基于AHP的水庫除險(xiǎn)加固方案優(yōu)選

趙偉鑫 張宏蕾 郝衛(wèi)娟

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011； 2.北京金河水務(wù)建設(shè)有限公司，北京 102206；3.石家莊啟光文化傳播有限公司，河北 石家莊 050000)

·水利工程·

基于AHP的水庫除險(xiǎn)加固方案優(yōu)選

趙偉鑫1張宏蕾2郝衛(wèi)娟3

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011； 2.北京金河水務(wù)建設(shè)有限公司，北京 102206；3.石家莊啟光文化傳播有限公司，河北 石家莊 050000)

運(yùn)用AHP(層次分析法)對(duì)水庫的除險(xiǎn)加固方案進(jìn)行了定量分析，建立了層次分析法方案優(yōu)選評(píng)估模型，對(duì)多套加固方案進(jìn)行了綜合分析和比較，優(yōu)選出了最終最優(yōu)的目標(biāo)方案，AHP為水庫除險(xiǎn)加固方案的評(píng)估優(yōu)選提供了一條有效的定量分析途徑。

病險(xiǎn)水庫，層次分析法，權(quán)值，方案

根據(jù)《全國病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固專項(xiàng)規(guī)劃》統(tǒng)計(jì)[1]，全國共有病險(xiǎn)水庫30 413座，共占水庫總數(shù)的36.3%，這些水庫大多數(shù)建于20世紀(jì)50年代～70年代，普遍都存在安全隱患問題，從而直接威脅著水庫的防洪安全和人民的生命安全。因此近年來國內(nèi)組織有關(guān)知名專家從水庫的質(zhì)量及管理運(yùn)營、防洪標(biāo)準(zhǔn)、滲流、結(jié)構(gòu)的安全性等主要方面對(duì)存在病險(xiǎn)的水庫進(jìn)行安全鑒定，并且針對(duì)病險(xiǎn)水庫存在的眾多安全隱患問題提出了多套具體的解決方案。首先決策者需從工期、投資、安全等方面對(duì)方案進(jìn)行分析評(píng)估，得到最優(yōu)、最適合的方案來解決病險(xiǎn)水庫的安全隱患。由于決策者在選擇最優(yōu)方案時(shí)，可能受到外部其他因素的影響，導(dǎo)致無法迅速的做出正確判斷。因此為減小決策者的工作量及準(zhǔn)確而迅速的確定最優(yōu)的解決方案，決策者可運(yùn)用AHP來處理此問題。AHP可從工期、投資、安全等方面分析各方案，從中幫助決策者迅速、正確的選擇出最優(yōu)的方案來解決水庫病險(xiǎn)問題。

1 AHP的原理與步驟

美國運(yùn)籌家Saaty教授于20世紀(jì)80年代針對(duì)多方案、多目標(biāo)問題，提出了一種實(shí)用的決策方法，即AHP。AHP作為決策工作具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，AHP[2，3]是一種分析層次權(quán)重決策的方法，將每個(gè)層次的各個(gè)因素按因素之間的支配關(guān)系分解為有序的遞階層次結(jié)構(gòu)模型，并依據(jù)客觀現(xiàn)實(shí)判斷對(duì)模型中每一層因素的相對(duì)重要性給出定量的表示，然后再對(duì)每一層次全部因素相對(duì)重要性的權(quán)值加以確定，最終得到最低方案層相對(duì)最高目標(biāo)層的重要性次序組合權(quán)值，從而可作為評(píng)估、優(yōu)選方案的依據(jù)。AHP(層次分析法)評(píng)估優(yōu)選最優(yōu)目標(biāo)方案問題分為4個(gè)步驟。其具體步驟如下[4-6]：

1)構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)圖[4-6]。將實(shí)際問題深入分析，并且對(duì)最終目標(biāo)方案、考慮因素和決策對(duì)象根據(jù)它們間的相互關(guān)系進(jìn)行劃分，分別為最高層、中間層和最低層，從而構(gòu)造出層次結(jié)構(gòu)圖。

2)構(gòu)造各層次的判斷矩陣A[4-6]。為解決確定各層次各因素之間的權(quán)重時(shí)，只是定性的結(jié)果，經(jīng)常不易被人接受的問題，運(yùn)籌家Saaty教授等人對(duì)此提出了一種新的解決方法，即判斷矩陣法，構(gòu)造各層次的判斷矩陣A，判斷矩陣A形式如下：

在判斷矩陣A中i因素對(duì)j因素的重要性可用矩陣判斷標(biāo)度(1～9標(biāo)度法)表示。其中1，3，5，7，9表示i因素與j因素相比，前者比后者的重要性可分為同等重要、稍微重要、明顯重要、極其重要、強(qiáng)烈重要。2，4，6，8為介于兩種判斷之間的中間值。而其倒數(shù)表示j因素與i因素兩者相比，重要性可分別為相同、稍弱、弱、很弱、絕對(duì)弱。

3)層次單排序及其一致性檢驗(yàn)[4-6]。

評(píng)估優(yōu)選方案中同一層次因素相對(duì)于上一層次的某因素的重要性要進(jìn)行層次單排序。首先要判斷同層因素對(duì)上層因素的權(quán)重，然后再檢查其一致性。其具體計(jì)算可如下：

a.權(quán)向量計(jì)算[4-6]：

4)層次總排序及其一致性檢驗(yàn)[4-6]。

層次總排序是計(jì)算某一層全部因素對(duì)最高層(總目標(biāo))相對(duì)重要性的權(quán)值。其過程從最高層次最優(yōu)方案目標(biāo)到最低層次依次進(jìn)行[7]。步驟可如下：

2 工程實(shí)例

2.1 病險(xiǎn)水庫實(shí)例

某水庫位于某縣城的一個(gè)鎮(zhèn)境內(nèi)，壩址位于淮河水系潢支下馬河上，是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的小(2)型水庫。水庫下游保護(hù)區(qū)內(nèi)有0.5萬人、1 500畝農(nóng)田，水庫的地理位置重要。水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、輸水洞等組成。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程100.9 m，最大壩高5.3 m，壩長147 m，壩頂寬度3.0 m，上游側(cè)新防浪墻，頂高程為101.50 m。溢洪道位于水庫左岸，為開敞式，由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池組成，采用寬頂堰泄流，堰頂高程99.0 m，堰寬5.0 m，矩形斷面。

政府組織有關(guān)知名專家對(duì)水庫進(jìn)行了安全鑒定。鑒定結(jié)果：大壩為三類壩，其中存在的安全隱患之一為壩體填土壓實(shí)不均，質(zhì)量一般，存在散浸問題。經(jīng)計(jì)算，壩體滲透比降不滿足規(guī)范要求。針對(duì)大壩滲漏問題，專家根據(jù)實(shí)際情況從工程投資、工程場地影響、施工技術(shù)等方面提出了多套大壩防滲加固方案。大壩防滲加固方案如下：

1)高噴灌漿防滲板墻方案。

高壓噴射灌漿是利用高壓泵使水獲得20 MPa～40 MPa的高壓后，從孔徑很小的噴嘴中噴射出來，以極高的速度沖擊破壞土體，從土體脫落下來的土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力作用下，與漿液混合，從而形成一定形狀，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的固結(jié)體，起到加固或防滲的作用。

2)塑性混凝土防滲墻方案。

混凝土防滲墻是采用人工或機(jī)械成槽方式，在透水層內(nèi)形成一道連續(xù)混凝土防滲墻，達(dá)到截?cái)嗤杆畬拥哪康?。混凝土防滲墻也是一種成熟的壩基防滲方法，防滲效果好，幾乎適用于任何壩基地質(zhì)。

3)深層攪拌樁水泥土防滲墻方案。

深層攪拌樁是利用水泥作為固化劑，通過特制的深層攪拌機(jī)械，在地基深部就地將軟粘土與水泥強(qiáng)制拌和，使軟土地基硬結(jié)成具有一定強(qiáng)度的水泥加固土。

2.2 運(yùn)用AHP(層次分析法)分析病險(xiǎn)水庫大壩防滲加固方案

1)AHP(層次分析法)從2.1中病險(xiǎn)水庫實(shí)例中優(yōu)選出一個(gè)最優(yōu)的大壩防滲加固方案。病險(xiǎn)水庫判斷的準(zhǔn)則為工程投資、工程場地影響、施工技術(shù)的大壩防滲加固方案，對(duì)此運(yùn)用層次分析法構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。模型如圖1所示。

2)構(gòu)造判斷矩陣并計(jì)算。

a.構(gòu)造準(zhǔn)則B層對(duì)目標(biāo)A層的判斷矩陣，判斷矩陣見表1。

b.構(gòu)造方案C層對(duì)準(zhǔn)則層施工技術(shù)B1的判斷矩陣，判斷矩陣見表2。

表1 準(zhǔn)則B層對(duì)目標(biāo)A層的判斷矩陣

最優(yōu)方案施工技術(shù)施工投資施工場地W施工技術(shù)1350.616施工投資1/3140.287施工場地1/51/410.097

表2 方案C層對(duì)準(zhǔn)則層施工技術(shù)B1的判斷矩陣

c.構(gòu)造方案C層對(duì)準(zhǔn)則層施工投資B2的判斷矩陣，判斷矩陣見表3。

表3 方案C層對(duì)準(zhǔn)則層施工投資B2的判斷矩陣

d.構(gòu)造方案C層對(duì)準(zhǔn)則層施工場地B3的判斷矩陣，如表4所示。

表4 方案C層對(duì)準(zhǔn)則層施工場地B3的判斷矩陣

3)計(jì)算層次總排序權(quán)值及判斷其一致性。

方案C1對(duì)總目標(biāo)的權(quán)值為0.110×0.616+0.123×0.287+0.120×0.097=0.115。同理，方案C2、方案C3對(duì)總目標(biāo)的權(quán)值分別為0.309，0.577。

運(yùn)用層次分析法分析得到了最終的最優(yōu)目標(biāo)方案，即方案C3：深層攪拌樁水泥土防滲墻方案。考慮到施工技術(shù)、施工投資、施工場地選擇等方面的原因，使用深層攪拌樁水泥土防滲墻方案解決上述病險(xiǎn)水庫的大壩防滲加固比使用高噴灌漿防滲板墻方案和塑性混凝土防滲墻方案更好。

3 結(jié)語

病險(xiǎn)水庫加固中針對(duì)病險(xiǎn)問題提出的多套加固方案可能受到施工技術(shù)、施工投資、施工場地選擇等各方面原因的影響，當(dāng)決策者選擇最終方案時(shí)，可能會(huì)受到某些因素的影響而未選擇出最優(yōu)的方案。因此可運(yùn)用AHP(層次分析法)解決此問題，AHP(層次分析法)可簡便、清楚的對(duì)加固方案提供一個(gè)最有效的定量分析途徑，對(duì)提出的多套加固方案之間進(jìn)行綜合分析和比較，從而選擇出一個(gè)對(duì)總目標(biāo)最優(yōu)的方案，大大的減小了決策者受人為的主觀因素影響和其他因素影響，為決策者提供了重要的理論支撐和參考價(jià)值。

[1] 杜雷功，薛占群，張錫彭，等.全國病險(xiǎn)水庫水閘除險(xiǎn)加固專項(xiàng)規(guī)劃簡要報(bào)告[R].天津：水利部天津水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,水利部水利建設(shè)與管理總站,2001.

[2] 田林鋼，孫淑俠，孫明權(quán)，等.水利工程的風(fēng)險(xiǎn)分析與防范研究[J].人民黃河,2006,28(12):73-74.

[3] JN希德爾.工程概率設(shè)計(jì):原理和應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,1989.

[4] 楊 波，唐德善，盧興旺.基于AHP的河道整治方案優(yōu)選[J].水電能源科學(xué),2010,28(2):109-110.

[5] 李曉東，曾光明，梁 婕.基于層次分析法的洞庭湖健康評(píng)價(jià)[J].人民長江,2009,40(14):22-25.

[6] 康迎賓，康 鵬，張戰(zhàn)強(qiáng)，等.層次分析法在土料場選擇中的應(yīng)用[J].大壩與安全,2011(4):49-52.

[7] 王篤波.深基坑支護(hù)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].鄭州：華北水利水電學(xué)院,2007.

Optimal selection of reinforcement schemes for the revervoir based on analytic hierarchy process

ZHAO Wei-xin1ZHANG Hong-lei2HAO Wei-juan3

(1.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450011,China;2.JinheLimitedCompanyforConstructingWaterUtilitiesinBeijing,Beijing102206,China;3.ShijiazhuangQiguangCultureandCommunicationCo.,Ltd,Shijiazhuang050000,China)

This thesis adopts analytic hierarchy process for analyzing and evaluating the scheme of reinforcing the small reservoirs, based on which builds evaluation models of AHP optimal selection. By comprehensive analysis and comparison of more than one schemes, the most optimal one is selected. It show that AHP provides an effective path for quantitative analysis for optimal selection of reinforment schemes for small reservoir.

dangerously defective reservoirs, AHP, power value, schemes

1009-6825(2014)11-0259-03

2014-02-04

趙偉鑫(1988- )，男，在讀碩士； 張宏蕾(1988- )，男，助理工程師； 郝衛(wèi)娟(1987- )，女,碩士

TV697.32

A