哈桑河西沉沙調節(jié)池工程壩型方案優(yōu)選分析

趙倩，常志朋

（1.華北水利水電學院，河南鄭州450011；2.奎屯農七師勘測設計研究院（有限公司），新疆奎屯833200）

1 工程概況

哈桑河西沉沙調節(jié)池位于昭蘇盆地西部，距離新疆建設兵團農四師七十六團團部約10.0 km，距伊寧市252 km。哈桑河西沉沙調節(jié)池工程大壩壩型為均質土石壩，主要由大壩和放水建筑物組成。

哈桑河是特克斯河在中方北岸的一條支流，隸屬于新疆兵團農四師七十六團和七十七團。哈桑河源于中部天山蘇木拜山南麓哈薩克斯坦境內，河長66 km，從北向南流，注入特克斯河。

沉沙調節(jié)池工程為Ⅳ等?。?）型沉沙池，沉沙池興利池容330萬m3，淤積池容29萬m3，總池容359萬m3。對應正常蓄水位1825.00 m，死水位1814.06 m。

2 設計方案

2.1 壩軸線位置選擇

經反復踏勘研究，根據(jù)庫容規(guī)模，綜合考慮壩軸地形地質條件、工程布置及成庫條件等多方面因素，在哈桑河沖溝“Y”型口以下長約1.0 km的河段內選擇了壩址。壩址位于“Y”型沖溝，東西兩側溝交匯于下游0.4 km處。

由《農四師76團哈桑河西沉沙調節(jié)池工程可行性研究報告》方案比選可知，選定壩軸具有：地形條件有利于粘性土均質土石壩布置、壩軸線短、壩體填筑工程量較少、投資少、蓄水位位置高、料場運距近、施工工期較短等優(yōu)點。

2.2 壩型方案

主要根據(jù)壩址區(qū)地形、地質情況以及當?shù)靥烊唤ㄖ牧蠗l件進行壩型方案優(yōu)選，且本工程屬于Ⅳ等?。?）型工程，在壩型選擇中主要考慮采用均質土石壩、粘土心墻壩、粘土斜墻壩以及均質砂礫石壩等幾種壩型[1]。通過壩型設計優(yōu)化，在滿足壩體穩(wěn)定與應力條件要求的情況下，各設計壩型方案成果如下。

（1）均質土石壩方案——方案一

①壩頂寬度

考慮交通及施工要求，壩頂寬度5 m，樁號0+392處設置停車道，路面為砂礫石路面，厚30 cm，樁號0+000～0+392。上游側設置鋼筋混凝土防浪墻，墻總高2.20 m。下游側設置路緣石，標號C25，尺寸0.6 m×0.6 m×0.2 m，M10砂漿砌筑。壩頂采用向下游坡排水，路面橫向坡比2%。

②上、下游壩坡擬定

參考國內外已建工程，結合本工程壩址區(qū)石料的物理力學性質，經工程類比和壩坡穩(wěn)定計算，初步擬定均質土石壩上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡1∶2.25。

③壩頂高程

根據(jù)SL274-2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》的規(guī)定計算壩頂（設置防浪墻），設計高程為1828.00 m，壩址最低建基高程為1806.75 m，因此最大壩高為20.25 m。

（2）粘土心墻壩方案——方案二

①壩頂寬度

考慮交通及施工要求，壩頂寬度5 m，其中，心墻頂寬3.0 m，反濾層及過渡層厚度均取0.8 m。砂礫石路面，厚30 cm，下游側設置路緣石。壩頂上游側設倒T形C25鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻總高2.2 m，壩頂至防浪墻頂1.0 m。

②上、下游壩坡擬定

參考國內外已建工程，結合本工程壩址區(qū)石料的物理力學性質，經工程類比和壩坡穩(wěn)定計算，初步擬定均質土石壩上游壩坡為1∶2.25，下游壩坡1∶2.0。

③壩頂高程

根據(jù)SL274-2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》的規(guī)定計算壩頂（設置防浪墻），設計高程為1828.00 m。

（3）粘土斜墻壩方案——方案三

①壩頂寬度

考慮交通及施工要求，壩頂寬度5 m，其中，斜墻頂寬3.0 m，反濾層及過渡層厚度均取0.8 m。樁號0+392處設置停車道，路面為砂礫石路面，厚30 cm，樁號0+000～0+392。上游側設置鋼筋混凝土防浪墻，墻總高2.20 m。下游側設置路緣石，標號C25，尺寸0.6 m×0.6 m×0.2 m，M10砂漿砌筑。壩頂采用向下游坡排水，路面橫向坡比2%。

②上、下游壩坡擬定

參考國內外已建工程，結合本工程壩址區(qū)石料的物理力學性質，經工程類比和壩坡穩(wěn)定計算，初步擬定均質土石壩上游壩坡為1∶2.25，下游壩坡1∶2.0。

③壩頂高程

根據(jù)SL274-2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》的規(guī)定計算壩頂（設置防浪墻），設計高程為1828.00 m。

（4）砂礫石土石壩方案——方案四

①壩頂寬度

考慮交通及施工要求，壩頂寬度5 m。樁號0+392處設置停車道，路面為瀝青路面，瀝青厚10 cm，樁號0+000～0+392。上游側設置鋼筋混凝土防浪墻，墻總高2.20 m。下游側設置路緣石，標號C25，尺寸0.6 m×0.6 m×0.2 m，M10砂漿砌筑。壩頂采用向下游坡排水，路面橫向坡比2%。

②上、下游壩坡擬定

參考國內外已建工程，結合本工程壩址區(qū)石料的物理力學性質，經工程類比和壩坡穩(wěn)定計算，初步擬定均質土石壩上游壩坡為1∶2.25，下游壩坡1∶2.0。壩前坡采用塑料薄膜作為防滲材料。

③壩頂高程

根據(jù)Sl274-2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》的規(guī)定計算壩頂（設置防浪墻），設計高程為1828.00 m。

3 壩型設計方案優(yōu)選

上述4種壩型方案，都能使壩體的穩(wěn)定和應力滿足要求，壩型方案的取舍同時取決于當?shù)亟ㄖ牧?、施工方案及施工期運行管理的選擇。目前本工程的主要任務為引蓄灌溉、沉砂沖砂，解決七十六團0.44萬ha耕地干旱缺水的問題。為此，本設計將施工條件、工程投資、施工工期及施工期運行管理（農業(yè)供水）等方面作為評判準則進行合理壩型方案的優(yōu)選。

3.1 建立層次評價模型

這些因素中，除工程投資及施工工期可以量化外，施工條件與運行管理均不能量化。在這種情況下，利用層次分析法[2，3]進行壩型方案的選擇較為適宜。根據(jù)工程壩型方案建立層次評價模型[4～6]，如圖1。遞階層次的最上層為目標層（A），即選擇合理的壩型方案；準則層為選擇方案時所需考慮的四方面因素，即施工條件（B1）、工程造價（B2）、施工工期（B3）和運行管理（B4）。根據(jù)前述論證的壩型方案，有均質土石壩方案、粘土心墻壩方案、粘土斜墻壩方案以及均質砂礫石壩方案作為備選壩型方案。

3.2 形成判斷矩陣

根據(jù)工程的具體要求，對壩型方案層次模型中同一層各個元素以上一層元素指定的準則，按照相對重要性相互比較，比較的標度見表1。

表1 判斷矩陣標度及其含義Table 1:Judgment matrix scale and its meaning

這里列出目標層（A）與準則層（B）見表2，以及準則層（B）與方案層（C）的比較判斷矩陣見表2～6。其中的定性衡量由管理單位與設計單位專家共同協(xié)商，然后采用兩兩對比確定準則層及方案層的判斷矩陣。

表2 準則判斷矩陣A-BTable 2:Criterion judgment matrix A-B

3.3 計算權重與一致性

各指標的權重值見表2～6。通過以上計算可知各層次單排序CR＜0.1，所以各層次單排序具有滿意的一致性結果。

3.4 層次總排序及一致性檢驗

首先，將各層的成對比較矩陣數(shù)據(jù)按列進行歸一化，然后每一行求和平均，得到每一層元素相對上層元素的權重向量，再由同一層的權重向量合并成為權重矩陣，最后計算得到壩型方案層次評價的總排序，詳見表7。

表3 施工條件判斷矩陣B1-CTable 3:Construction condition judgment matrix B1-C

表4 工程造價判斷矩陣B2-CTable 4:Project cost judgment matrix B2-C

表5 施工工期判斷矩陣B3-CTable 5:Construction period judgment matrix B3-C

表6 運行管理判斷矩陣B4-CTable 6:Operation management judgment matrix B4-C

由于CR=0.0215＜0.1，所以總排序滿足一致性檢驗，同時有上面計算得到的4種壩型方案的權重值ω（0.4045，0.2282，0.1816，0.1856），由此知道壩型方案C1為最終選擇的最優(yōu)方案。

表7 壩型方案層次總排序結果匯總表Table 7:Hierarchy ranking of the dam type schemes

3.5 分析討論

（1）由表2分析知道，施工條件（B1）、工程造價（B2）、施工工期（B3）和運行管理（B4）的權重ω分別為0.141，0.2630，0.1411，0.4547，B4的權重最大，而B1與B3的權重最小，說明本次工程設計中，施工期的安全供水要求起決定作用，其次是工程造價。在滿足前者要求的前提下選擇施工及壩型方案。

（2）分析方案層（C）的4個方案權重中，均質土石壩方案（C1）的權重為0.4045最大，說明該方案為最佳方案。其主要原因是該方案能保證施工期正常運行管理方便、造價較低、需要的施工條件——壩體設計準備工作量小等。

4 結語

在設計方案的論證比較過程中，首先根據(jù)哈桑河西沉沙調節(jié)池所處地理位置、工程水文、地質以及天然建筑材料等條件，定性分析了各種可能壩型布置及其適應性，在此基礎上主要選擇了4種壩型方案進行比較討論。在進一步的分析中，圍繞這些方案均能滿足壩體穩(wěn)定及應力要求的實際情況，初步進行壩體剖面設計。從工程造價分析，均質土石壩方案最經濟合理，但同時考慮運行管理、施工條件及施工工期等因素時，特別是以保障施工期水庫供水為主要參考指標時，本文嘗試用層次分析法對以上4種壩型進行了優(yōu)選。

通過層次分析法比較優(yōu)選，哈桑河西沉沙調節(jié)池工程壩型設計選擇均質土石壩方案，符合管理單位及設計單位的目標要求，說明層次分析法在水利工程壩型設計方案比較中是一種切實有效的方法。目前，本工程正在施工中。

在水利工程壩型設計方案選擇中，工程造價并非唯一決定因素，需同時考慮施工條件、工程造價、施工工期及運行管理等主要因素的影響。因此，對于壩型設計方案的選擇優(yōu)化中定量指標與定性指標同時存在的情況，用層次分析法分析定性與定量混合問題是一種有益的探索。■

[1]林昭.碾壓式土石壩設計[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.

[2]姜啟源，謝金星，葉俊，等.數(shù)學模型（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]許樹伯.層次分析法原理[M].天津：天津出版社，1988.

[4]常建娥，蔣太立.層次分析法確定權重的研究[J].武漢理工大學學報·信息與管理工程版，2007，29（1）:153～156.

[5]李艷紅,齊永國.層次分析法在鐵路線路方案比選中的應用[J].鐵路運輸與經濟，2009，3（9）：86～92.

[6]張潔,趙堅.層次分析法在帷幕灌漿效果評價中的應用[J].水電能源科學，2009，27（3）：124～146.