基于 TOPSIS-GRA 水庫大壩防滲加固施工方案綜合評價(jià)

摘 要：本研究利用TOPSIS-GRA模型，對林皋水庫大壩的4種防滲加固施工方案進(jìn)行綜合評價(jià)。通過構(gòu)建包括成本效益、施工難度、預(yù)期耐久性、環(huán)境影響以及安全性能的多目標(biāo)評價(jià)模型，系統(tǒng)比較了各方案的優(yōu)劣。研究結(jié)果表明，方案一（設(shè)斜墻鋪蓋+重建防浪墻）在綜合評價(jià)中表現(xiàn)最佳，其在安全性和環(huán)境影響方面得分較高，因此將其作為實(shí)施方案。本研究的方法論和結(jié)果可以為類似水利工程的方案評價(jià)和決策提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)用工具，有助于優(yōu)化施工方案選擇，保證工程的成功實(shí)施和長期穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：TOPSIS-GRA；水庫大壩；防滲加固；施工方案

中圖分類號(hào)：TV 87" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

水庫大壩的安全性和穩(wěn)定性是水利工程中的重要問題，特別是歷史悠久且結(jié)構(gòu)老化的大壩。因此，防滲加固是保證大壩功能和延長使用壽命的關(guān)鍵措施。本研究的目的是采用TOPSIS-GRA模型，對水庫大壩的防滲加固施工方案進(jìn)行綜合評價(jià)，以選擇最優(yōu)的加固方案。通過分析不同方案在成本、施工難度、耐久性、環(huán)境影響和安全性能等方面的表現(xiàn)，本研究旨在提供一種科學(xué)、系統(tǒng)的方法學(xué)，輔助決策者在眾多潛在方案中做出最合理的選擇。

1 水庫大壩防滲加固方案評價(jià)指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)體系選擇

當(dāng)構(gòu)建水庫大壩防滲加固施工方案評價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，必須精心選擇反映方案綜合效益的關(guān)鍵指標(biāo)。通過綜合考慮前述影響因素分析結(jié)果，建議制定一套平衡性與實(shí)用性兼具的評價(jià)框架[1]。該體系包括經(jīng)濟(jì)因素、工程質(zhì)量、施工安全性、后期工程養(yǎng)護(hù)難度、技術(shù)先進(jìn)性、工期以及環(huán)境影響七大類指標(biāo)。在指標(biāo)選擇上，劃分不要過于細(xì)致，減少計(jì)算工作量及不拖沓工程進(jìn)度。同時(shí)，保證各指標(biāo)能全面覆蓋大壩除險(xiǎn)加固的關(guān)鍵需求，并反映不同方案的優(yōu)劣勢。此外，考慮各指標(biāo)間可能存在相互影響，須采用系統(tǒng)化方法保證評價(jià)的客觀性和準(zhǔn)確性，從而為決策者提供科學(xué)、合理的分析依據(jù)。工程指標(biāo)體系如圖1所示。

1.2 評價(jià)指標(biāo)優(yōu)化

在水庫大壩防滲加固施工方案評價(jià)指標(biāo)體系的優(yōu)化過程中，采用李克特5級量表對初選的28個(gè)指標(biāo)進(jìn)行重要程度調(diào)查，以保證評價(jià)的科學(xué)性和實(shí)用性。調(diào)查通過線上線下相結(jié)合的方式，廣泛征求水利行業(yè)技術(shù)從業(yè)者及學(xué)術(shù)界專家的意見。每項(xiàng)指標(biāo)的重要性由參與者按照1至5分評定，其中1分為“極不關(guān)鍵”，5分為“非常重要”。共發(fā)放問卷150份，回收有效問卷132份，有效回收率達(dá)到88%。經(jīng)過詳細(xì)分析收集的數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果及專家建議對指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[2]。數(shù)據(jù)顯示，高分值（4分及以上）指標(biāo)對評價(jià)結(jié)果影響顯著，應(yīng)予以保留和重點(diǎn)考慮。而低分值（2分以下）的指標(biāo)影響較小，建議從評價(jià)體系中剔除，以簡化評價(jià)過程。此外，對分?jǐn)?shù)接近中值的指標(biāo)，進(jìn)一步分析其相關(guān)性和冗余性，保證每個(gè)保留的指標(biāo)都是必要且獨(dú)立的，從而形成一個(gè)經(jīng)過嚴(yán)格優(yōu)化的評價(jià)指標(biāo)體系，具體見表1。

2 水庫大壩防滲加固施工方案多目標(biāo)評價(jià)模型

2.1 改進(jìn)的AHP-CRITIC組合賦權(quán)法

在水庫大壩防滲加固施工方案多目標(biāo)評價(jià)模型中，改進(jìn)的AHP-CRITIC組合賦權(quán)法為決策者提供了一種科學(xué)有效的權(quán)重確定技術(shù)。該方法結(jié)合了層次分析法（AHP）的主觀判斷與客觀賦權(quán)法CRITIC的計(jì)算精度，優(yōu)化了評價(jià)模型的權(quán)重分配過程[3]。首先，通過AHP建立決策的層次結(jié)構(gòu)，利用專家打分的方式確定準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的相對重要性，計(jì)算局部權(quán)重。其次，采用CRITIC方法評估各指標(biāo)間的沖突性和信息量，最后，通過指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差及指標(biāo)間的相關(guān)性計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的客觀權(quán)重。CRITIC權(quán)重wi的計(jì)算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：，cj為對所有指標(biāo)信息量的總和；σi為指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)差；rij為指標(biāo)i和指標(biāo)j的相關(guān)系數(shù)。通過加權(quán)平均法融合AHP和CRITIC的權(quán)重，得到最終的組合權(quán)重，如公式（2）所示。

wfindl，i=awAHP，i+（1-a）wCRITIC，i （2）

式中：α為預(yù)設(shè)的權(quán)重調(diào)整參數(shù)，通常根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，以平衡主觀與客觀賦權(quán)的影響；wAHP，i為指標(biāo)i的AHP權(quán)重；wCRITIC，i為指標(biāo)i的CRITIC權(quán)重。

2.2 TOPSIS-GRA模型構(gòu)建

在水庫大壩防滲加固施工方案的多目標(biāo)評價(jià)模型中，TOPSIS-GRA模型構(gòu)建是評價(jià)過程的核心。此模型融合了逼近理想解排序法（TOPSIS）與灰色關(guān)聯(lián)分析（GRA）的優(yōu)勢，形成一種復(fù)合型決策分析工具，旨在處理多指標(biāo)決策問題。TOPSIS法是通過確定每個(gè)方案與理想解和負(fù)理想解的距離來評估方案的相對優(yōu)劣的[4]。理想解是所有屬性最優(yōu)值的集合，而負(fù)理想解是所有屬性最劣值的集合。

TOPSIS模型的關(guān)鍵步驟：首先，對決策矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，保證不同指標(biāo)量綱的一致性。其次，計(jì)算各方案相對于理想解和負(fù)理想解的距離。距離的計(jì)算過程如公式（3）、公式（4）所示。

（3）

（4）

式中：D+和D?分別為方案i與理想解和負(fù)理想解的歐氏距離；wj為指標(biāo)j的權(quán)重；xij為方案i在指標(biāo)j上的值；xj-和xj+分別為指標(biāo)j在所有方案中的最優(yōu)值和最劣值。

最后，計(jì)算每個(gè)方案的相對貼近度，如公式（5）所示。

（5）

Ci的值越大，表明方案i與理想解的貼近程度越高，方案越優(yōu)。

而GRA法則是通過計(jì)算方案與理想解在不同指標(biāo)上的灰色關(guān)聯(lián)度來評估方案的優(yōu)劣?；疑P(guān)聯(lián)度的計(jì)算過程如公式（6）所示。

（6）

式中：γ（x0，xi）為方案xi與理想方案x0的關(guān)聯(lián)度；?（x0，xi）為兩者在指標(biāo)j上的差異系數(shù)；ρ為分辨系數(shù)，通常取值為0～1。TOPSIS-GRA模型綜合兩種方法的優(yōu)勢，通過計(jì)算方案的相對貼近度和灰色關(guān)聯(lián)度的加權(quán)平均，構(gòu)建一個(gè)更全面的評價(jià)指標(biāo)。

3 水庫大壩防滲加固施工方案評價(jià)分析

3.1 工程概況

本文以林皋水庫為研究對象，其具有獨(dú)特的地理位置和歷史背景。1968年10月開始興建，于1970年5月主體工程告竣，1971年初全面竣工并正式投入使用。水庫位于北洛河一級支流水河中游，坐落在林皋河匯入口下游200m處。主河槽30km，控制流域面積330km2。多年平均來水量達(dá)到1660萬m3，水庫兼具灌溉和防洪雙重功能，屬于中型水利樞紐工程。林皋水庫的樞紐工程由3部分構(gòu)成：大壩、溢洪道及防水設(shè)施。大壩本身是由碾壓式均質(zhì)土材料建成，按照原設(shè)計(jì)，壩頂高程為844.10m，最大壩高34.1m，壩頂全長450m，寬度為6m[5]。大壩上游坡面的坡比由上而下依次為1∶2.0、1∶2.75、1∶3.0，平均坡比為1∶2.51。下游坡面的坡比由上而下依次為1∶1.8、1∶2.45、1∶3.14，下游平均坡比為1∶2.38。壩頂上游側(cè)還設(shè)有漿砌石防浪墻，墻體高1.2m，厚0.5m，防浪墻頂高程為845.30m。壩體坡面配有三道排水溝，間隔100m，壩體坡腳則配置有水平褥墊和排水棱體，棱體高度為2m。大壩基座設(shè)有一道梯形結(jié)合槽，位于壩軸線位置，槽底寬6.0m，開挖邊坡為1∶1，槽深為10m。2020年3月，對水庫的庫容進(jìn)行實(shí)地測量，結(jié)果顯示有效庫容為1488m3，死庫容為0m3。庫容曲線如圖2所示。

3.2 水庫大壩防滲加固施工方案

結(jié)合工程實(shí)際情況，針對右壩肩的防滲問題，本方案沿右岸防滲長度203m，通過斜墻鋪蓋和重建防浪墻來堵截滲漏通道進(jìn)口。施工具體步驟包括拆除現(xiàn)狀右岸漿砌石護(hù)坡，并改為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。斜墻用現(xiàn)澆鋼筋混凝土方式施工，墻體厚度為50cm，高程從840.92m降至837.00m，基底高程設(shè)為822.5m[6]。此外，護(hù)坡基礎(chǔ)深入積淀面下1.0m，底寬2.5m，基底下方拋填2.0m厚塊石，并每隔10m設(shè)置一道15mm寬的伸縮縫，填塞651型橡膠止水帶及石油瀝青聚氨酯，增強(qiáng)防滲效果。

基于大壩受力情況的詳細(xì)分析提出該施工方案。通過計(jì)算水庫水位高度為35m時(shí)的靜水壓力，得出靜水壓力P=ρgh=1000kg/m3×9.81m/s2×35m=343350Pa。此外，滲透壓力取決于滲透水頭和滲透系數(shù)。將滲透系數(shù)設(shè)為k=1×10-5m/s，滲透水頭為30m，則滲透力Ps=ρwh=9.81kN/m3×30m=294.3kPa。

通過分析受力情況，利用TOPSIS-GRA模型進(jìn)行綜合評估，該方案在各評價(jià)維度上均表現(xiàn)出較高的得分，尤其在安全性能和環(huán)境影響方面得到了顯著提升。

針對大壩右壩肩加固集中在切斷中部潛在的滲漏通道問題，該方案的主要目標(biāo)是通過上部的混凝土防滲墻和下部帷幕灌漿，來切斷右壩肩中部的潛在滲漏通道。具體施工包括使用沖擊鉆進(jìn)行鉆孔，用滲透系數(shù)為2.61×10-9cm/s的C20.W8混凝土進(jìn)行澆筑，形成高9m～14.5m的防滲墻，覆蓋950m2。下部的帷幕灌漿采用雙排布局，延伸至黃土塬方向20m。

通過計(jì)算大壩水庫水位高度35m時(shí)的靜水壓力和滲透壓力，結(jié)合TOPSIS-GRA模型，對成本效益、施工難度、預(yù)期耐久性、環(huán)境影響、安全性能等多維度指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化評估，保證方案的科學(xué)性和系統(tǒng)性。

要針對溢洪道控制段的防滲加固，從壩岸結(jié)合部至溢洪道進(jìn)口右岸坡角，總長約為183m。具體措施包括設(shè)置上部混凝土防滲墻和下部帷幕灌漿，有效封堵上游滲漏通道。此外，方案還調(diào)整溢洪道底板高程，將其從原高度下降1m～836.5m，以減輕上游壩坡的水壓和沖刷作用，保護(hù)壩體結(jié)構(gòu)，并在溢洪道進(jìn)口增設(shè)四孔高5m、寬5m的閘門，以調(diào)節(jié)洪水調(diào)控能力。

當(dāng)評價(jià)此方案時(shí)，通過詳細(xì)計(jì)算大壩水庫水位高度35m時(shí)的靜水壓力和滲透壓力，結(jié)合多目標(biāo)評價(jià)模型和關(guān)鍵評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行深入分析，保證所提措施在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的可行性。

針對大壩實(shí)際情況，提出對溢洪道進(jìn)口段、控制段及緩流段擴(kuò)建，增強(qiáng)防滲功能，以應(yīng)對潛在的結(jié)構(gòu)優(yōu)化需求和地質(zhì)條件變化。方案涵蓋下部帷幕灌漿和上部混凝土防滲墻的補(bǔ)強(qiáng)措施，特別針對上部黃土和新近系破碎鈣質(zhì)層，采用沖擊鉆進(jìn)行鉆孔并分段澆筑混凝土，形成穩(wěn)固的防滲屏障。此次改造將溢洪道從原寬25m擴(kuò)展至30m，以增加其泄洪能力，保證在極端天氣條件下有效管理洪水流量。

當(dāng)評價(jià)此方案的有效性時(shí)，通過計(jì)算大壩水庫水位高度35m時(shí)的靜水壓力和滲透壓力，結(jié)合TOPSIS-GRA模型，對成本效益、施工難度、預(yù)期耐久性、環(huán)境影響及安全性能進(jìn)行系統(tǒng)評估，保證方案在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的可行性。

3.3 基于TOPSIS-GRA水庫大壩防滲加固施工方案綜合評價(jià)

針對本次研究的水庫大壩實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)大壩受力情況主要包括靜水壓力與滲透壓力等[7]。根據(jù)水庫水位高度35m，對靜水壓力進(jìn)行計(jì)算，P=ρgh=1000kg/m3×9.81m/s2×35m=

343350Pa。滲透壓力取決于滲透水頭和滲透系數(shù)，其中將滲透系數(shù)設(shè)置為k=1×10-5m/s，滲透水頭為30m，則滲透力Ps=rwh=9.81kN/m3×30m=294.3kPa。為綜合評價(jià)大壩的防滲加固施工方案，本文建立了包括成本效益、施工難度、預(yù)期耐久性、環(huán)境影響和安全性能在內(nèi)的評價(jià)指標(biāo)體系。通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，保證各評價(jià)指標(biāo)的一致性，并利用TOPSIS-GRA模型計(jì)算各方案與理想解和負(fù)理想解的距離，從而得到相對貼近度（Ci）。利用TOPSIS-GRA模型進(jìn)行計(jì)算，基于方案一，設(shè)計(jì)理想解和負(fù)理想解分別為1和0，權(quán)重均為0.2，分辨系數(shù)ρ為0.5，根據(jù)公式（3）、公式（4），獲得各方案與理想解在不同指標(biāo)上的灰色關(guān)聯(lián)度，并進(jìn)一步評估各方案的優(yōu)劣。

最終評價(jià)結(jié)果見表2。

通過TOPSIS-GRA模型結(jié)合大壩受力分析，方案一（設(shè)斜墻鋪蓋+重建防浪墻）在所有評價(jià)指標(biāo)上表現(xiàn)最佳，特別是在安全性能和環(huán)境影響方面，因此推薦將其作為最優(yōu)方案。該研究提供了科學(xué)、系統(tǒng)的評價(jià)方法，為類似水利工程的施工方案選擇提供了有力支持。

4 結(jié)語

在本研究中，利用TOPSIS-GRA模型系統(tǒng)地評估了水庫大壩防滲加固施工方案，針對林皋水庫的具體案例，綜合考慮了多個(gè)方案的成本效益、施工難度、預(yù)期耐久性、環(huán)境影響以及安全性能。分析結(jié)果揭示了各方案在綜合性能上的優(yōu)勢與劣勢，為決策者提供了科學(xué)、量化的評價(jià)依據(jù)。通過對比4種不同的防滲加固方案，發(fā)現(xiàn)在保障安全性和保證最小環(huán)境影響的同時(shí)，方案一（設(shè)斜墻鋪蓋+重建防浪墻）在滿足所有評價(jià)指標(biāo)上表現(xiàn)最為優(yōu)異，因此將其推薦為最合適的施工方案。此項(xiàng)研究不僅加深了對水庫大壩防滲施工方案評價(jià)的理解度，也為類似的土木工程項(xiàng)目提供了一種有效的評價(jià)工具和決策支持，保證了工程實(shí)施的科學(xué)性和可行性。

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