基于TOPSIS和AHP法的惠民水库溢洪道闸门安全分析

胡天曲

(上饶市国控水利水电工程建设监理有限公司，江西 上饶 334000)

水库溢洪道在泄洪、安全度汛方面扮演着重要角色[1-2]，水库溢洪道闸门存在锈蚀、磨损及老化等安全问题，分析溢洪道闸门的安全性变得尤为重要[3-4]。

目前，关于溢洪道闸门安全性的研究主要分为两方面：一是保障闸门安全性，张伟超等[5]提出了闸门防腐处理施工工艺和质量控制的具体方法以保障闸门耐久性；二是对闸门结构进行安全性鉴定，马洪雁等[6]利用溢洪道闸门结构数据并依据标准给出安全鉴定结果。溢洪道闸门结构安全分析方法可以掌握溢洪道状态，保障水库的正常运行。但现有水库溢洪道金属闸门安全鉴定方式通常依据闸门结构检测结果和相关标准评价，该方式不能够充分利用实测数据，主观意识强，不能区分各类指标对闸门结构的影响，无法满足实际需求[7-8]。针对上述问题，通过可区分评价对象重要性的优劣解距离法[9-10](Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)和可区分指标特性的层次分析法[11-12](Analytic Hierarchy Process，AHP)，基于实测指标数据，对数据进行定量、定性分析，充分体现不同指标对不同闸门金属结构的影响，实现对闸门的安全鉴定。

文章以江西省凤岗惠民水库为研究对象，基于闸门腐蚀程度、涂层厚度、金属结构厚度及材料强度等实测指标数据，采用TOPSIS和AHP法对溢洪道不同闸门进行安全鉴定。

1 工程概况

凤冈惠民水库位于江西省宜黄县凤岗镇澄源村。该水库工程等级为Ⅳ级别，多年平均来水量1822万m3，总库容563.3万m3，兴利库容462.4万m3，正常蓄水位146.0m，校核洪水位为148.20m，是一座以灌溉为主，兼顾供水等综合利用的小型水利枢纽工程。该水库蓄水期间库区迎水段易发生地质灾害，为保证水库闸门的正常运行，需要对闸门金属结构进行安全评价。基于某检测中心站提供的1#、2#和3#闸门金属腐蚀、涂层厚度、金属结构厚度及材料强度等检测数据，利用TOPSIS-AHP法分别对闸门下游面板、闸门主要承力结构及闸门整体结构进行安全评价。

2 TOPSIS-AHP法基本原理

TOPSIS-AHP法考虑评价对象与指标差异性，充分利用实测数据，简单科学，基本原理如下：

(1)构造归一化初始矩阵。设有n个对象，m个评价指标，构造原始数据矩阵，如式(1)。

(1)

(2)溢洪道闸门安全评价中不同的指标存在着重要性区别，因此，采用陈等[11]使用层次分析法确定不同指标的权重，并按照不同指标属性进行向量规范化，如式(2)，得到标准矩阵Z，如式(3)。

(2)

(3)

(3)采用余弦法得到总体方案中的最优和最劣方案，其中最优方案Z+为Z中每列元素最大值，如式(4)；最劣方案Z-为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)计算评价对象i的元素与最优方案和最劣方案之间的接近距离，如式(6)和式(7)。

(6)

(7)

式中，wj—第j指标权重系数。

(5)计算评价对象i与最优方案的贴近程度Si，如式(8)。

(8)

(6)根据Si计算值的大小进行排序，得到最终评价结果。

3 溢洪道金属结构检测

凤岗惠民水库溢洪道由闸室段、泄洪段和挑流鼻坎组成，对溢洪道闸门进行安全评价一般会考虑闸门的腐蚀程度、涂层厚度、金属结构厚度和材料强度等指标。以下为上述4个实测指标的检测情况。

3.1 腐蚀状况检测

腐蚀会影响闸门金属结构安全性，需对闸门金属结构进行检测。根据SL 105—2007《水工金属结构防腐蚀规范》进行腐蚀检测抽检工作，选择1#、2#和3#共3扇闸门进行抽检工作，本处对腐蚀严重的2#闸门进行重点描述。腐蚀检测采用卷尺、游标卡尺和焊缝检验尺进行检验工作，检测内容包含锈蚀深度、锈蚀面积。其中锈蚀深度采用焊缝检测尺检测，检测精度为0.05mm，检测结果见表1，锈蚀面积检测通过卷尺实现，检测结果见表2。

表1 溢洪道2#闸门锈蚀深度检测结果

表2 溢洪道2#闸门锈蚀面积检测结果

利用上述闸门腐蚀检测方法，检测站人员依据检测实际情况和检测标准对不同闸门的腐蚀程度予以评分见表3。

表3 不同闸门腐蚀程度评分表

经腐蚀检测，凤岗惠民水库闸门腐蚀情况整体良好，除2#闸门外，其他闸门腐蚀情况比较轻。2#最大腐蚀深度为1.44mm，对闸门无结构性影响，建议进行适当修复以避免腐蚀加深影响闸门正常使用。

3.2 涂层厚度检测

涂层厚度影响闸门金属防腐蚀能力，对涂层厚度检测。根据SL 105—2007《水工金属结构防腐蚀规范》进行涂层厚度抽检工作，选择1#、2#和3#闸门进行抽检工作，选用沧州欧谱OU3600涂层测厚仪，闸门涂层厚度检测结果见表4。

表4 不同闸门不同检测位置涂层厚度检测结果 单位：μm

3.3 金属结构厚度检测

闸门金属结构厚度降低会导致闸门无法抵御上游水压力，进行结构厚度检测。根据GB/T 709—2022《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》进行结构厚度抽检工作为有损检测，选择1#、2#和3#闸门进行抽检工作，选用科电HCH-3000超声波测厚仪，选择与涂层检测相同位置，检测结果见表5。

表5 不同闸门不同检测位置金属结构厚度检测结果 单位：mm

3.4 金属材料强度检测

金属结构材料的强度及硬度可以直接反映材料的安全情况。根据SL 101—2014《水工钢闸门和启闭机安全检测技术流程》进行材料强度抽检，选择1#、2#和3#闸门进行抽检，选用TH140型数显硬度计，选择与涂层检测相同位置进行检测，结果见表6。

表6 不同闸门不同检测位置金属强度检测结果 单位：MPa

4 安全评价

4.1 闸门下游面板安全分析

闸门下游面板安全分析流程如下：

(1)构建初始指标体系表，见表7。闸门腐蚀程度选择打分结果，涂层厚度、金属结构厚度及材料强度指标选择实测平均值。

表7 闸门下游面板初始指标体系表

(2)基于层次分析法计算权重向量，构造判别矩阵见式(9)，计算得到特征值λmax=4.043及权向量H=[0.201，0.078，0.201，0.520]。

(9)

(3)对初始矩阵进行归一化处理，见表8。

表8 闸门下游面板不同指标归一化矩阵表

(4)确定最优方案和最劣方案见表9。

表9 最优方案集合

(5)计算贴近程度值Si并完成排序见表10。

表10 闸门下游面板TOPSIS评价结果

正理想解D+数值越小表明与最优方案距离越近，负理想解D+数值越大表明结果越差，通过比较贴近程度值Si，可知凤岗惠民水库闸门安全程度排序应该为3#闸门>1#闸门>2#闸门，符合实际检测情况。

4.2 闸门主要承力结构安全分析

依据TOPSIS-AHP闸门安全评价法，闸门主梁和次梁等主要承力结构安全分析流程如下：

(1)主梁安全评价

主梁初始评价矩阵见表11，初始矩阵评价归一化及最值见表12，根据最优方案和最劣方案计算评价指标正、负理想解及贴近程度见表13。

表11 闸门主梁初始评价表

表12 闸门主梁初始评价表

表13 闸门主梁TOPSIS评价结果

(2)纵梁安全评价

纵梁初始评价矩阵见表14，初始矩阵评价归一化及最值见表15，根据最优方案和最劣方案计算评价指标正、负理想解及贴近程度见表16。

表14 闸门纵梁初始评价表

表15 闸门纵梁初始评价表

表16 闸门纵梁TOPSIS评价结果

根据表10、表13和表16发现下游面板、主梁和纵梁的安全评价结果存在一定差异性，主要是因为不同指标对闸门的不同位置的影响程度不同，如面板是接触水体的主要结构，腐蚀和涂层厚度的影响相对较大，而主梁和纵梁距离水面比下游面板远，但需要能承受更强的水流冲击，因此金属结构的硬度和厚度对于主梁和总量的影响程度更大。

4.3 闸门整体结构安全分析

溢洪道闸门不同部位的工作状况存在差异，一般下游面板、纵梁和主梁距离水面的距离逐渐增加。闸门面板重要程度最高，其次为纵梁和主梁，溢洪道综合整体结构安全分析需考虑不同部位的重要程度。使用层次分析法对同一闸门的下游面板、主梁和纵梁等进行重要程度划分，以闸门下游面板、主梁和纵梁计算的贴近程度值作为输入，见表17，构造判别矩阵见式(10)，并计算得到特征值λmax=3.065和权向量H=[0.731，0.081，0.188]。

(10)

表17 闸门不同部位贴近程度值Si

将同一闸门不同部位的贴近程度值Si与权值向量H逐项相乘后累加得到该闸门的安全评价值，如1#闸门计算过程为：0.731×0.672+0.081×0.591+0.188×0.860=0.701，2#闸门和3#闸门计算过程类似，评价值分别为0.152和0.729，通过比较闸门的综合安全值得到闸门的安全程度评价结果为3#闸门>1#闸门>2#闸门，符合实际检测情况。实际运行管理中2#闸门处于溢洪道正中间位置，承担了主要的放水泄洪工作，一般运行时会首先开启，启闭次数高、工作时间长，因此，闸门止水缝漏水和面板腐蚀情况较严重，需要定期进行检修和维护工作。

5 结语

本文对我国水库溢洪道金属结构闸门安全管理问题进行剖析，利用溢洪道闸门金属结构腐蚀程度、涂层厚度、金属结构厚度及材料强度指标的实测数据，采用AHP法确定不同指标影响，采用TOPSIS法确定不同评价对象(闸门)安全度，结果表明该评价方法的闸门的安全评价值结果准确、可靠。为水库溢洪道闸门结构安全分析提供了一种新的思路，完善了溢洪道金属闸门安全管理体系。同时，本分析方法没有充分考虑闸门侧移等问题对于金属结构的影响，结论尚有一定局限性，应用时应结合项目全面考虑，以期完善水库溢洪道闸门安全管理体系。