基于層次分析法的核電廠豎向設(shè)計(jì)影響因素研究

張凡 楊張偉

摘要：核電廠的豎向設(shè)計(jì)對廠區(qū)的使用性能及經(jīng)濟(jì)效益具有重要影響，本文針對核電廠豎向設(shè)計(jì)特點(diǎn)，通過梳理核電廠豎向設(shè)計(jì)的工作內(nèi)容，運(yùn)用層次分析法對影響因素核電廠豎向設(shè)計(jì)的權(quán)重進(jìn)行分析。分析結(jié)果對實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義，為豎向設(shè)計(jì)評價提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：核電廠 ?豎向設(shè)計(jì) ?影響因素 ?層次分析法

1 引言

豎向設(shè)計(jì)是總圖設(shè)計(jì)的重要組成部分，它指對建設(shè)用地范圍內(nèi)場地進(jìn)行垂直方向的高程（標(biāo)高）設(shè)計(jì)。豎向設(shè)計(jì)是否合理直接影響廠區(qū)的使用性能，同時會影響工程量，從而影響工程的經(jīng)濟(jì)效益。核電廠豎向設(shè)計(jì)一般在總平面布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行，廠區(qū)自然地形起伏不平，需要進(jìn)行豎向設(shè)計(jì)，使場地不但滿足生產(chǎn)工藝及交通運(yùn)輸要求，且滿足廠區(qū)建（構(gòu)）筑物、道路、場地的排雨水要求。本文將對核電廠豎向設(shè)計(jì)的影響因素進(jìn)行分析，探討豎向方案設(shè)計(jì)時的應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)因素。

2 核電廠豎向設(shè)計(jì)的影響因素分析

2.1 場地平整設(shè)計(jì)

場地平整一般發(fā)生在工程初始階段，又稱場地初平。場地平整的主要工作包括確定場地豎向布置形式、確定場地平整標(biāo)高、計(jì)算土石方工程量等。

（1） 豎向布置形式

場地豎向布置形式是指場地各主要設(shè)計(jì)整平面之間的連接方法。按照設(shè)計(jì)整平面之間連接方法的不同，通常分為平坡式、階梯式和混合式。平坡式是指將場地處理成接近于自然地形的一個或幾個帶有緩坡的整平面，彼此之間連接處設(shè)計(jì)坡度和設(shè)計(jì)標(biāo)高沒有明顯的高差變化，該布置有利于廠區(qū)內(nèi)運(yùn)輸線路及管線的布置，由于核電廠工藝流程復(fù)雜，溝道截面尺寸大，多數(shù)核電廠場地采用平坡式;臺階式是指根據(jù)自然地形和工藝流程把工業(yè)場地劃分為若干個臺階，以陡坡或擋墻的形式相連接組成的階梯布置，有的核電項(xiàng)目廠區(qū)與廠外施工場地、臨時設(shè)施區(qū)也處于不同臺階;混合式是指設(shè)計(jì)地面由若干個平坡和臺階混合組成。在進(jìn)行豎向布置形式的選擇時，需結(jié)合自然地形坡度，廠區(qū)寬度，建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)埋深，廠區(qū)運(yùn)輸條件等因素綜合考慮。

（2） 廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高

在民用項(xiàng)目等土石方工程量影響項(xiàng)目投資較大的項(xiàng)目中，場地平整標(biāo)高常基于土方平衡原理進(jìn)行確定，而對于核電項(xiàng)目，由于投資較大，工藝要求較高，場地平整標(biāo)高則主要根據(jù)廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高確定。核電廠廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高指主廠房建（構(gòu)）筑物室外散水標(biāo)高，考慮到局部開挖難度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，場地平整標(biāo)高一般低于廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高0.5m左右。廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高的確定需考慮防洪要求、地基條件、冷卻水揚(yáng)程、海工設(shè)施、土石方工程量等影響因素。由于核電項(xiàng)目廠區(qū)面積較大，廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高的提高或降低，將大大影響土石方量，從而影響工程投資，如需設(shè)置護(hù)堤、護(hù)岸、擋浪墻等海工設(shè)施時，廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高的提高或降低也將影響工程投資或運(yùn)行成本，同時核電項(xiàng)目常采用一次規(guī)劃，分期建設(shè)的方法，因此還需特別考慮已建機(jī)組在建造及運(yùn)行過程中對擴(kuò)建機(jī)組的影響。

（3）土石方工程量

土石方工程量作為評價工程經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，既影響豎向布置形式的選擇，又影響場地平整標(biāo)高的確定。在大多數(shù)情況下，土石方工程是影響豎向布置重要因素之一，但是，隨著豎向布置的深入，又可能造成土石方工程的調(diào)整和變動，從而影響土石方工程。核電廠土石方工程量往往在百萬立方米以上，土石方工程不但包括場地、邊坡的土石方量，還包括建（構(gòu)）筑物負(fù)挖余土、管溝基槽余土、道路基槽余土等。

2.2 場地豎向設(shè)計(jì)

場地豎向設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是確定建（構(gòu)）筑物的室外地坪標(biāo)高，并組織地面排水系統(tǒng)。

（1） 建（構(gòu)）筑物的室外地坪標(biāo)高

核電廠主要建（構(gòu)）筑物的室外地坪標(biāo)高即為廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高，同時，根據(jù)廠區(qū)布置情況，其它次要建（構(gòu)）筑物室外地坪標(biāo)高也可與廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高不同。

（2） 場地排水

核電廠采用有組織排水，通常以暗管排水為主，局部區(qū)域增設(shè)明溝排水，為防止外部洪、雨水對廠區(qū)造成影響，有時在廠區(qū)外側(cè)設(shè)置截洪溝。需要注意的是，由于核島及聯(lián)合泵房要害區(qū)常采用硬化地面，且面積較大，易造成要害區(qū)內(nèi)積水，因此要害區(qū)內(nèi)要特別注意豎向設(shè)計(jì)坡度，必要時增加雨水篦井或設(shè)置排水溝。

2.3 道路豎向設(shè)計(jì)

道路豎向設(shè)計(jì)在場地平整和建、構(gòu)筑物豎向設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，主要內(nèi)容是確定場地內(nèi)道路的控制點(diǎn)標(biāo)高和坡度，并合理處理交叉口豎向。

（1） 道路控制點(diǎn)標(biāo)高

為便于場地順暢排雨水，每個區(qū)塊場地至少要有一邊的道路控制點(diǎn)比場地低200mm以上，以便于收集區(qū)塊場地中排出的雨水，匯集到暗管或明溝中。

（2） 道路縱坡

為滿足場地內(nèi)運(yùn)輸車輛爬坡要求，道路最大坡度不大于7%，不小于0.3%，在地形非常困難情況下，設(shè)計(jì)坡度可達(dá)到11%。道路縱向設(shè)計(jì)宜采用鋸齒式坡度。使得道路上的雨水可以匯集到道路的不同匯集點(diǎn)，然后排入排雨水系統(tǒng)。

（3） 道路交叉口處理

在道路交叉口位置，由于各道路寬度及坡度不同，此處的豎向較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)不當(dāng)極易造成路面積水，因此在核電廠豎向設(shè)計(jì)中，在交叉口處需特別注意。在交叉口豎向設(shè)計(jì)時，道路等級相同時，一般是在維持各自的縱坡不變的前提下調(diào)節(jié)橫坡，并且通常是調(diào)節(jié)縱坡較小道路的橫坡;道路等級不同時，一般是主道路的縱、橫坡均維持不變，而將次道路的雙坡橫斷面逐漸過渡到與主道路縱坡相一致和單坡斷面，同時至少有一條道路的縱坡方向背離交叉口，以便于路面排水。

2.4 細(xì)部豎向設(shè)計(jì)

在核電廠豎向設(shè)計(jì)過程中，除了常見的建構(gòu)筑物室內(nèi)外地坪標(biāo)高設(shè)計(jì)、場地內(nèi)道路設(shè)計(jì)外，因核電廠場地特殊性，場地與周邊存在較大高差，需進(jìn)行細(xì)部擋土墻或邊坡設(shè)計(jì)，以及道路排水溝或截水溝細(xì)部設(shè)計(jì)。

（1） 邊坡

邊坡是一段連續(xù)的斜坡面。為了保證土體和巖石的穩(wěn)定，斜坡面必須具有穩(wěn)定的坡度，稱為邊坡坡度，一般用高寬比表示。邊坡坡度的大小決定了邊坡的占地寬度和邊坡工程量，由于核電廠邊坡往往較高，因此控制邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

（2） 擋土墻

當(dāng)用地緊張，沒有足夠空間布置邊坡，或當(dāng)設(shè)計(jì)地面與自然地形之間有一定高差時，切坡后的陡坎或處在不良地質(zhì)處，或易受水流沖刷而坍塌，或有滑動可能的邊坡，當(dāng)采用一般鋪砌護(hù)坡不能滿足防護(hù)要求時，宜設(shè)置擋土墻。

（3） 排水溝

排水溝根據(jù)材料不同可分為土溝、磚石砌溝、混凝土溝等，進(jìn)行核電廠排水溝豎向設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括確定各排水溝的起終點(diǎn)溝頂、溝底標(biāo)高，排水溝長度和溝底縱坡度。排水溝布置時，應(yīng)盡量減少與道路的交叉，并滿足距其他建、構(gòu)筑物的凈距要求。

（4） 實(shí)物保護(hù)圍欄

核電廠以圍欄作為實(shí)體屏障，將實(shí)物保護(hù)區(qū)域劃分為控制區(qū)、保護(hù)區(qū)和要害區(qū)。其中，控制區(qū)圍欄為單層鐵絲網(wǎng)圍欄，保護(hù)區(qū)圍欄為雙層鐵絲網(wǎng)圍欄，雙層圍欄間設(shè)置6m寬的隔離帶，要害區(qū)圍欄為單層鐵絲網(wǎng)圍欄并在外側(cè)1m處設(shè)置輕質(zhì)防護(hù)欄。

3 基于層次分析法的核電廠豎向設(shè)計(jì)的影響因素權(quán)重分析

層次分析法是一種對較為復(fù)雜、較為模糊的問題作出決策的簡易方法，它將定性與定量的決策結(jié)合起來，主要用來解決為實(shí)現(xiàn)某種總目標(biāo)時，其多目標(biāo)對總目標(biāo)的權(quán)重或者多個影響因素對其關(guān)聯(lián)目標(biāo)的權(quán)重，適用于一些難于完全定量分析的問題。本文采用層次分析法計(jì)算各層指標(biāo)要素的權(quán)重值，進(jìn)而確定影響核電廠豎向設(shè)計(jì)的主要因素。

3.1豎向設(shè)計(jì)評價指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型

在建立層次結(jié)構(gòu)模型時，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合對場地平整、場地豎向設(shè)計(jì)、道路豎向設(shè)計(jì)、細(xì)部豎向設(shè)計(jì)四個設(shè)計(jì)內(nèi)容的分析，提出豎向布置形式，廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高，土石方工程量，建（構(gòu)）筑物室外地坪標(biāo)高，場地排水方式，道路控制點(diǎn)標(biāo)高，道路縱坡，道路交叉口處理，邊坡設(shè)計(jì)，擋土墻設(shè)計(jì)，排水溝設(shè)計(jì)和實(shí)物保護(hù)圍欄豎向設(shè)計(jì)12個評價指標(biāo)，從而建立合理完整的目標(biāo)層——準(zhǔn)則層——指標(biāo)層核電廠豎向設(shè)計(jì)評價指標(biāo)體系，分析其邏輯關(guān)系，并以層次圖形式表示。

3.2構(gòu)建判斷矩陣

依據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型，常采用九標(biāo)度法，對各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣。1—9比例標(biāo)度法可使指標(biāo)間的比較定量化，如表3.2-1所示。

由于方案評價主要是決策人的主觀判斷，為使結(jié)果更具代表性、合理性，本文通過發(fā)放專家調(diào)查表，對專業(yè)設(shè)計(jì)人員發(fā)放14份調(diào)查問卷，收回14份，整理調(diào)查結(jié)果，得出以下判斷矩陣。

依據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型中的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及指標(biāo)層的關(guān)系，分別建立的判斷矩陣，并以判斷矩陣的特征向量和特征值作為衡量本層次元素之間對目標(biāo)的影響權(quán)重。若判斷矩陣A存在一個矩陣W和λ值，使AW=λmaxW，則W為判斷矩陣A的特征向量，λmax為最大特征根，所得的W經(jīng)歸一化后，即為同一層次相應(yīng)元素對于上一層次某一元素相對重要性的權(quán)重向量。

同理，可得出準(zhǔn)則層及指標(biāo)層各指標(biāo)的權(quán)重向量及最大特征根。

3.3判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)

層次分析法要求判斷矩陣具有大體的一致性，使計(jì)算結(jié)果基本合理。一致性指標(biāo)，若各層次隨機(jī)一致性比率小于0.1，則認(rèn)為該判斷矩陣的構(gòu)造符合數(shù)學(xué)邏輯，否則需要重新調(diào)整判斷矩陣，重新進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，直到滿足CR小于0.1這一要求。隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值如表3.3-1所示。

通過計(jì)算可知，各矩陣的最大特征根λmax分別為4.1949，3.0920，2，3.0413，4.0525，隨機(jī)一致性比率CR分別為0.0730，0.0793，0，0.0397，0.0197均小于0.1，滿足一致性要求，符合檢驗(yàn)。

3.4確定指標(biāo)權(quán)重

通過以上步驟，最終得到各指標(biāo)的組合權(quán)重，如表3.4-1所示。

由表4.4-1可知，C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12的組合權(quán)重W=（0.2657，0.2232，0.1099，0.1366，0.0551，0.0801，0.0351，0.0225，0.0250，0.0258，0.0127，0.0083），核電廠豎向設(shè)計(jì)各評價指標(biāo)的權(quán)重從大到小的順序排列為：豎向布置形式>廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高>建（構(gòu)）筑物室外地坪標(biāo)高>土石方工程量>道路控制點(diǎn)標(biāo)高>場地排水方式>道路縱坡>擋土墻設(shè)計(jì)>邊坡設(shè)計(jì)>道路交叉口設(shè)計(jì)>排水溝設(shè)計(jì)>實(shí)物保護(hù)圍欄設(shè)計(jì)。結(jié)果與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)基本相符，其中，廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高涉及工藝專業(yè)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，在具體設(shè)計(jì)時需要經(jīng)過論證確定。

4 結(jié)論

本文分析了場地平整、場地豎向設(shè)計(jì)、道路豎向設(shè)計(jì)、細(xì)部豎向設(shè)計(jì)四個方面對核電廠豎向設(shè)計(jì)的影響，運(yùn)用層次分析法計(jì)算了各影響因素的權(quán)重，并對影響因素進(jìn)行了排序。通過分析可知，豎向布置形式、廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高、建（構(gòu)）筑物室外地坪標(biāo)高、土石方工程量是影響核電廠豎向設(shè)計(jì)最主要的因素。豎向設(shè)計(jì)是總圖設(shè)計(jì)的特色及重要內(nèi)容，豎向設(shè)計(jì)不但受總平面布置的影響，也會同樣影響總平面布置，因此，在核電廠豎向設(shè)計(jì)方案確定時應(yīng)慎重全面，通過對豎向布置形式，廠坪設(shè)計(jì)標(biāo)高等重點(diǎn)內(nèi)容在方案階段進(jìn)行評審等方式，確保核電廠豎向方案的合理性。

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作者簡介：

張凡（1990～），女，陜西咸陽人;中國核電工程有限公司工程師;研究方向：核電廠總圖運(yùn)輸設(shè)計(jì)。

楊張偉：中國核電工程有限公司。