航道改建工程中護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式優(yōu)選

張逸帆，顧寬海

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

航道改建工程中航道兩側(cè)常會存在景觀節(jié)點(diǎn)、廠房、民宅、農(nóng)田等，周邊條件一般比較復(fù)雜。護(hù)岸的結(jié)構(gòu)形式不僅僅要考慮安全性、施工性和經(jīng)濟(jì)效益，更要結(jié)合規(guī)劃布置、生態(tài)景觀、水文地質(zhì)條件、使用要求進(jìn)行多方案比選。

目前的工程設(shè)計(jì)中，比選方法主要是將各方案定性分析后進(jìn)行主觀判斷，當(dāng)選擇因素較多時，因個人的經(jīng)驗(yàn)、知識及偏好等的差異，可能導(dǎo)致方案的不一致或不合理。為減少專家的主觀性，有學(xué)者提出采用層次分析法[1-2]、綜合集成賦權(quán)法[3]、模糊分析法[4-5]來進(jìn)行方案的比選。譚學(xué)瑞和鄧聚龍[6]提出了灰色系統(tǒng)理論用來解決不確定問題。灰色系統(tǒng)是與信息量充足的白色系統(tǒng)、信息量不足的黑色系統(tǒng)相對應(yīng)的概念，以“部分信息已知，部分信息未知”的不確定性系統(tǒng)為研究對象，主要通過對已知信息的生成、開發(fā)、提取，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的正確判斷。目前將以上分析方法運(yùn)用到航道改建工程護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式比選中的案例還較少。因此，為了更合理科學(xué)地比選護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式，開展灰色系統(tǒng)論證應(yīng)用研究有重大意義。

本文以某航道綜合整治工程一標(biāo)段護(hù)岸結(jié)構(gòu)的優(yōu)選為例，將護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式主要劃分為典型段和特殊段。針對典型段，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)層次分析法，尋找出較為理想的護(hù)岸結(jié)構(gòu)方案；針對特殊段，主要根據(jù)護(hù)岸工程通常遇到的情況，提出了技術(shù)可行的護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式。其研究成果可以應(yīng)用于類似工程。

1 典型段護(hù)岸結(jié)構(gòu)優(yōu)選分析方法

本文利用層次分析法計(jì)算指標(biāo)的主觀權(quán)重，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法得到各待選方案的客觀評價，集成后得到兼顧主客觀信息的綜合評價結(jié)果，進(jìn)而判斷各方案的優(yōu)劣，確定航道改建工程中典型段護(hù)岸的結(jié)構(gòu)形式。

1.1 層次結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)造

層次結(jié)構(gòu)模型主要分為決策層、準(zhǔn)則層和方案層。層次數(shù)與問題的復(fù)雜程度和所需要分析的詳盡程度有關(guān)。每一層次中的元素一般不超過9個，因一層中包含數(shù)目過多的元素會給兩兩比較判斷帶來困難。

針對本文研究的問題，目標(biāo)層是選定的護(hù)岸結(jié)構(gòu)方案，準(zhǔn)則層則為結(jié)構(gòu)的安全性、景觀效果、經(jīng)濟(jì)性等因素，方案層是初步擬定的若干結(jié)構(gòu)方案。

1.2 判斷矩陣的構(gòu)造

假設(shè)共有m個比選方案，每個方案有n個評價指標(biāo)。構(gòu)造判斷矩陣是層次分析法的關(guān)鍵步驟，可對全體評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較。將多個專家對各項(xiàng)指標(biāo)的重要性比較的結(jié)果以矩陣形式表示：

B=[bij]n×n

(1)

式中：bij為第i項(xiàng)與第j項(xiàng)指標(biāo)相比的重要程度。判斷矩陣的元素用1～9標(biāo)度方法給出，具體見表1。判斷矩陣具有如下性質(zhì)：bij> 0、bij=1bji、bii=1。

表1 判斷矩陣的比較標(biāo)度及含義

求解判斷矩陣B的特征值：

Bω=λmaxω

(2)

式中：λmax為特征值的最大值；ω為該特征值的特征向量。

在構(gòu)造判斷矩陣時，必須對判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。矩陣的一致性指標(biāo)CI為：

(3)

CI接近于0，一致性越好；CI越大，不一致越嚴(yán)重。再定義一致性比率CR：

(4)

其中：RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，見表2。當(dāng)一致性比率CR< 0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的不一致程度在容許范圍之內(nèi)，通過一致性檢驗(yàn)，否則需要對判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整。

表2 判斷矩陣元素的標(biāo)度

對特征向量ω進(jìn)行歸一化處理：

(5)

1.3 關(guān)聯(lián)矩陣的構(gòu)造

將m個比選方案的n個評價指標(biāo)以矩陣形式列出，得到指標(biāo)的特征量矩陣。對于確定性指標(biāo)以實(shí)際數(shù)值表示；對于不確定指標(biāo)，則用1～5級劃分法進(jìn)行評定，將指標(biāo)的性能分成優(yōu)、良、中、差、劣進(jìn)行描述，分別用0.9、0.7、0.5、0.3、0.1進(jìn)行量化，最后建立一個全數(shù)字形式的特征量矩陣：A=[aij]m×n。

根據(jù)比選方案的性質(zhì)及各評價指標(biāo)的最優(yōu)值確定理想方案。假定理想方案的各指標(biāo)評價向量為：L=[lj]1×n。

針對成本型的評價指標(biāo)，令：

sij=lj/aij

(6)

針對效益型的評級指標(biāo)，令：

sij=aij/lj

(7)

得到無量綱化的指標(biāo)評價矩陣S=[sij]m×n。

再根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析方法[7]，令：

(8)

式中：rij為第i個比選方案的第j個評價指標(biāo)與理想方案該指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。p為分辨系數(shù)，一般取0.5。

最后可以得到關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣R=[rij]m×n。

1.4 方案的確定

比選方案與理想方案的關(guān)聯(lián)度μ可由下式計(jì)算：

(9)

比選方案與理想方案的關(guān)聯(lián)度應(yīng)在區(qū)間[0，1]內(nèi)變化，關(guān)聯(lián)度越接近于1，比選方案與理想方案接近程度越大。反之，關(guān)聯(lián)度越接近于0，比選方案與標(biāo)準(zhǔn)方案的接近程度越小。最終方案即為max(μi)方案。

2 特殊段護(hù)岸結(jié)構(gòu)優(yōu)選分析方法

與典型段護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式比選分析方法不同，特殊段護(hù)岸結(jié)構(gòu)通常首先需要滿足其特殊要求，通常遇到的情況包括：鄰近景觀節(jié)點(diǎn)、鄰近重要建筑物、鄰近保留護(hù)岸、鄰近橋梁及管線下穿。

2.1 鄰近景觀節(jié)點(diǎn)

鄰近景觀節(jié)點(diǎn)的護(hù)岸結(jié)構(gòu)要增加結(jié)構(gòu)的親水性。在護(hù)岸工程設(shè)計(jì)時，必須特別注意水面、地面、人三者的親密協(xié)調(diào)關(guān)系，營造親水環(huán)境。力求做到河中有景、景中有河的景觀效果。鄰近景觀節(jié)點(diǎn)的護(hù)岸結(jié)構(gòu)可以采用親水平臺結(jié)構(gòu)、水上棧道結(jié)構(gòu)、斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)。

2.2 鄰近重要建筑物

由于有建筑物鄰近，駁岸結(jié)構(gòu)必須考慮施工對相鄰建筑物的影響。因此存在鄰近建筑物時，盡量采用避免采用大開挖的護(hù)岸結(jié)構(gòu)。方案若采用樁基時，應(yīng)選擇施工震動對周邊影響較小的鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)。同時根據(jù)陸域建筑物的遠(yuǎn)近、建筑物體量的大小，考慮施工時是否在駁岸后方采用臨時圍護(hù)措施。

2.3 鄰近保留護(hù)岸

部分原有護(hù)岸保存較為完好，同時過流斷面滿足規(guī)劃要求時，可以對原有護(hù)岸進(jìn)行加固保留。加固方式包括：在現(xiàn)有護(hù)岸結(jié)構(gòu)前沿設(shè)置無錨板樁、原結(jié)構(gòu)加高等。結(jié)構(gòu)需要選擇對原護(hù)岸結(jié)構(gòu)的影響較小、開挖量小的結(jié)構(gòu)形式。

2.4 鄰近橋梁及管線下穿

橋梁區(qū)段護(hù)岸往往靠近橋墩，存在橋下施工凈空不夠高、在護(hù)岸基礎(chǔ)下有埋管線下穿的情況，不宜進(jìn)行樁基施工。因此護(hù)岸結(jié)構(gòu)盡量采用淺基礎(chǔ)上的鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，以保證施工可行性。

3 應(yīng)用案例

3.1 工程概況

上海市某航道綜合整治工程河道長約36.5 km，因整治工程里程長、建設(shè)條件十分復(fù)雜，將工程劃分為若干標(biāo)段。某標(biāo)段長1.67 km，處于城郊區(qū)域，動拆遷量不大，周邊環(huán)境相對簡單，但河道兩側(cè)局部存在高壓電塔。河道水位為：100 a一遇極端高水位(P=1%)為3.8 m,50 a一遇極端高水位(P=2%)為3.73 m,10 a一遇高水位(P=10%)為3.06 m，設(shè)計(jì)最高通航水位為3.60 m,設(shè)計(jì)最低通航水位為2.20 m。

該區(qū)域位于上海地區(qū)，自新生代以來屬緩慢沉降地區(qū)，由長江夾帶泥沙在江、海徑流和潮汐的相互作用下不斷堆積形成。場地整體地勢較為平坦，土層自上到下分別為：①0雜色雜填土、①1灰色素填土、②1灰黃色粉質(zhì)黏土、②2灰色黏土、③灰色淤泥質(zhì)黏土、⑥暗綠-草黃色粉質(zhì)黏土。土體物理參數(shù)取值見表3。

表3 土體物理參數(shù)

3.2 方案比選

護(hù)岸結(jié)構(gòu)須滿足行洪排澇等功能要求；考慮航道的生態(tài)、景觀功能，體現(xiàn)水運(yùn)的節(jié)能、生態(tài)、環(huán)保；充分考慮現(xiàn)有自然條件及周邊環(huán)境；節(jié)省投資，方便施工。根據(jù)以上原則，選出3種護(hù)岸結(jié)構(gòu)比選方案。

1)低樁承臺結(jié)構(gòu)(A型)。

A型護(hù)岸采用L形低樁承臺結(jié)構(gòu)，見圖1。墻身為現(xiàn)澆鋼筋混凝土L形擋墻，擋墻前沿線頂高程4.2 m，墻寬0.35～0.50 m；鋼筋混凝土基礎(chǔ)底板厚0.4～0.6 m，寬為3.5 m，底高程為1.0 m；樁基采用兩排300 mm×300 mm方樁，樁長均為15 m，前排樁基間距1 m，后排樁基間距1.8 m；擋墻后與地坪高程放坡順接；墻前泥面以邊坡1:3接至航道底邊線。

圖1 A型護(hù)岸結(jié)構(gòu)方案(高程：m；尺寸：mm。下同)

2)門架式承臺結(jié)構(gòu)(B型)。

B型護(hù)岸采用前板樁后方樁門架式結(jié)構(gòu)，見圖2。護(hù)岸前沿線頂高程為4.20 m，前板樁采用連續(xù)布置的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土U形板樁，后排采用400 mm×400 mm鋼筋混凝土方樁，樁長均為15 m，后排樁基間距1.8 m；在兩排樁頂部均設(shè)置導(dǎo)梁，并通過橫撐連成框架結(jié)構(gòu)；前導(dǎo)梁為L形，底高程3.2 m、寬1.0 m、底板高0.6 m、前沿?fù)蹩矊?.4 m、頂高程4.2 m；后導(dǎo)梁寬1.0 m、高0.6 m；橫撐與導(dǎo)梁等高布置，寬0.6 m、高0.6 m、間距2.5 m；擋墻后與地坪高程放坡順接；墻前泥面以邊坡1:3接至航道底邊線。

圖2 B型護(hù)岸結(jié)構(gòu)方案

3)空心砌塊承臺結(jié)構(gòu)(C型)。

C型護(hù)岸采用空心方塊承臺護(hù)岸，見圖3。擋墻前沿線頂高程4.2 m，在空心方塊內(nèi)回填素土，方塊臺階處布置親水植物；頂層空心方塊寬1.1 m、高0.9 m；中層空心方塊寬1.9 m、高0.9 m，前臺階寬0.5 m，后臺階寬0.3 m；底層空心方塊寬2.7 m、高0.8 m，前臺階寬0.5 m、后臺階寬0.3 m；空心方塊下方布置鋼筋混凝土基礎(chǔ)底板，底板厚0.6 m、寬3.7 m，底高程為1.0 m；樁基采用兩排300 mm×300 mm方樁，樁長均為15 m，前排樁基間距1 m，后排樁基間距1.8 m；擋墻后與地坪高程放坡順接；墻前泥面以邊坡1:3接至航道底邊線。

圖3 C型護(hù)岸結(jié)構(gòu)方案

將A、B、C共3種護(hù)岸形式進(jìn)行比選，對比分析成果見表4。從分析結(jié)果看，3種方案均可行，僅通過專家的主觀判斷，較難選擇出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，因此采用灰色關(guān)聯(lián)的層次分析法進(jìn)行比選。

表4 比選方案分析

4 護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式的確定

4.1 典型段的確定

根據(jù)表5的分析結(jié)果，針對技術(shù)可行、生態(tài)景觀、施工影響3項(xiàng)不確定性評價指標(biāo)，對“好、一般、較差”等評價利用5級標(biāo)度法進(jìn)行劃分，再結(jié)合經(jīng)濟(jì)性確定性評價指標(biāo)，得到其特征量矩陣。利用公式(8)，依次得到指標(biāo)評價矩陣、相互關(guān)聯(lián)矩陣為：

由專家對4項(xiàng)評價指標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較，在安全為首、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)并重的原則下，利用9級標(biāo)度法得出其判斷矩陣如下：

由于CR=0.016,顯然矩陣B通過一致性檢驗(yàn)。根據(jù)式(9)，最后可以得到關(guān)聯(lián)度為：μ=[0.60 0.56 0.52]。

根據(jù)關(guān)聯(lián)度越接近于1比選方案與理想方案的接近程度越大的原則，本工程典型段推薦護(hù)岸結(jié)構(gòu)方案宜選用A型護(hù)岸結(jié)構(gòu)更理想。

4.2 特殊段的確定

由于本段兩岸分布高壓鐵塔，周圍護(hù)岸結(jié)構(gòu)必須考慮對高壓鐵塔的影響。為滿足特殊要求，本段護(hù)岸結(jié)構(gòu)采用非開挖的高樁門架結(jié)構(gòu)，見圖4，前板樁考慮采用靜壓施工工藝，減小打樁震動對高壓鐵塔的影響；灌注樁樁芯籠分節(jié)制作安裝，以滿足高壓導(dǎo)線的安全距離要求；施工期考慮在高壓鐵塔周圍布置短木樁等臨時維護(hù)措施，并對高壓鐵塔全程監(jiān)測，確保高壓鐵塔的安全。

圖4 特殊段護(hù)岸結(jié)構(gòu)方案

5 結(jié)語

1)本文將灰色關(guān)聯(lián)層次分析法應(yīng)用在復(fù)雜周邊情況下護(hù)岸結(jié)構(gòu)的選型，可以避免工程設(shè)計(jì)中的主觀性。將定性與定量有機(jī)結(jié)合，更全面客觀反映系統(tǒng)影響要因，比選結(jié)果更加科學(xué)合理。

2)通常情況下航道改建工程周邊條件比較復(fù)雜，須因地制宜、采用不同的結(jié)構(gòu)形式。特殊段護(hù)岸結(jié)構(gòu)通常首先需要滿足其特殊要求。

3)針對典型段和特殊段等不同岸段，護(hù)岸選型采用了不同分析方法，使得比選更加科學(xué)、合理、有效，為航道改建工程的護(hù)岸優(yōu)選提供了有益的探索和參考。