基于AHP模型的水利水電工程深基坑支護方案優(yōu)選研究

孫 穎

(遼寧省彰武縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 彰武 123200)

深基坑支護的綜合性強且技術(shù)較為復(fù)雜，它是一項涉及巖土和結(jié)構(gòu)工程的復(fù)雜問題，為減少安全事故提高工程質(zhì)量有必要優(yōu)選決策最佳方案。因此，工程技術(shù)人員越來越注重深基坑支護的優(yōu)選決策研究。通過歸納總結(jié)現(xiàn)有的文獻資料發(fā)現(xiàn)，深基坑支護方案優(yōu)選時比較注重因素層、目標(biāo)層間的縱向關(guān)系，而考慮不同因素層間隱含關(guān)系的研究較少。由于不同因素間的依賴性較強，如安全性與經(jīng)濟性間存在密切關(guān)聯(lián)，從而導(dǎo)致橫向因素層信息缺失的問題在所難免，并給權(quán)重計算以及目標(biāo)層橫向關(guān)系帶來較大的不確定性，這在一定程度上降低了評價目標(biāo)的精準(zhǔn)度。因此，本文考慮因素間的反饋性與依賴性特征，擬選用網(wǎng)路分析法(ANP)實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)決策，并借助SD軟件完成水電工程深基坑支護方案的優(yōu)選。

1 優(yōu)選方法

1.1 ANP原理

在ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中每個元素或元素集用網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點表示，不同元素之間均可存在相互作用關(guān)系，即每個元素都可能會受到系統(tǒng)中其他元素的支配或影響，其他因素也會受該元素的影響[1-3]?？傮w上，控制因素層與網(wǎng)絡(luò)元素層屬于構(gòu)成典型ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的兩大層次，其中控制因素層中每個元素相互獨立，該層次通常包括系統(tǒng)的準(zhǔn)則及其優(yōu)選目標(biāo)，構(gòu)造加權(quán)超矩陣的權(quán)重計算法與AHP基本類似；網(wǎng)絡(luò)元素層的構(gòu)成參數(shù)來源于受控制層，不同元素間存在的關(guān)系有：(1)若不同次準(zhǔn)則下的兩元素間不存在相互作用關(guān)系，則僅比較次準(zhǔn)則下該元素的重要程度，由此確定的權(quán)重即為直接優(yōu)勢度；(2)若不同次準(zhǔn)則下的兩元素之間存在相互作用關(guān)系，此時兩個元素在給定某一準(zhǔn)則的情況下，比較確定的其影響第三個元素的程度即為間接優(yōu)勢度，這也是AHP法與ANP的主要區(qū)別。

1.2 優(yōu)選決策流程

步驟1：明確目標(biāo)、準(zhǔn)則。詳盡的描述決策問題，如待優(yōu)選方案的子目標(biāo)、準(zhǔn)則、總目標(biāo)及其參與者。深基坑支護方案的優(yōu)選涉及范圍廣、覆蓋因素多，且不同因素對方案優(yōu)選的貢獻具有較大的差異。通過總結(jié)分析國內(nèi)外典型工程案例和相關(guān)技術(shù)理論，結(jié)合個人實踐經(jīng)驗確定準(zhǔn)則層包括施工、安全、經(jīng)濟、環(huán)保4大因素。顯然，不同因素間具有明顯的反饋與依賴關(guān)系?？紤]ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)未確立此層次關(guān)系，按從下而上的次序先分析下一因素層，經(jīng)反饋推演再確立準(zhǔn)則層關(guān)系。

采用專家調(diào)查法和文獻資料法，以深基坑支護方案為基礎(chǔ)獨立展開各準(zhǔn)則層的特征分析，借鑒王永剛、郭濤、朱彥鵬、黃志全、秦泗清、馮慶高、徐楊青等文獻資料，遵循系統(tǒng)層、獨立性、層次性、可行性和科學(xué)性等原則構(gòu)建深基坑支護方案決策體系，如圖1。

圖1 方案優(yōu)選決策指標(biāo)體系

通過綜合比較專家調(diào)查法與文獻資料法討論子準(zhǔn)則各因素間的關(guān)系，并注重分析其橫向相互關(guān)系。針對子準(zhǔn)則層中的因素利用列表法統(tǒng)計分析，從而繪制相互關(guān)系表，如表1。該過程屬于一種改進的AHP層次分析，由于考慮子準(zhǔn)則層的橫向關(guān)系能夠提高方案決策的精準(zhǔn)度，減少決策過程中有效信息的丟失，故顯著影響著決策管理。

表1 各因素的相互關(guān)系表

考慮以下幾種情況深入分析以上關(guān)系：(1)子準(zhǔn)則層中的因素與所對應(yīng)的準(zhǔn)則層間的相互作用關(guān)系；(2)不同因素隸屬于同一準(zhǔn)則層的相互作用關(guān)系；(3)部分因素所攜帶的來自于自身的作用關(guān)系。例如，支護結(jié)構(gòu)強度和變形要求(e13)受結(jié)構(gòu)設(shè)計理論陷阱性和可行性(e11)的影響表示為Re13e11=1。

步驟2：構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)合深基坑支護方案設(shè)立的決策準(zhǔn)則和目標(biāo)，按照ANP原理構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。各決策方案的一級評價指標(biāo)(準(zhǔn)則)以及支護方案的決策目標(biāo)組成控制層，而準(zhǔn)則與目標(biāo)的下屬元素組或元素組成網(wǎng)絡(luò)層，其相互作用關(guān)系利用箭頭表示。

步驟4：權(quán)重超矩陣的構(gòu)造?？紤]到僅僅標(biāo)準(zhǔn)化處理了這些超矩陣的子塊矩陣Wij，而并未歸一化處理超矩陣，因此不能直接確定各元素的優(yōu)先權(quán)，也無法確定主準(zhǔn)則權(quán)重。所以，仍需兩兩比較各個元素組，從而構(gòu)造相應(yīng)的權(quán)重超矩陣。通過歸一化處理元素組Cj的兩兩判斷矩陣aj可以獲取其特征向量(a1j，a2j，…，aNj)T，即：

根據(jù)以上運算法則，構(gòu)造元素組在某一主準(zhǔn)則下的控制層中的相互關(guān)系權(quán)重矩陣，其表達式為：

由此以來，運用乘積法處理無權(quán)重超矩陣與權(quán)重矩陣即可確定相應(yīng)的權(quán)重超矩陣，其表達式為：

步驟6：綜合排序。根據(jù)各準(zhǔn)則權(quán)重對每一控制準(zhǔn)則的極限向量加總確定相對極限優(yōu)先權(quán)的綜合排序，其中各決策方案權(quán)重的加總屬該過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過優(yōu)選排序各決策方案的權(quán)重值即可實現(xiàn)方案的決策。

2 實例應(yīng)用

2.1 方案設(shè)計

阜新市某水電工程位于柳河干流上，水利樞紐以防洪排澇、農(nóng)田灌溉為主，兼具水力發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖和改善生態(tài)環(huán)境等功能，有利于減輕下游洪水災(zāi)害損失及維護綠色廊道生態(tài)環(huán)境，對提升河流防洪能力和促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮著重要作用。水電站建設(shè)過程中其基坑開挖存在以下特點：(1)基坑的邊長較長、深度較深，施工過程中具有明顯的空間效應(yīng)；(2)為滿足度汛要求其時間效應(yīng)明顯，施工周期長、土方量大且穿插樁基施工；(3)水力坡度及水位降深的控制要配合截流措施完成，此外應(yīng)創(chuàng)設(shè)符合安全施工的干地作業(yè)環(huán)境；(4)為保證工程的順利實施需配合變形及水位觀測，故該工程屬于一類基坑[4，5]。通過勘察設(shè)計初步擬定了三個深基坑支護方案，具體如下：

方案一：旋噴止水帷幕+復(fù)合土釘墻，旋噴止水帷幕選用水灰比為0.46的水泥漿噴射液，成樁直徑和鉆孔間距均設(shè)計成0.8 m。

方案二：外嵌高壓旋噴樁止水帷幕+樁錨支護+土釘護坡，其中土釘?shù)臋M、豎向間距均為1.2m，土釘長7.0 m，面層厚80 mm，土釘墻高度5.0 m；加強筋和網(wǎng)片筋為雙向Φ14@1200、雙向Φ10@200，砼等級C20。

方案三：旋噴止水帷幕+一道錨桿+先開挖有限放坡排樁。采用長6.0 m、水平間距2.0 m的打入式土釘實行2.00 m放坡開挖2，噴射混凝土掛網(wǎng)片灌注樁經(jīng)900 mm，間距1.6 m；設(shè)計樁身強度C25、樁長30 m，樁身配箍筋Φ14@200、配縱筋22Φ32；冠梁高0.5 m、寬1.0 m，配箍筋Φ10@200、配縱筋18Φ16，按照方案一設(shè)計旋噴止水帷幕。

2.2 初步分析

初步分析過程中擬選用專家評分法，從環(huán)境影響、建設(shè)工期、成本造價、安全可靠的角度定性分析3個支護方案，即邀請評審專家結(jié)合工程實際情況逐項對參評指標(biāo)給予評分，從而確定各一級指標(biāo)在3個方案中的評分，不設(shè)置權(quán)重且以10分為滿分。本文充分考慮評審專家的反饋意見以及各一級指標(biāo)的評分值，經(jīng)計算確定評分均值與比選結(jié)果如表2。

表2 初步評選情況

初步比選時各指標(biāo)間具有一定的反饋關(guān)系和依賴特性，所以方案評分中無法直接確定各指標(biāo)的權(quán)重，由此使得定性分析不能直接的優(yōu)選出最佳方案。

2.3 深基坑支護方案優(yōu)選

從定量的角度對深基坑支護方案利用ANP模型進行優(yōu)選決策，并借助SD軟件完成相應(yīng)的計算，其實現(xiàn)流程為：(1)運用SD軟件和ANP方法，結(jié)合深基坑支護實際情況構(gòu)建ANP網(wǎng)路結(jié)構(gòu)；(2)將元素間、元素組間的關(guān)系采用內(nèi)外專家群體打分法逐一比較，并利用專家議評法與問卷調(diào)查法對優(yōu)勢度打分，如以施工技術(shù)的先進性e31為準(zhǔn)則評價經(jīng)濟可行性C2元素之間的優(yōu)勢度(如表3)，使用SD軟件輸出相應(yīng)的打分值；(3)極限超矩陣、加權(quán)超矩陣和未加權(quán)超矩陣的構(gòu)造利用SD軟件來完成，在此基礎(chǔ)上排列決策方案的綜合優(yōu)勢度。

表3 經(jīng)濟可行性與施工技術(shù)先進性判斷矩陣

將深基坑支護方案按照SD軟件輸出結(jié)果進行排序，即方案一、二、三的綜合評分為0.367 08、0.487 61、0.148 23。結(jié)合深基坑支護方案的決策流程可知，在施工可行性與安全可靠性方面方案二達到最優(yōu)，而在環(huán)境影響與造價經(jīng)濟性方面方案一達到最優(yōu)，故不能直接、主觀的單從定性角度判定最優(yōu)方案為方案二。該條件下，要對各因素與決策方案之間的關(guān)系以及因素層之間的橫向關(guān)系重點研究，利用ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型比較兩兩因素之間的相互關(guān)系，通過對各方案及因素加權(quán)權(quán)重的計算構(gòu)造極限超矩陣和加權(quán)超矩陣，由此科學(xué)合理的確定最優(yōu)方案。

從定量與定性兩個角度考慮深基坑支護方案的決策，依據(jù)初步分析中的定性評判可以驗證ANP的定量分析結(jié)果，從而保證方案決策的科學(xué)合理性[6]。

3 結(jié)語

本文利用充分考慮因素間橫向關(guān)系、因素層與目標(biāo)層縱向關(guān)系的ANP網(wǎng)絡(luò)分析模型，并借助超級運算SD軟件構(gòu)造方案決策的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了各個方案的優(yōu)劣排序和綜合優(yōu)勢度計算，保證了決策結(jié)果的科學(xué)合理性。由此表明，在優(yōu)選深基坑支護方案時網(wǎng)絡(luò)分析模型具有一定的實際應(yīng)用價值，保證排序結(jié)果的有效性、準(zhǔn)確性；此外，在同類工程管理決策和方案優(yōu)選中該方法也具有一定參考價值。