可拓云模型在混凝土重力坝渗流安全评估中的应用研究_陈小雄.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，陈小雄可拓云模型在混凝土重力坝渗流安全评估中的应用研究水利科学与寒区工程，（）：可拓云模型在混凝土重力坝渗流安全评估中的应用研究陈小雄（江西省吉安市螺滩水利水电中心，江西 吉安 ）摘要：混凝土重力坝的渗流安全对于保证混凝土重力坝的正常工作有着重要的作用，然而当前的混凝土重力坝渗流安全存在不确定性问题，针对该问题研究利用可拓云模型来解决，并对其有效性进行了验证。实验结果表明，可拓云模型评价结果同其他理论评价相比较结果基本一致。综合来看，可拓云模型在解决渗流安全模糊性与随机性上具有较强作用，在实际混凝土重力坝渗流安全评价中具有重要意义。关键词：可拓云模型；混凝土重力坝；渗流安全；评估结果中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：陈小雄（），男，江西吉安人，工程师，主要从事水利水电方面的工作。：。基于物元分析的可拓云模型针对混凝土重力坝渗流安全评估过程中存在的相关不确定性问题，通过引入可拓云理论构建了相关重力坝渗流的安全评估模型，并在实际应用中评估了其有效性。可拓云理论实际上包含了可扩理论以及云模型理论，在建立了混凝土重力坝渗漏安全评估指标体系后，必须采用一种行之有效的方法对其进行评估，才能达到较好的效果。然而实际的评估过程中存在许多不确定性问题，从而造成诸多数据的不确定性，进而导致评估结果缺乏准确合理性，可拓云模型具有对评估对象的定性与定量相结合的特征，其充分考虑评估过程的模糊性和随机性，具有可操作性与较强适用性。可扩理论又称之为可拓理论，其是在可拓学基础上建立起来的，而可拓学是哲学、数学等进行交叉后总结的新兴学科，其涉及范围较广，并且擅长使用比较具体形式化的相关模型，来剖析事物扩展的可能性及探索与创新的法则与方法。可拓学具备三大特点，具体内容如图所示。从图中可以看出，可拓学的三大特点首先是图可拓学三大特点将相关矛盾的问题转化为相容问题，以此解决矛盾；其次是建立物元理论，从而运用物元的变换来解决相关矛盾问题；最后则是建立相应的可拓集合理论，用可扩展领域和关键要素来量化地描述事物。目前，可拓技术在新产品的概念、决策、搜索、诊断，以及识别和判断等方面都有了很大的进展。目前可拓学已发展出一套完整的可拓理论，延伸出可拓逻辑、可拓物元、可拓集三大部分，为可拓模型的构建提供了一套理论基础和方法。可拓学发展过程中较为重要的就是物元分析，可拓学是将矛盾问题中的对象、特征和量值提取出来，形成一种有序的三元组（对象、特征、值），称为“物元”，并将其作为单元，以此来描述冲突问题的求解过程，物元分析具有定性和定量分析的特点，它主要是运用物元理论对被评估对象的多种影响因子进行分析，从而构建物元可扩展模型。物元模型的相关数学结构如式（）所示。（）式中：为三元组；为相关的事物；为相关事物特征的对应名称；为事物关于对应名称所选取的量值；为物元的维度。从该数学结构中可以明显看出，物元中的相应事物内部是存在结构的，通常是由三元组来实现表达。基于此，物元分析的基本步骤如图所示。图物元分析的基本步骤从图可以看出，物元分析的基本步骤首先是确定相应的指标评估体系，并对这些指标的数据进行归一化的处理，具体原因是出于所构建的指标体系中各个指标的维度存在差异，难以进行统计，而且有可能存在被评估对象的特征值溢出区域的情形，因此必须首先对各个指标进行标准化处理。其次是确定相应的物元模型；接着确定相应的经典域，其是在多个指标的评估中，每个因子与各个评估级别的价值变动幅度。然后确定相应的节域物元，其表示各个指标一一对应的，从最低到最高的全部数值的取值范围。接着确定等待评定的物元。然后开始计算相应的单个指标的关联函数。接着以此确定各个评估指标自身的权重。然后计算待评单元的综合关联度。最后则评定相关待评单元的等级。可拓云理论中另一个重要的理论即是云模型理论。云是一种反映定性概念与其量化表现形式之间的不确定性转化的模型，它既包含了存在的亦这或彼的模糊性，又包含了出现的可能性的随机性，并给出了定性与定量的不确定映射关系，如式（）所示。：，（）（）式中：为确定度；为定量论域；为定量值；为定性概念。云模型中存在三个数字特征，即期望、熵以及超熵。在传统的物元分析模式中，一般采用目标属性值来表达各个指标的极限值，并将其视为一个固定的数值。因而，在对问题进行分析时，缺乏对问题的模糊、随机性的思考。由于云模型在处理随机和模糊性方面有着得天独厚的优势，将云模型应用于物元分析，并利用可拓学中的一类物元分析法，描述、分析和评价混凝土重力坝的渗透安全状态，以此实现对其定性和定量的分析，同时兼顾评价的不确定性。可拓云模型在混凝土重力坝渗流安全评估中的实用分析为了验证可拓云模型在混凝土重力坝渗流安全评估中的实用效果，研究以西南地区某混凝土重力坝工程作为研究对象，运用研究给出的可拓云模型的相关渗流安全指标评估体系，给出对该工程的评估结果。该工程的水电站是一项以发电为主 的 大 型 水 电 项 目，其 水 库 容 量 最 高 达 到 亿，在 正 常 水 位 以 下 的 水 库 容 量 为 亿，调节水库容量为 亿。根据混凝土重力坝渗流安全评估的相应流程，首先是构建相应的评价体系，并在此基础上计算出各个指标的主客观权重。研究选择的指标分别为降雨的总量（）、相应的温度（）、上下游水位（和）、渗透压力（）、渗流的总量（）、渗流的总量与渗透压力之间存在的关系（）、渗透压力自身存在的变化率（），以及渗流的总量的变化率（）。并利用专家评分以及相关统计分析方法整理出该重力坝工程某个时间段的相关安全评价指标规格化数据，其内容如图所示。图中，收集数据的时间共计，从图中可以看出，评价指标值范围在，之间，其中数值共出现次，数值 共出现次。综合来看，各个评价指标值在 内波动较大。另外，根据图中的混凝土重力坝评价指标值，研究计算水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷出了相应的指标权重值，各个指标的主客观与综合权重结果如图所示。图混凝土重力坝评价指标值图各个指标的主客观与综合权重值结果从图中可以看出，与的主观权重高于客观权重，数值分别为 与 ；而与的主观权重低于客观权重，都为 。综合来看，多个指标的综合权重高于 ，只有与的 综 合 权 重 低 于 ，分 别 为 和 ，综合权重最高在出现，为 。在此基础上，通过三个权重的数值结果，研究利用程序计算出了渗流安全的评价结果与置信度因子与隶属安全等级，安全等级按照级分级，等级越高渗流越危险，其结果如图所示。从图中可以看出，中混凝土重力坝的可拓云模型相关评价结果数值在，之间，在第天 达到最大值，为 ，此时的安全等级也达到最大，为级，处于较危险状态，置信度因子为图混凝土重力坝渗流安全相关数据结果 ，可信度较高。在此基础上，研究利用矩阵实验室（，）绘出了相关的云图，其结果如图所示。图评价结果第期陈小雄可拓云模型在混凝土重力坝渗流安全评估中的应用研究从图 中 可 以 看 出，第 天、第 天、第天、第天、第天以及第 天的评价结果为级或者级，表明了这些天的重力坝渗流情况处于较为安全的状态；而第天、第天、第天以及第天的结果为级，表明其状况已经处于轻度危险，需要持续关注。另外，所有的置信度因子的结果均小于 ，表明了得出的评价结果具备较高可信度，准确度较高。同样地，研究将该评价结果同正常的标准进行了比较，其结果如图所示。图混凝土重力坝渗流评价结果与正常标准对比从图中可以看出，除了第天的渗流的安全级别略高于安全水平外，第天至第天其他时段渗流的安全级别都在正常范围之内，但第天开始渗流处于较危险状态，随着时间推移该危险情况有好转趋势。最后，研究通过引入模糊评价和集对分析评价，将其与可拓云模型评价和可拓评价结果进 行 了 对 比，四 种 评 价 方 法 其 结 果 如 表 所示。从表中可以看出，理论上可拓云方法和其他三种方法的评估结果是相同的。除了第天存在三种情形外，其他时间的评估结果都在两个以内。与可扩评 估 的 结 果 比 较，可 拓 云 评 价 与 其 存 在 的结果相同，与模糊评价和集对分析的评价结果有 的结果相同。这说明了可拓云评估方法与其他方法相比，具有较高的一致性通过对多种评估方法的综合分析，研究得到的评价结果与单一可拓云模式的评估结果基本一致，说明该可拓云模型评价的结果比其他评估方法更具代表性。同时，可拓云模型相较于其他三种方法来说，信息的提供量更多更充足，并且其不仅可以反映出同级别渗流安全风险的差异，又能处理好评估过程中的随机性和模糊性。表种评价方法结果对比情况评价方法时间 集对分析 模糊评价 可扩评价 可拓云模型评价 结论为了解决混凝土重力坝渗漏安全性评价的有关不确定问题，研究引入了可拓云模型，并对其有效性进行了验证。结果表明，可拓云模型的评估最大值为 ；在相关趋势图中，其渗流安全评估随着时间的推移危险状况有所好转。另外，将其与其他三种方法对比后发现，可拓云模型评估结果有 同可拓评价相同，有 同模糊评价和集对分析相同。综合来看，可拓云模型的评估方法既能反映出同类渗流的安全性风险，也能很好地解决评价过程中存在的随机性和模糊性。但是，由于时间限制，研究中某些问题还不够深入，需要在后续进行改进。参考文献：郭平，邱晨展，孙立英，等基于 和熵权物元可拓理论的深基坑安全风险评价青岛理工大学学报，（）：田振华，冯勇，刘占超基于可拓学的混凝土坝健康综合诊断方法研究水力发电，（）：，（）：水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷