基于層次分析法的壩基帷幕灌漿方案評(píng)估探析

彭 鵬

（阜新市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧阜新123000）

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基于層次分析法的壩基帷幕灌漿方案評(píng)估探析

彭 鵬

（阜新市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧阜新123000）

摘要：針對(duì)壩基施工中帷幕灌漿方案的優(yōu)選問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)建基于層次分析法的帷幕灌漿評(píng)估指標(biāo)體系，建立涵蓋綜合目標(biāo)層、工具目標(biāo)層以及指標(biāo)屬性層與灌漿方案層的層級(jí)分布架構(gòu)。采用成對(duì)比較矩陣來(lái)確定各指標(biāo)層及各要素的權(quán)重以及多種帷幕灌漿方案的評(píng)估值，通過(guò)檢驗(yàn)賦值的合理性以及比較矩陣的一致性，最終得出帷幕灌漿方案綜合評(píng)估排序，從而確定綜合技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)合理性的最優(yōu)壩基帷幕灌漿方案。研究可為同類(lèi)型壩基帷幕灌漿實(shí)施方案的評(píng)估及優(yōu)選提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：層次分析法；壩基帷幕灌漿；矩陣；方案評(píng)估

防滲帷幕灌漿是壩基防滲的重要工程手段，絕大多數(shù)大壩壩基部位都要實(shí)施不同程度的灌漿防滲處理。帷幕灌漿作為應(yīng)用最為廣泛的壩基防滲灌漿形式，其帷幕布設(shè)方案應(yīng)在滿足工程安全性要求的同時(shí)，力求實(shí)現(xiàn)工程造價(jià)的最小化。壩基防滲帷幕的布置方案優(yōu)劣應(yīng)主要考慮壩基揚(yáng)壓力、滲流量以及滲透坡降等評(píng)估指標(biāo)，然而相應(yīng)指標(biāo)的確定須受下游水深、上下游水頭差、壩基地質(zhì)條件以及水溫等多條件的約束［1］。因此，有必要采取層次分析法，通過(guò)層級(jí)結(jié)構(gòu)量化防滲帷幕灌漿布置形式的安全及經(jīng)濟(jì)要素，從而實(shí)現(xiàn)評(píng)估帷幕灌漿布置方案的目的，以期為壩基防滲帷幕灌漿方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益借鑒。

1　壩基帷幕灌漿方案層次分析與評(píng)估

1.1 層次分析評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

層次分析法可將復(fù)雜的決策思維過(guò)程數(shù)量化、模型化，同時(shí)將若干復(fù)雜決策問(wèn)題分解為若干因素以及若干層次，通過(guò)比較各因素既而得到不同方案所占權(quán)重，從而為方案的優(yōu)化提供決策依據(jù)，適用于多目標(biāo)、多準(zhǔn)則復(fù)雜問(wèn)題的評(píng)估決策分析［2］。

采用層次分析法可綜合評(píng)估壩基帷幕灌漿方案的施工技術(shù)、造價(jià)成本以及建成后的運(yùn)營(yíng)管理，通過(guò)探析各要素層級(jí)架構(gòu)間的相互制約、相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，評(píng)估帷幕灌漿方案的效果。帷幕灌漿方案的最優(yōu)化旨在尋求灌漿技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的最優(yōu)化，其中技術(shù)性指標(biāo)主要包括工期、技術(shù)可行性、施工效果以及施工難易程度等［3］。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要包括直接費(fèi)、管理費(fèi)、業(yè)務(wù)費(fèi)、以及臨時(shí)建設(shè)費(fèi)等。在確定帷幕灌漿各評(píng)估指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性之后，施工方案可視作層次分析層級(jí)架構(gòu)中的最底層的內(nèi)容，因此，可構(gòu)建基于層次分析法的壩基帷幕灌漿方案指標(biāo)評(píng)估體系如表1所示。

表1　壩基帷幕灌漿方案指標(biāo)評(píng)估體系層級(jí)分布

由表1可知，壩基帷幕灌漿方案的制定主要依據(jù)壩址區(qū)域的水文地質(zhì)條件，從而選定帷幕灌漿的布設(shè)尺寸與位置，因此，評(píng)估壩基帷幕灌漿方案是采取封閉式或懸掛式就顯得至關(guān)重要。

1.2 成對(duì)比較矩陣構(gòu)建

針對(duì)構(gòu)建的帷幕灌漿方案評(píng)估指標(biāo)體系，須對(duì)各層級(jí)指標(biāo)元素間的相對(duì)重要程度進(jìn)行賦值，從而構(gòu)建各層級(jí)間的成對(duì)比較矩陣。矩陣的構(gòu)建主要包括如下要點(diǎn)。

（1）對(duì)工具目標(biāo)層指標(biāo)成對(duì)比較矩陣的構(gòu)建，應(yīng)充分考慮水利工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益以及技術(shù)方案可行性。壩基帷幕灌漿工程的實(shí)施旨在提升壩體的穩(wěn)定與安全性，因此，該層級(jí)內(nèi)的技術(shù)目標(biāo)應(yīng)較經(jīng)濟(jì)投入目標(biāo)更為重要，即B1＞B2。

（2）在對(duì)技術(shù)性指標(biāo)層各屬性的對(duì)比矩陣構(gòu)建時(shí)，應(yīng)確保壩基以及大壩各部位的滲流量限定在一定控制范圍內(nèi)，因此，某種程度上為實(shí)現(xiàn)理想的帷幕防滲效果，須在盡量避開(kāi)汛期、嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān)的前提下，有效滿足灌漿技術(shù)可行性要求［4］。所以，各技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)的重要性可排序?yàn)镃5＞C2＞C1＞C4＞C3。

（3）針對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)層各屬性指標(biāo)比較矩陣的構(gòu)建，通常情況下，C6＞C7＞C9＞C8。部分特殊情形中，工程文物保護(hù)及移民安置費(fèi)用所占比重較大，導(dǎo)致項(xiàng)目管理費(fèi)用大幅提升，此時(shí)各指標(biāo)重要度排序?yàn)镃7＞C6＞C9＞C8。

（4）在一定灌漿帷幕厚度下，封閉式帷幕灌漿因所需土石方及水泥材料數(shù)量較大，且施工周期相對(duì)較長(zhǎng)，故其所需的機(jī)械及人工臺(tái)班費(fèi)用也相對(duì)較大。相較于懸掛式帷幕灌漿方案，封閉式帷幕灌漿因其滲徑較長(zhǎng)，降低壩基滲透坡降效果更好，因此封閉式帷幕的防滲透破壞效果更好。

此外，當(dāng)帷幕灌漿深度大于100m時(shí)，懸掛式帷幕灌漿因其具備更高的安全與穩(wěn)定性，更適用于大深度的灌漿施工［5］。在壩址水文地質(zhì)條件較好的地區(qū)，可采取懸掛式帷幕，而在地質(zhì)條件惡劣的壩址區(qū)域，則必須采取封閉式帷幕灌漿以有效阻隔壩基滲流。因此，在確定各指標(biāo)要素的相對(duì)重要性之后，即可構(gòu)建方案層級(jí)間的比較矩陣，如式1所示。

由式（1）可知，矩陣A（2×2）可表示綜合目標(biāo)層下的比較矩陣，A（5×5）可表示工具目標(biāo)層下技術(shù)性指標(biāo)要素層的比較矩陣，A（4×4）可表示工具目標(biāo)層下經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要素層的比較矩陣，A（2×2）可表示為帷幕灌漿方案層的比較矩陣［6］。其中，矩陣中各指標(biāo)要素可依據(jù)式（2）進(jìn)行賦值。

1.3 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重計(jì)算及方案優(yōu)選

針對(duì)構(gòu)建的各層比較矩陣，應(yīng)計(jì)算綜合目標(biāo)層滿足AU=λmaxU的特征向量U1、U2；計(jì)算屬性層滿足AU=λmaxU的特征向量UB1、UB2；計(jì)算帷幕灌漿方案層滿足Aε=λmaxε的特征向量εci，（i=1，2，…，9）。其中，U與ε表示應(yīng)于λmax的正規(guī)化特征向量，λmax表示A矩陣的最大特征值［7］。

此外，可引入檢驗(yàn)系數(shù)C.R.來(lái)檢驗(yàn)賦值的合理性以及矩陣的一致性，如式（3）～式（4）所示。

式中，C.R.表示系數(shù)指標(biāo)，R.I.表示與矩陣階數(shù)n有關(guān)的隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)C.R.小于0.1時(shí)表示比較矩陣的一致性最好［8］。因此，可構(gòu)造評(píng)分矩陣，如式（5）所示。

通過(guò)將上述評(píng)分矩陣同權(quán)重矩陣U進(jìn)行內(nèi)積，即可做出如式（6）所示的壩基帷幕灌漿方案綜合評(píng)估排序。

2　實(shí)例分析

2.1 擋水壩段工程地質(zhì)概況

某擋水壩擬選址處河谷呈“V”型，且峽谷坡陡岸高，壩址處基巖多為厚層灰?guī)r且?guī)r體堅(jiān)硬，壩址處巖體斷層裂隙發(fā)育，完整性較差。依據(jù)地勘報(bào)告，該擋水壩擬定3條壩軸線以供優(yōu)選，其中1#壩軸線處于峽谷上游段，兩岸多分布5～8m風(fēng)化灰?guī)r，其中弱風(fēng)化層厚度達(dá)80m，河床河谷段覆蓋層厚度在22.6～34.7m。2#壩軸線處于峽谷中游段，河床河谷灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化層厚度在2～5m，局地強(qiáng)風(fēng)化層厚度達(dá)15m，弱風(fēng)化層在70～90m，河床河谷覆蓋層厚度在86.5～11.6m。3#壩軸線處于峽谷下游段，河谷兩岸強(qiáng)風(fēng)化層灰?guī)r厚度在12～16m，弱風(fēng)化層在85～115m，河床河谷覆蓋層厚度在87.3～143.6m。

鑒于上述3條不同壩軸線選址所處地質(zhì)條件存在差異，因此，有必要優(yōu)選不同壩基帷幕灌漿方案，并采取層次分析法針對(duì)各灌漿方案實(shí)施評(píng)估。

2.2 帷幕灌漿指標(biāo)重要性評(píng)估

依據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)及專(zhuān)家評(píng)估意見(jiàn)，壩基帷幕灌漿指標(biāo)重要性評(píng)估結(jié)果如表2所示。

表2　壩基帷幕灌漿指標(biāo)評(píng)估結(jié)果

2.3 壩基帷幕灌漿指標(biāo)權(quán)重計(jì)算與方案評(píng)估

針對(duì)上述帷幕灌漿指標(biāo)可采取式（2）計(jì)算比較矩陣A，并通過(guò)式（3）～式（4）驗(yàn)證上述各成對(duì)比較矩陣中各指標(biāo)要素均符合一致性要求。通過(guò)方案匯總評(píng)估，通過(guò)式（5）～式（6）可計(jì)算出3條不同壩軸線選址方案的壩基帷幕灌漿方案。

綜上可知，在1#壩軸線壩址處，該處水文地質(zhì)條件良好，巖體完整度較高，因此，懸掛式帷幕灌漿方案比封閉式帷幕灌漿方案的權(quán)重值大，即該壩址處懸掛式帷幕灌漿方案為最優(yōu)灌漿施工方案。在2#壩軸線壩址處，兩種帷幕灌漿方案所占權(quán)重值大小基本相同，即在該處水文地質(zhì)條件下，封閉式帷幕灌漿方案與懸掛式帷幕灌漿方案均可作為此壩址處施工方案。在3#壩軸線壩址處，因該處河谷水文地質(zhì)條件差，封閉式帷幕灌漿方案較懸掛式帷幕灌漿方案的權(quán)重值大，即該壩址處采用封閉式帷幕灌漿方案屬于最優(yōu)灌漿實(shí)施方案。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建基層次分析法的帷幕灌漿方案評(píng)估指標(biāo)體系，構(gòu)建各層級(jí)間的成對(duì)比較矩陣，探析了不同壩基帷幕灌漿方案在不同壩址水文地質(zhì)條件下的優(yōu)劣程度。層次分析法作為有效解決帷幕灌漿方案評(píng)估的多屬性決策方法，對(duì)壩基帷幕灌漿方案的評(píng)估優(yōu)選具有較強(qiáng)的適用性。針對(duì)壩基帷幕灌漿方案實(shí)施的評(píng)估實(shí)例充分說(shuō)明，采取層次分析法可由分析不同壩址地質(zhì)條件特征出發(fā)，進(jìn)而對(duì)壩基帷幕灌漿方案的適用性進(jìn)行優(yōu)選與評(píng)估。

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作者簡(jiǎn)介：彭 鵬（1982年—），女，工程師。

收稿日期：2015-09-28

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.018

中圖分類(lèi)號(hào)：TV543

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）03-0047-03