水工設計方案的對比分析

吳明浩

茂名市水利水電勘測設計院 525000

摘要：水工設計方案受多種因素的影響，不僅要實現(xiàn)技術可靠，還要經濟合理以及不對環(huán)境造成顯著影響，并且具有較好的社會效益和生態(tài)效益，這就要求設計人員在選擇方案時進行多方面的對比分析，以確定綜合效果最優(yōu)的方案。

關鍵詞：水工設計；方案對比

水利工程技術難度大，工程投資多，對安全性要求高，對環(huán)境影響往往也比較顯著，所以在工程實施前必須開展大量的可行性研究和論證工作，以確保設計方法技術上可行、經濟上合理。隨著國家對水利建設投入的增加，將會有更多的水利工程項目付諸實施，快速、合理地確定水工設計方案成為水利工程前期工作的重心，因此本文對水工設計方案比選進行了分析。

1 水工設計方案對比的流程、影響因素與原則

1.1 水工設計方案對比的流程

水工設計方案一般經過四個步驟，即方案計劃、方案制定、方案對比和方案確定[1]。方案計劃是指根據工程目標任務，結合各種條件和因素，提出至少兩個方案供對比。方案制定是對各初步方案進行一定深度的研究，分析各方案的建設條件和影響因素，對投資、工期等關鍵要素進行估算，以便形成對比的基礎。方案對比就是從經濟、技術角度進行全面比較，列出各方案的優(yōu)勢和劣勢。方案確定即根據各方案優(yōu)劣程度，綜合分析之后確定最優(yōu)方案。

1.2 水工設計方案的影響因素

盡管水工設計方案對比的流程看起來并不復雜，但因為方案的確定是一個綜合性和技術性要求非常高的工作，在進行對比的過程中存在一定程度的不確定性，更重要的是在初步方案中因為投資因素容易量化，所以常成為方案對比的決定性因素，經濟因素當然是重要的，但并非唯一重要的因素，例如環(huán)境因素、社會因素和技術因素也可能成為影響方案是否成功的重要因素。大量實踐業(yè)已證明，由于工程建設在環(huán)境敏感地區(qū)運行伊始就爭議不斷，還有些工程因為選擇了行將淘汰的技術，使工程運行效益差，這樣的例子不勝枚舉，因此應根據工程項目的特點盡可能全面地考慮，在方案形成階段多花些功夫才能為工程以后的實施打下良好基礎。

1.3 水工設計方案對比的原則

方案對比應遵循一些基本原則，如實事求是、全面兼顧、統(tǒng)一基準。任何方案都會有優(yōu)劣之分，如果一個方案明顯比其他方案優(yōu)勝就不需要對比了，而最易犯的錯誤正是主觀上傾向于某個方案就會不自覺地突出該方案的優(yōu)點，壓抑乃至漠視其不足，這就談不上事實求是了。全面兼顧是要綜合各方面的因素，也就是在方案計劃、制定階段盡可能多地收集所有影響因素，然后再分析它們的主次關系，確定哪些是關鍵因素、控制因素或次要因素，這樣比較就有針對性并兼顧全面性。不同方案之間的比較應該在同一基準下進行，這個基準就是規(guī)劃指標相同、設計深度相當、各方案本身已經過優(yōu)化等。例如不同的壩址方案應該在庫水位、庫容等指標一致的基礎上進行比較。設計深度和方案優(yōu)化程度直接影響方案對比的結果，這些因素也必須在同一水準下進行比較，否則就會出現(xiàn)潛在的優(yōu)秀方案被一般性方案淘汰的結果。方案優(yōu)化在大型水利工程更具顯著的影響[2]。

2 水工設計方案對比案例

2.1 灌渠護坡設計方案對比

某灌渠設計流量為6.4m3/s，現(xiàn)提出3個護岸方案，即混凝土護坡、土質護坡和生態(tài)護坡。方案對比從技術、經濟、環(huán)境和社會四個角度進行，對于多目標多層次的方案對比可采用專家評價法、運籌學方法、數學方法和混合方法[3]?，F(xiàn)決定采用專家評價法并結合數學方法中的層次分析法（AHP）進行對比。為了建立AHP層次模型，特邀請15位專家參與討論，并將其評價指標分為兩個層次，第一個層次有4個指標，它們是可靠性、經濟性、環(huán)境影響和社會影響，分別與技術、經濟、環(huán)境和社會四個要素對應。第一層指標下面是第二層次指標，如可靠性下面是整體設計可靠性、技術可靠性和工期可靠性，再如經濟性下面是建設費用、運營費用、經濟壽命。這樣就能夠建立起層次比較的矩陣模型，并利用Matlab程序計算各個比較矩陣的權重，并利用權重計算結果確定了兩個層次所有指標的權值。接下來再組織12位專家分別對混凝土護坡、土質護坡和生態(tài)護坡進行綜合評分。對于定性指標的量化，按優(yōu)、良、中、差分級，并分別對應100、80、60、40的分數，定量指標在原有指標數值基礎上進行無量綱和歸一化處理后轉成標準值。最后得分情況是混凝土護坡的綜合評分為79.32分，土質護坡的綜合評分為78.44分，生態(tài)護坡的綜合評分為82.23分，最終選擇生態(tài)護坡方案。從這個例子中可以看到3個方案的評分差距并不是很大，尤其是混凝土護坡與土質護坡的評分差距不足1分，這足以說明采用合理的對比方法的重要性。

2.2防波堤結構方案的對比

華南某沿海地區(qū)建設防波堤和護岸，經地質勘探防波堤表層淤泥厚達10～12m，根據工程重要性和設計壽命，確定建筑物安全等級為Ⅱ級。防波堤提出2個方案，A方案是透空樁基堤結構，B方案是插入大圓筒堤結構。A方案采用800mmPHC樁基，并設置為叉樁形式，要求樁尖透過粉砂層插入黏土層。施工方法是先開挖3.5～6m深的基槽，然后打樁至設計深度，樁間鋪設土工格柵和編織布，再拋填石塊，樁頂澆灌混凝土擋浪墻，擋墻外再設置混凝土擋浪板。B方案是插入8000mm圓筒，筒壁厚300mm。圓筒分兩節(jié)插入，上一節(jié)長12m，重213t，下節(jié)長10m，重178t，兩節(jié)圓筒之間采用凹凸榫連接。同A方案，沉筒前先挖6m深的基槽。安裝完圓筒，在兩側敷設土工格柵和編織布，再拋填石塊，圓筒頂部安裝混凝土蓋板，之上澆灌混凝土擋浪墻。A方案的優(yōu)點是施工容易，造價低，并且后期沉降較小，不足之處是打樁時容易偏移。B方案施工快速，且占地面積較小，但預制大圓筒工藝復雜，造價高。經過對供材與施工條件的分析，得出A方案綜合性更好，故為推薦方案。

2.3碾壓土石壩的設計方案

某水利樞紐工程攔河壩采用碾壓土石壩。筑壩材料就在壩址附近，土料粘粒含量較高，而含水量較為適中。大壩碾壓控制標準采用干容重法，壓實參數包括土料含水量、鋪土厚度、碾壓設備重量、碾壓遍數等。筑壩前，先對各料場土料性能進行全面檢測，并選擇有代表性的料場開展碾壓試驗，通過試驗獲取施工控制參數。但考慮到實際施工條件比試驗條件更寬泛，所以壓實標準合格率應比設計標準稍高些。經過理論計算并參照相似工程的經驗，初步選定了羊腳碾、氣胎碾和夯板作為碾壓機具，同時擬定了幾組碾壓參數。土料壓實含水量取塑限含水量的+2%、+0%及-2%三個參數點進行試驗。根據測定的含水量、干密度，結合鋪土厚度、碾壓遍數，制作耐壓試驗各參數關系曲線，由該曲線可確定設計干容重所對應不同鋪土厚度的最佳碾壓遍數和最優(yōu)含水量。再經過比較就能找到碾壓效果最好而又經濟的碾壓參數。對于施工期間含水量偏高的問題可采用防雨排水、翻曬等辦法解決。

3 結語

優(yōu)秀的水工設計方案可以充分發(fā)揮水利工程的效能，并為社會經濟發(fā)展提供最有效的支撐。然而優(yōu)秀的方案不是僅憑主觀熱情就能實現(xiàn)的，需要有科學嚴謹的態(tài)度，遵循合理的方法，特別是對各初選方案進行全面的對比分析，從中選出技術可靠、經濟合理的方案。

參考文獻：

[1] 廖聲海，楊正猛. 水利水電工程水工設計方案對比研究[J]. 黑龍江水利科技，2014（6）：159-160.

[2] 張紅武. 跨流域多水源引調水工程系統(tǒng)設計方案研究[J]. 水利規(guī)劃與設計，2015（8）：61-65.

[3] 王威威. 基于層次分析法的農田水利建設方案優(yōu)化研究[D]. 鄭州：華北水利水電學院，2012.