基于TOPSIS和AHP法的惠民水庫溢洪道閘門安全分析

胡天曲

(上饒市國控水利水電工程建設監理有限公司，江西 上饒 334000)

水庫溢洪道在泄洪、安全度汛方面扮演著重要角色[1-2]，水庫溢洪道閘門存在銹蝕、磨損及老化等安全問題，分析溢洪道閘門的安全性變得尤為重要[3-4]。

目前，關于溢洪道閘門安全性的研究主要分為兩方面：一是保障閘門安全性，張偉超等[5]提出了閘門防腐處理施工工藝和質量控制的具體方法以保障閘門耐久性；二是對閘門結構進行安全性鑒定，馬洪雁等[6]利用溢洪道閘門結構數據并依據標準給出安全鑒定結果。溢洪道閘門結構安全分析方法可以掌握溢洪道狀態，保障水庫的正常運行。但現有水庫溢洪道金屬閘門安全鑒定方式通常依據閘門結構檢測結果和相關標準評價，該方式不能夠充分利用實測數據，主觀意識強，不能區分各類指標對閘門結構的影響，無法滿足實際需求[7-8]。針對上述問題，通過可區分評價對象重要性的優劣解距離法[9-10](Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)和可區分指標特性的層次分析法[11-12](Analytic Hierarchy Process，AHP)，基于實測指標數據，對數據進行定量、定性分析，充分體現不同指標對不同閘門金屬結構的影響，實現對閘門的安全鑒定。

文章以江西省鳳崗惠民水庫為研究對象，基于閘門腐蝕程度、涂層厚度、金屬結構厚度及材料強度等實測指標數據，采用TOPSIS和AHP法對溢洪道不同閘門進行安全鑒定。

1 工程概況

鳳岡惠民水庫位于江西省宜黃縣鳳崗鎮澄源村。該水庫工程等級為Ⅳ級別，多年平均來水量1822萬m3，總庫容563.3萬m3，興利庫容462.4萬m3，正常蓄水位146.0m，校核洪水位為148.20m，是一座以灌溉為主，兼顧供水等綜合利用的小型水利樞紐工程。該水庫蓄水期間庫區迎水段易發生地質災害，為保證水庫閘門的正常運行，需要對閘門金屬結構進行安全評價?；谀硻z測中心站提供的1#、2#和3#閘門金屬腐蝕、涂層厚度、金屬結構厚度及材料強度等檢測數據，利用TOPSIS-AHP法分別對閘門下游面板、閘門主要承力結構及閘門整體結構進行安全評價。

2 TOPSIS-AHP法基本原理

TOPSIS-AHP法考慮評價對象與指標差異性，充分利用實測數據，簡單科學，基本原理如下：

(1)構造歸一化初始矩陣。設有n個對象，m個評價指標，構造原始數據矩陣，如式(1)。

(1)

(2)溢洪道閘門安全評價中不同的指標存在著重要性區別，因此，采用陳等[11]使用層次分析法確定不同指標的權重，并按照不同指標屬性進行向量規范化，如式(2)，得到標準矩陣Z，如式(3)。

(2)

(3)

(3)采用余弦法得到總體方案中的最優和最劣方案，其中最優方案Z+為Z中每列元素最大值，如式(4)；最劣方案Z-為Z中每列元素最小值，如式(5)。

Z+=(max{z11，z21，…，zn1}，max{z12，z22，

…，zn2}，…，max{z1m，z2m，…，znm})

(4)

Z-=(min{z11，z21，…zn1}，min{z12，z22，

…，zn2}，…，min{z1m，z2m，…，znm})

(5)

(4)計算評價對象i的元素與最優方案和最劣方案之間的接近距離，如式(6)和式(7)。

(6)

(7)

式中，wj—第j指標權重系數。

(5)計算評價對象i與最優方案的貼近程度Si，如式(8)。

(8)

(6)根據Si計算值的大小進行排序，得到最終評價結果。

3 溢洪道金屬結構檢測

鳳崗惠民水庫溢洪道由閘室段、泄洪段和挑流鼻坎組成，對溢洪道閘門進行安全評價一般會考慮閘門的腐蝕程度、涂層厚度、金屬結構厚度和材料強度等指標。以下為上述4個實測指標的檢測情況。

3.1 腐蝕狀況檢測

腐蝕會影響閘門金屬結構安全性，需對閘門金屬結構進行檢測。根據SL 105—2007《水工金屬結構防腐蝕規范》進行腐蝕檢測抽檢工作，選擇1#、2#和3#共3扇閘門進行抽檢工作，本處對腐蝕嚴重的2#閘門進行重點描述。腐蝕檢測采用卷尺、游標卡尺和焊縫檢驗尺進行檢驗工作，檢測內容包含銹蝕深度、銹蝕面積。其中銹蝕深度采用焊縫檢測尺檢測，檢測精度為0.05mm，檢測結果見表1，銹蝕面積檢測通過卷尺實現，檢測結果見表2。

表1 溢洪道2#閘門銹蝕深度檢測結果

表2 溢洪道2#閘門銹蝕面積檢測結果

利用上述閘門腐蝕檢測方法，檢測站人員依據檢測實際情況和檢測標準對不同閘門的腐蝕程度予以評分見表3。

表3 不同閘門腐蝕程度評分表

經腐蝕檢測，鳳崗惠民水庫閘門腐蝕情況整體良好，除2#閘門外，其他閘門腐蝕情況比較輕。2#最大腐蝕深度為1.44mm，對閘門無結構性影響，建議進行適當修復以避免腐蝕加深影響閘門正常使用。

3.2 涂層厚度檢測

涂層厚度影響閘門金屬防腐蝕能力，對涂層厚度檢測。根據SL 105—2007《水工金屬結構防腐蝕規范》進行涂層厚度抽檢工作，選擇1#、2#和3#閘門進行抽檢工作，選用滄州歐譜OU3600涂層測厚儀，閘門涂層厚度檢測結果見表4。

表4 不同閘門不同檢測位置涂層厚度檢測結果 單位：μm

3.3 金屬結構厚度檢測

閘門金屬結構厚度降低會導致閘門無法抵御上游水壓力，進行結構厚度檢測。根據GB/T 709—2022《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》進行結構厚度抽檢工作為有損檢測，選擇1#、2#和3#閘門進行抽檢工作，選用科電HCH-3000超聲波測厚儀，選擇與涂層檢測相同位置，檢測結果見表5。

表5 不同閘門不同檢測位置金屬結構厚度檢測結果 單位：mm

3.4 金屬材料強度檢測

金屬結構材料的強度及硬度可以直接反映材料的安全情況。根據SL 101—2014《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術流程》進行材料強度抽檢，選擇1#、2#和3#閘門進行抽檢，選用TH140型數顯硬度計，選擇與涂層檢測相同位置進行檢測，結果見表6。

表6 不同閘門不同檢測位置金屬強度檢測結果 單位：MPa

4 安全評價

4.1 閘門下游面板安全分析

閘門下游面板安全分析流程如下：

(1)構建初始指標體系表，見表7。閘門腐蝕程度選擇打分結果，涂層厚度、金屬結構厚度及材料強度指標選擇實測平均值。

表7 閘門下游面板初始指標體系表

(2)基于層次分析法計算權重向量，構造判別矩陣見式(9)，計算得到特征值λmax=4.043及權向量H=[0.201，0.078，0.201，0.520]。

(9)

(3)對初始矩陣進行歸一化處理，見表8。

表8 閘門下游面板不同指標歸一化矩陣表

(4)確定最優方案和最劣方案見表9。

表9 最優方案集合

(5)計算貼近程度值Si并完成排序見表10。

表10 閘門下游面板TOPSIS評價結果

正理想解D+數值越小表明與最優方案距離越近，負理想解D+數值越大表明結果越差，通過比較貼近程度值Si，可知鳳崗惠民水庫閘門安全程度排序應該為3#閘門>1#閘門>2#閘門，符合實際檢測情況。

4.2 閘門主要承力結構安全分析

依據TOPSIS-AHP閘門安全評價法，閘門主梁和次梁等主要承力結構安全分析流程如下：

(1)主梁安全評價

主梁初始評價矩陣見表11，初始矩陣評價歸一化及最值見表12，根據最優方案和最劣方案計算評價指標正、負理想解及貼近程度見表13。

表11 閘門主梁初始評價表

表12 閘門主梁初始評價表

表13 閘門主梁TOPSIS評價結果

(2)縱梁安全評價

縱梁初始評價矩陣見表14，初始矩陣評價歸一化及最值見表15，根據最優方案和最劣方案計算評價指標正、負理想解及貼近程度見表16。

表14 閘門縱梁初始評價表

表15 閘門縱梁初始評價表

表16 閘門縱梁TOPSIS評價結果

根據表10、表13和表16發現下游面板、主梁和縱梁的安全評價結果存在一定差異性，主要是因為不同指標對閘門的不同位置的影響程度不同，如面板是接觸水體的主要結構，腐蝕和涂層厚度的影響相對較大，而主梁和縱梁距離水面比下游面板遠，但需要能承受更強的水流沖擊，因此金屬結構的硬度和厚度對于主梁和總量的影響程度更大。

4.3 閘門整體結構安全分析

溢洪道閘門不同部位的工作狀況存在差異，一般下游面板、縱梁和主梁距離水面的距離逐漸增加。閘門面板重要程度最高，其次為縱梁和主梁，溢洪道綜合整體結構安全分析需考慮不同部位的重要程度。使用層次分析法對同一閘門的下游面板、主梁和縱梁等進行重要程度劃分，以閘門下游面板、主梁和縱梁計算的貼近程度值作為輸入，見表17，構造判別矩陣見式(10)，并計算得到特征值λmax=3.065和權向量H=[0.731，0.081，0.188]。

(10)

表17 閘門不同部位貼近程度值Si

將同一閘門不同部位的貼近程度值Si與權值向量H逐項相乘后累加得到該閘門的安全評價值，如1#閘門計算過程為：0.731×0.672+0.081×0.591+0.188×0.860=0.701，2#閘門和3#閘門計算過程類似，評價值分別為0.152和0.729，通過比較閘門的綜合安全值得到閘門的安全程度評價結果為3#閘門>1#閘門>2#閘門，符合實際檢測情況。實際運行管理中2#閘門處于溢洪道正中間位置，承擔了主要的放水泄洪工作，一般運行時會首先開啟，啟閉次數高、工作時間長，因此，閘門止水縫漏水和面板腐蝕情況較嚴重，需要定期進行檢修和維護工作。

5 結語

本文對我國水庫溢洪道金屬結構閘門安全管理問題進行剖析，利用溢洪道閘門金屬結構腐蝕程度、涂層厚度、金屬結構厚度及材料強度指標的實測數據，采用AHP法確定不同指標影響，采用TOPSIS法確定不同評價對象(閘門)安全度，結果表明該評價方法的閘門的安全評價值結果準確、可靠。為水庫溢洪道閘門結構安全分析提供了一種新的思路，完善了溢洪道金屬閘門安全管理體系。同時，本分析方法沒有充分考慮閘門側移等問題對于金屬結構的影響，結論尚有一定局限性，應用時應結合項目全面考慮，以期完善水庫溢洪道閘門安全管理體系。