题提供了一种充分的概念化结构，并以数学的语言去分析和解决它们。它特别适合用于处理那些模糊、难以定义的并难以用数字描述而易于用语言描述的变量。重力坝在施工及运行中潜含的各种风险因素很大一部分难以用数字来准确地加以定量描述，但都可以利用历史经验或专家知识，用语言生动地描述出它们的性质及其可能的影响结果。并且，现有的绝大多数风险分析模型都是基于需要数字的定量技术，而与风险分析相关的大部分信息却是很难用数字表示的，但易于用文字或句子来描述，这种性质最适合于采用模糊数学模型来解决问题。
模糊数学处理非数字化、模糊、难含义的变量有独到之处，并能提供合理的数学规则去解决变量问题，相应得出的数学结果又能通过一定的方法转为语言描述。这一特性极适于解决重力坝施工及运行中普遍存在的潜在的风险。
下面对模糊数学中的几个概念加以说明：
模糊集
设x是论域，称uA→x∈{0,1}，x∈uA,确定了X的一个模糊子集，简称模糊集，记为A。uA则称为模糊集A的隶属函数。uA(x)称为元素X隶属于A的程度，简称隶属度。
隶属函数
隶属函数的确定是模糊理论的基础，隶属函数的确定带有人主观因素，但决不可以任意臆造，而必须以客观规律为基础。隶属函数的确定通常首先初步确定粗略的隶属函数，然后通过不断的实践检验，逐渐修正和完善，最终达到主观和客观的一致。
隶属函数的确定有许多确定方法，例如：五点法、三分法、选择法、遗传算法、专家经验法、典型函数法、模糊统计法、可变模型法、相对选择法等。
3.2风险概率模糊估计
针对重力坝工程的特点，本文选用专家经验法确定隶属函数，通过专家的经验和学识来估计风险概率和风险损失。
1.确定专家权重
本文采用加权平均法对专家经验法得到的数据进行处理，确定风险概率的隶属度。根据专家的年龄、资历、经验等，将专家大致分为四类，专家权重分别取1.0、0.8、 0.5、0.3，其中一类专家所做出的判断是最可靠的，数据反映的最可靠。
2.风险概率分级
本文根据国际通用的风险发生概率定性的定级方法，将风险发生概率P分为五级。
表6风险概率等级表
3.专家模糊估计
第i个专家对第j个风险因素的5个发生概率等级隶属度作评价，可用下式表示：
其中，
4.风险因素发生概率的隶属度
根据n个专家对某一风险因素J的概率隶属度评价结果，进行加权平均，则可得风险因素j发生概率的模糊集：
式中，n代表专家个数，y代表专家权重。
3.3风险评价标准
重力坝施及运行工期间发生的工程风险，是否可以接受及接受的程度如何，决定着不同的风险控制对策和处理措施，进行水底隧道风险评价就需要明确风险等级及接受准则。
3.3.1风险分级标准
风险分级标准包括风险事故发生概率的等级标准(简称风险概率等级)，和风险事故发生后的损失等级标准(简称风险损失标准)。
表7风险损失等级标准表
3.3.2风险评价标准
风险评价标准表
表8风险接收准则表
4模糊综合评价理论
4.1建立因素集
因素集是影响评价对象的各种风险因素所组成的一个普通集合。即U＝ {u1,u2,……um}。式中，U是因素集，ui代表各风险因秦。这些因素，通常都具有不同程度的模糊性，设风险因素集为U。Ui为第一层次(最高层次)风险中第i个风险因素，它又是由第二层次风险中的几个因素决定。即ui＝{ui1,……uij}，uij为第二层风险因素，由第三层风险因素所决定。
4.2建立风险因素权重集
在因素集中，各风险因素的重要程度是不一样的。为了反映各风险因素的重要程度，对各个风险因素ui应赋予一个相应的权数wi。由各权数所组成的集合：W＝ (w1,w2,……wi)称为权重集。
通常,各权数wi应满足归一性和非负性条件：
4.3建立备择集
备择集是评价者对评价对象可能做出的各种总的评价结果所组成的集合，通常用大写字母V表示，各元素vi(i＝1，2，...n)代表各种可能的总评价结果。模糊评价的目的，就是在综合考虑所有风险因素的基础上，从备择集中，得出一个最佳的评价结果。评价结果是从V中得出一个最合理的风险等级。
4.4单因素模糊评价
单独从一个基本风险因素出发进行评价，以确定评价对象对备择集元素的隶属程度，便称为单因素模糊评价。
设评价对象按因素集中第i个因素ui(i＝1,2,……m)进行评价，对备择集中第j个元素vij的隶属度为rij，则按第i个因素ui(i＝1,2,……m)进行评价的结果，可用模糊集合表示为：Rij，称为单因素风险评价集。
将各基本因素评价集的隶属度为行组成的矩阵R，称为单因素评价矩阵。
4.5模糊综合评价
单因素模糊评价，仅反映了一个基本风险因素对评价对象的影响。这显然是不够的。综合考虑所有基本风险因素的影响，得出对上一层次风险因素科学的评价结果，这便是模糊综合评价。
从单因素评价矩阵R可以看出：R的第i行，反映了第i个风险因素影响评价对象取各个备择元素的程度；R的第j列，则反映了所有风险因素影响评价对象取第j个备择元素的程度。在R的各项作用以相应因数的权数wi(i＝1......m)，则便能合理地反映所有风险因素的综合影响。因此，模糊综合评价，可表示为：
B＝W×R
权重w可视为一m行的模糊矩阵，上式可按模糊矩阵乘法进行运算，即
B为模糊综合评价集,是指综合考虑上一层次风险因素下面的所有基本风险因素的影响时，评价对象对备择集中n第个元素的隶属度，称为模糊综合评价指标，简称评价指标。
4.6风险水平分级
表9风险水平分级表
4.7评价指标的处理
得到评价指标bj后，一般采用加权平均法进行处理：
5重力坝工程风险评估
5.1工程概况
该水库位于L河干流上，控制流域面积33700Km2，总库容为25.5亿m3。水库枢纽由挡水坝、溢流坝、电站及池水底孔等部分组成。水库的主要任务是调节水量、供城市工业用水和人民生活用水，结合引水发电兼顾防洪等综合利用。根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，枢纽工程等别为I等。大坝为I级建筑物(即挡水坝、溢流坝)，其它(如电站及泄水底孔)均按2级建筑物考虑。
5.2风险因素识：
表10风险因素
5.3风险评估指标体系及权重确定
根据上层得出的风险因素，结合层分析法，建立重力坝风险评估指标体系。用1-9标度法及根植近似计算分得出各因素的权重。
本文将重力坝风险评估指标体系分为三层：
第一层为目标层：U
第二层为风险因素：U1～U4
第三层为隶属于第二层风险因素的风险因素：U11～U12，U21～U23，U31～U33，U41～U42
确定权重的具体过程如下(以u21～u23为例)：
1.构造两两判断矩阵
在建立递阶层次结构以后，上下层次之间元素的隶属关系就被确定了。假定上一层的元素U作为准则，对下一层次的元素u1,u2........un有支配关系，在准则U之下按其相对重要性赋予相应的权重。这一步中，要反复回答问题：针对准则U，两个元素ui和uj哪一个更重要些，重要多少。需要对重要多少赋予一定数值，本文使用1～9的比例标度，它们的意义见下表。
表11 1-9标度表
a1＝(1,2,5)，
2.采用根法近似计算wi
(1)求
同理，
(2)归一化处理
同理，w2＝0.309，w3＝0.109
这样就计算出了各因素的权重值，一同样的方法计算其他各项风险因素权重值，
列表如下：
表12重力坝各风险因素权重计算结果表
5.4风险估计
5.4.1风险概率模糊估计
表13风险概率模糊估计表
5.4.2风险损失模糊估计
表14风险损失模糊估计表
5.5风险评价过程
本文采用模糊综合评价法对重力坝工程进行风险评价。
5.5.1建立风险因素集
对重力坝工程风险因素分为三层
5.5.2建立风险因素权重集
2.5.5.3建立备择集
备择集是评价者对评价对象可能做出的各种总的评价结果所组成的集合。本例将备择集分为一级、二级、三级、四级、五级五个等级，其意义见.
2.5.5.4第三层风险因素的模糊评价
现以地质条件风险层(u11及u12)为例进行说明：
表15地质条件风险因素估计表(摘于表13及14)
1.计算风险因素评价指标
风险因素评价指标的计算公式为：
其中uRj1＝uC1j·uPAj+uC1j·uPBj+uC1j·uPCj+uC2j·uPAj (2-12)
uRj2＝uC1j·uPDj+uC1j·uPEj+uC2j·uPBj+uC2j·uPCj+uC3j·uPAj (2-13)
uRj3＝uC2j·uPDj+uC2j·uPEj+uC3j·uPBj+uC3j·uPCj+uC4j·uPAj+uC4j·uPBj (2-14)
uRj4＝uC3j·uPDj+uC3j·uPEj+uC4j·uPCj+uC4j·uPDj+uC5j·uPAj+uC5j·uPBj (2-15)
uRj5＝uC4j·uPEj+uC5j·uPCj+uC5j·uPDj+uC5j·uPEj (2-16)
将数据代入以上公式：
uR11＝uC11·uPA1+uC11·uPB1+uC11·uPC1+uC21·uPA1
＝0.00×0.15+0.00×0.49+0.00×0.29+0.07×0.15＝0.01
uR12＝uC11·uPD1+uC11·uPE1+uC21·uPB1+uC21·uPC1+uC31·uPA1
＝0.00×0.07+0.00×0.00+0.07×0.49+0.07×0.29+0.35×0.15＝0.11
uR13＝uC21·uPD1+uC21·uPE1+uC31·uPB1+uC31·uPC1+uC41·uPA1+uC41·uPB
＝0.07×0.07+0.07×0.00+0.35×0.49+0.35×0.29+0.58×0.15+0.58×0.49＝0.65
uR14＝uC31·uPD1+uC31·uPE1+uC41·uPC1+uC41·uPD1+uC51·uPA1+uC51·uPB1
＝0.35×0.07+0.35×0.00+0.58×0.29+0.58×0.07+0.00×0.15+0.00×0.49＝0.23
uR15＝uC41·uPE1+uC51·uPC1+uC51·uPD1+uC51·uPE1
＝0.58×0.00+0.00×0.29+0.00×0.07+0.00×0.00＝0.00
同理，可得
R2＝(0.02,0.13,0.67,0.18,0.00)
2.计算风险水平
本文采用加权平均法计算风险水平，采用取值计算，可得各单因素风险水平：
3.确定风险水平等级
40＜v1＜60，三级
40＜v2＜60，三级
第三层其他风险因素评价如上所述，其结果见下表：
表16第三层风险因素评价结果表
5.5.5第二层风险因素模糊综合评价
由以上得到的单因素风险评价指标Rj及个因素权重，可得第二层风险因素的评价指标bj。下面仍以地质条件风险层为例进行说明：
由上可知，地质条件风险层风险因素标价指标bj的计算式为：
将权重w1,w2以及地质条件风险层风险评价指标集R代入上式，得
采用加权平均处理，得地质条件风险因素的模糊综合和评价的风险水平：
40＜v1＜60，风险水平属于三级
对于施工风险层U2的风险指标计算如下：
40＜v2＜60
风险等级属于三级
对于环境风险层U3的风险指标计算如下：
40＜v3＜60
风险水平属于三级
对于运营风险U4的风险指标计算如下
40＜v4＜60
风险水平属于三级
将以上计算结果列表如下：
表17第二层风险因素评价结果表
5.5.6
第一层(总目标层)模糊综合评价
通过初级模糊综合评价，可以得到总目标层下(第二层)风险因素评价指标R',结合第二层风险因素的权重，再根据公式B＝W×R计算总目标层风险评价指标，具体过程为：
40＜v＜60
所以，重力坝工程的风险水平属于三级。
6、重力坝工程风险评估结果分析
从在第三层风险因素评价结果中可以看出，施工技术风险属于四级，是不可接受的，所以要求参与工程的各方必须研究制定严格的施工技术方案以规避风险，并制定相应的防护措施。其他的各风险因素属于二级或三级，属于“可接受”范围，但参与工程各方也应给予足够的重视，制定相关方案以防范风险。
从第二层风险因素评价结果中可以看出，各风险因素的水平都属于三级，属于“可接受”的范围，即工程参与各方要对个风险因素给予重视，制定监控及防护措施。
根据本发明实施例的基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，分析了风险评估理论和方法，包括风险内涵、风险识别、风险估计、风险评价。论文运用专家调查法，识别了重力坝的主要风险因素,应用模糊数学理论解决了风险估计中的模糊性及定量化困难的问题，分析得到重力坝风险因素的概率及损失估计；并基于R＝P×C模型及模糊综合评价法，综合考虑风险因素的发生概率及损失严重程度对风险水平的影响，得到各层次风险因素等级，为风险控制提供依据。
我国水利建设发展的速度很快，据统计，我国建坝数量居世界之首，而且不同形式的高坝在逐年增多，所以探索更加美观的坝体具有极其重要的意义。随着我国水利建设规模发展，以及在项目修建过程中面临更多的风险，水利工程风险评估的研究非常重要，也非常必要。随着我国水利建设高潮的到来，重力坝设计及其风险评估必然会越来越受到重视，对重力坝风险评估体系进行系统研究，以及对其施工风险具体研究都具有重要的理论与实际意义。基于此，本发明对水底隧道风险评估体系和施工风险评估提出了解决方案。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (8)
1.一种基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，设计重力坝，包括：拟定重力坝的剖面、对重力坝进行荷载计算、对重力坝进行稳定性分析、对重力坝进行应力分析；
其中，所述拟定重力坝的剖面，包括：确定坝顶高程、确定坝基高程、拟定坝顶宽度、拟定剖面尺寸、拟定坝底宽度；
步骤S2，对重力坝进行风险评估，包括：对重力坝进行风险估计、对风险因素建立模糊综合评价、对重力坝工程进行风险评估、对重力坝工程风险评估结果进行分析，其中，所述对重力坝进行风险估计，包括如下步骤：对风险概率进行模糊估计、建立风险评价标准，其中所述对风险概率进行模糊估计，包括如下步骤：确定专家权重、对风险概率进行分级、对风险概率进行专家模糊估计、计算风险因素发生概率的隶属度；
所述建立风险评价标准，包括：建立风险分级标准和风险评价标准，其中，所述风险分级标准包括风险事故发生概率的等级标准和风险事故发生后的损失等级标准。
2.如权利要求1所述的基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述对重力坝进行荷载计算，包括：计算自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载。
3.如权利要求1所述的基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述对重力坝进行稳定性分析，包括：
采用单一安全系数法计算，公式如下：
其中，K′表示按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′表示坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，f′＝1.1；c′表示坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力,KPa，资料给出c’＝75t/m2，折合为735KPa；A表示坝基接触面截面积，m2；ΣW表示作用于坝体上全部荷载对滑动平面的法向分值,kN；ΣP表示作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值,kN。
4.如权利要求1所述的基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述对重力坝进行应力分析，包括：
采用单一安全系数法对基本组合(1)和特殊组合(1)两种情况分别分析水平截面上的正应力，假定σy按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力σyu和σyd。
ΣW表示作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；
ΣM表示作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kN·m；
B表示计算截面的长度,m；
坝体最大主应力计算：
pu＝γH1，pd＝γH2，
σ1u＝(1+n2)σyu-pun2
σ1d＝(1+m2)σyd-pdm2
要求计算的最大主应力不超过混凝土的容许应力值；
资料给出基岩极限抗压强度为[σ]＝650kg/cm2即[σ]＝6370kPa
基本组合(1)
pu＝γH1＝9.8×98.7＝967.3kPa
pd＝γH2＝9.8×12.4＝121.52kPa
σ1u＝(1+n2)σyu-pun2＝(1+0.22)×557.62-969.3×0.22＝541.15kPa
σ1d＝(1+m2)σyd-pdm2＝(1+0.82)×1412.20-121.52×0.82＝2238.23kPa
特殊组合(1)：
pu＝γH1＝9.8×101.2＝991.76kPa，pd＝γH2＝9.8×30.8＝301.84kPa
σ1d＝(1+m2)σyd-pdm2＝(1+0.802)×1389.75-301.84×0.802＝2085.60kPa。
5.如权利要求1所述的基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述确定坝顶高程，包括：
(1)计算超高值Δh
基本公式：坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，由下式计算
Δh＝h1％+hz+hc
Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
h1％—累计频率为1％时的波浪高度，m；
hz—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差,m；
hc—安全加高，
(2)计算坝顶高程
从下面两个公式中选择较大值，得到坝上游防浪墙顶高程：
防浪墙顶高程＝设计洪水位+Δh设
防浪墙顶高程＝校核洪水位+Δh校。
6.如权利要求1所述的基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述对风险因素建立模糊综合评价，包括：建立因素集、建立风险因素权重集、建立备择集、进行单因素模糊评价、进行模糊综合评价、建立风险水平分级、对评价指标进行处理。
7.如权利要求1所述的基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述对重力坝工程进行风险评估，包括：设置风险因素、确定风险评估指标体系及权重、对风险概率和风险损失进行模糊估计、建立风险评价过程。
8.如权利要求7所述的基于层次分析及模糊综合评价的重力坝风险评估计算方法，其特征在于，所述建立风险评价过程，包括：建立风险因素集、建立风险因素权重集、建立备择集、第三层风险因素的模糊评价、第二层风险因素模糊综合评价、第一层模糊综合评价。
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