馬灘水閘改擴(kuò)建工程地基建設(shè)的評(píng)估決策模型研究

陳錦橋

(廣州市水電建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 510600)

1 基于價(jià)值工程模型的多目標(biāo)層次模糊評(píng)價(jià)方法

1.1 價(jià)值工程理論

價(jià)值工程評(píng)估模型指為實(shí)現(xiàn)提高價(jià)值的目標(biāo)所進(jìn)行的一系列分析研究的活動(dòng)。價(jià)值工程中的“價(jià)值”是指作為某種產(chǎn)品(或作業(yè))所具有的功能與獲得該功能的全部費(fèi)用的比值，可用公式表示為：

V=F/C

(1)

式中：V為價(jià)值；F為功能，即對(duì)象所需要的功能；C為獲得功能的成本(全部費(fèi)用)，即對(duì)象在壽命周期內(nèi)所發(fā)生的一切費(fèi)用。

1.2 權(quán)重分配

利用層次分析法傳遞信息的方法將同層因素之間對(duì)上層某因素的重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)，構(gòu)成判斷矩陣，判斷矩陣又由各因素相對(duì)重要性的比值構(gòu)成，比較結(jié)果的量化分值可見(jiàn)表1。

表1 1-9標(biāo)度法表

1.3 評(píng)估評(píng)語(yǔ)的量化處理

1.3.1 引入評(píng)語(yǔ)評(píng)價(jià)變換矩陣

設(shè)評(píng)價(jià)因素集為U，本工程中U的內(nèi)容如下：

U={與河流、水文、地形、地質(zhì)條件的適應(yīng)情況，與水閘建設(shè)方案的適應(yīng)情況，實(shí)施條件是否具備，工期能否滿足要求，施工工藝復(fù)雜程度，施工強(qiáng)度要求，施工工藝及技術(shù)的成熟程度，固結(jié)穩(wěn)定性，沉降控制，地基承載力及水平側(cè)向力[1]，抗地震液化，周邊環(huán)境影響(如水質(zhì)、空氣、棄渣、噪音及振動(dòng)對(duì)周邊建筑及居民影響等)，施工期水情突變的應(yīng)對(duì)情況，不可預(yù)見(jiàn)地質(zhì)問(wèn)題的應(yīng)對(duì)情況，施工條件突變的應(yīng)對(duì)情況。

設(shè)決策集Z={-3,-2,-1,0,1,2,3}，由時(shí)間經(jīng)驗(yàn)或邏輯推理得到一個(gè)從U到Z的映射。將映射表的全體向量并列起來(lái)得到矩陣Ri稱為專家評(píng)語(yǔ)隸屬度變換矩陣，見(jiàn)表2。

表2 專家評(píng)語(yǔ)隸屬度變換矩陣

1.3.2 計(jì)算評(píng)語(yǔ)隸屬度G

對(duì)每一個(gè)Ui按照多目標(biāo)層次模型進(jìn)行綜合評(píng)判，將15個(gè)Ui對(duì)應(yīng)的重要程度子集設(shè)為Ai，按照表2專家評(píng)語(yǔ)隸屬度變換矩陣，計(jì)算評(píng)語(yǔ)隸屬度G和地基處理方案功能評(píng)價(jià)系數(shù)F：

G=A·R

(2)

F=GDT

(3)

式中：A為15個(gè)U對(duì)應(yīng)的重要程度(權(quán)重值)子集；R為評(píng)價(jià)矩陣；G為評(píng)語(yǔ)隸屬度；DT為(-3，-2，-1，0，1，2，3)。

對(duì)納入評(píng)價(jià)的各個(gè)方案依次進(jìn)行計(jì)算，得出各自的地基處理方案評(píng)價(jià)系數(shù)Fi。

1.4 價(jià)值系數(shù)的計(jì)算

(1)計(jì)算成本評(píng)價(jià)系數(shù)Ci：

(4)

(2)計(jì)算價(jià)值系數(shù)Vi：

(5)

依次計(jì)算各個(gè)地基處理方案的價(jià)值系數(shù)V，根據(jù)價(jià)值系數(shù)V的大小，得出最優(yōu)施工方案[2-4]。

2 案例分析

2.1 工程概況

馬灘水閘位于石馬河干流清溪鎮(zhèn)馬灘村，工程計(jì)劃對(duì)馬灘水閘進(jìn)行改擴(kuò)建，提高河道蓄污調(diào)節(jié)能力，改善水環(huán)境、水生態(tài)，保障東江取水水源安全。工程采用19孔×6 m的攔河閘方案，單孔凈寬12 m。水閘底板堰型采用開(kāi)敞式平底寬頂堰，采用底流消能。閘底板高程-1.5 m、閘頂高程8 m，內(nèi)設(shè)工作閘門和檢修閘門。閘上交通橋位于啟閉機(jī)室下游，總寬8 m。水閘上游設(shè)鋼筋混凝土防滲鋪蓋長(zhǎng)15 m，并設(shè)斜坡干砌石長(zhǎng)5 m與原河床相連，下游設(shè)消力池(中間6孔閘孔區(qū)消力池長(zhǎng)18.4 m、深1 m)。工程等別為Ⅱ等，規(guī)模為大(2)型，主要建筑物為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)，臨時(shí)建筑物為4級(jí)。工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇。

圖1 馬灘水閘閘址圖

2.2 地質(zhì)條件

(1)層：第四系人工填筑層，主要為橋閘漿砌石，巖性為褐黃色～棕黃色粉質(zhì)粘土，飽和，硬塑，弱透水。夾多層粉土、1 m～2m厚砂礫石層透鏡體厚度為2.8 m～7.7 m，由弱風(fēng)化花崗巖塊和砂漿組成[4-7]。

(2-1)層：第四系全新統(tǒng)陸相沖積層，黃土狀土、粉細(xì)砂分布于壩區(qū)二級(jí)階地前緣陡坎斜坡處，層頂高程-1.53 m～4.13 m，厚度1.3 m～5 m。根據(jù)工程類比經(jīng)驗(yàn)，承載力特征值的經(jīng)驗(yàn)值fr=120 kPa～140 kPa。

(2-2)層：第四系全新統(tǒng)陸相沖積層，褐黃色，飽和，稍密，透水性中等。根據(jù)工程類比經(jīng)驗(yàn)，承載力特征值的經(jīng)驗(yàn)值fk=180 kPa～210 kPa。

(3)層：第四系全新海相堆積層，呈透鏡體狀，厚2.5 m～3.5 m，淺黃色～褐黃色，飽和，軟塑，透水性較差，分布連續(xù)廣泛，層位較穩(wěn)定，層頂高程-2.43 m～-7.82 m，層厚為10.21 m～22.8 m。

(4-1)層：第四系海陸交互堆積層，主要由褐黃色夾灰白色粘土，土質(zhì)較均勻，粘性較好，見(jiàn)局部夾有砂層。根據(jù)孔隙比和液性指標(biāo)關(guān)系式查得承載力經(jīng)驗(yàn)值為fu=150 kPa～200 kPa。

(4-2)層：第四系海陸交互堆積層，磨圓度及分選性中，中粗砂充填，砂質(zhì)較純凈，局部夾粉細(xì)砂及粉質(zhì)粘土透鏡體。大部分級(jí)配不良，少量為級(jí)配良好砂，根據(jù)工程類比經(jīng)驗(yàn)，承載力特征值的經(jīng)驗(yàn)值fk=200 kPa～250 kPa。

2.3 施工方案的初步篩選

石馬河流域地區(qū)淤泥、淤泥質(zhì)地基的常用處理方法有預(yù)壓加固法、換填墊層法、振沖法、水泥土攪拌法、高壓噴射注漿法等。由于本工程閘址下部廣泛分布有淤泥、淤泥質(zhì)土層，層底埋深達(dá)8 m～12 m，因此，首先不考慮采用換填墊層法和振沖法。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓是預(yù)壓加固法的一種，是處理軟弱地基的一種較好的方法，根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗(yàn)，處理后的地基承載力可提高2.3～2.5倍左右，但加固時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要6個(gè)月?？紤]本工程建設(shè)的實(shí)際情況，攔河水閘圍堰工程、地基處理、基礎(chǔ)和閘體結(jié)構(gòu)等建設(shè)內(nèi)容需要在一個(gè)枯水期(9月～翌年5月)完成，故不適合本工程的軟土地基的處理，也不考慮[8]。

因此，經(jīng)過(guò)篩選，初步提出水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁和預(yù)制樁等3個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比。

3 馬灘水閘改擴(kuò)建工程地基建設(shè)的評(píng)估決策過(guò)程分析

3.1 計(jì)算水泥土攪拌樁的價(jià)值系數(shù)

3.1.1 轉(zhuǎn)換成水泥攪拌法的評(píng)語(yǔ)隸屬度的評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)專家評(píng)語(yǔ)隸屬度變換表和專家評(píng)價(jià)表，將4位專家對(duì)馬灘水閘地基處理采用水泥土攪拌樁方案的評(píng)語(yǔ)轉(zhuǎn)為評(píng)語(yǔ)隸屬度的評(píng)價(jià)矩陣。以專家1為例，將專家1評(píng)語(yǔ)轉(zhuǎn)換成：

R1=

0000.250.50.25000000.250.50.25000000.330.670000.250.50.250000.250.50.2500000.250.50.2500000000.330.670000.250.50.2500000.250.50.2500000.250.50.2500000.250.50.250000.250.50.25000000.250.50.2500000.250.50.2500000.250.50.250

(6)

3.1.2 計(jì)算水泥土攪拌樁的總體功能評(píng)價(jià)的評(píng)語(yǔ)隸屬度G

根據(jù)公式(2)和評(píng)價(jià)因素權(quán)重值子集A=(0.0857，0.0574，0.1056，0.0354，0.0572，0.053，0.1124，0.0824，0.009，0.0456，0.0782，0.0537，0.0534，0.0587，0.0542)，計(jì)算專家對(duì)馬灘水閘地基處理采用水泥土攪拌樁的總體功能評(píng)價(jià)的評(píng)語(yǔ)隸屬度G。以專家1為例，有：

G1=A·R1

=0.08570.05740.10560.03540.05720.0530.11240.08240.0090.04560.07820.05370.05340.05870.0542·0000.250.50.25000000.250.50.25000000.330.670000.250.50.250000.250.50.2500000.250.50.2500000000.330.670000.250.50.2500000.250.50.2500000.250.50.2500000.250.50.250000.250.50.25000000.250.50.2500000.250.50.2500000.250.50.250

=(0 0 0.0403 0.2185 0.3346 0.2453 0.1614)

(7)

重復(fù)上述過(guò)程，依次得到專家2、專家3、專家4的評(píng)語(yǔ)隸屬G2=(0，0.0576，0.1607，0.2700，0.3221，0.1897)，G3=(0，0.0089，0.1184，0.3129，0.3441，0.1782，0.0376)，G4=(0，0.01324，0.3824，0.3676，0.1176，0)。

3.1.3 計(jì)算水泥土攪拌樁的總體功能評(píng)價(jià)系數(shù)F

根據(jù)公式(3)，計(jì)算功能評(píng)價(jià)系數(shù)F：

F1=G1DT

=1.2512

(8)

重復(fù)上述過(guò)程，依次得到專家2、專家3、專家4對(duì)馬灘水閘采用水泥土攪拌樁的總體功能評(píng)價(jià)系數(shù)F2=1.4542，F(xiàn)3=0.9746，F(xiàn)4=0.5015。

3.1.4 計(jì)算水泥土攪拌法的價(jià)值系數(shù)V

根據(jù)初步估算，以馬灘水閘的一個(gè)閘段(26 m×18 m)為單位進(jìn)行計(jì)算，水泥土攪拌樁為79.1萬(wàn)元(總樁數(shù)12500 m)，高壓旋噴樁為142.54萬(wàn)元(總樁數(shù)2654 m)，預(yù)制樁為112萬(wàn)元(預(yù)制管樁1851 m，預(yù)制混凝土板樁1458 m)。

因此，水泥土攪拌法的成本評(píng)價(jià)系數(shù)C=79.1/(79.1+142.54+112)=0.237。則4位專家對(duì)馬灘水閘地基處理采用水泥土攪拌法的價(jià)值系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 馬灘水閘地基處理采用水泥土攪拌法的價(jià)值系數(shù)評(píng)價(jià)表

取四個(gè)專家的平均值：(5.1699+5.8077+2.7576+1.9165)/4=4.41，則馬灘水閘地基處理采用水泥土攪拌法的價(jià)值系數(shù)V水泥土攪樁為4.41。

3.2 計(jì)算高壓旋噴法的價(jià)值系數(shù)

參照水泥土攪拌樁價(jià)值系數(shù)的計(jì)算步驟，得到4個(gè)專家對(duì)馬灘水閘地基處理采用高壓旋噴樁的價(jià)值系數(shù)[9]，見(jiàn)表4。

表4 馬灘水閘地基處理采用高壓旋噴樁的價(jià)值系數(shù)評(píng)價(jià)表

取四個(gè)專家的平均值：(5.903+5.903+2.7108+1.2545)/4=3.9428，則馬灘水閘地基處理采用高壓旋噴法的價(jià)值系數(shù)V高壓旋噴為3.9428。

3.3 計(jì)算預(yù)制樁法的價(jià)值系數(shù)

參照水泥土攪拌法價(jià)值系數(shù)的計(jì)算步驟，得到4個(gè)專家對(duì)馬灘水閘地基處理采用預(yù)制樁的價(jià)值系數(shù)，見(jiàn)表5。

表5 馬灘水閘地基處理采用預(yù)制樁的價(jià)值系數(shù)評(píng)價(jià)表

取4個(gè)專家的平均值為(5.27146.1571+2.3617+2.274)/4=4.016，則馬灘水閘地基處理采用預(yù)制樁法的價(jià)值系數(shù)V預(yù)制樁為4.016。

3.4 對(duì)比分析，選擇優(yōu)選方案

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，馬灘水閘地基處理采用水泥土攪拌法的價(jià)值系數(shù)最大。根據(jù)評(píng)估模型，水泥土攪拌法優(yōu)于高壓旋噴法和預(yù)制樁法[10]。而實(shí)際上，建設(shè)方最后也是選擇水泥土攪拌法作為該工程的地基處理方案。同時(shí)，根據(jù)近幾年橋閘運(yùn)行管理單位的反映，橋閘整體情況較好。

4 結(jié)語(yǔ)

水閘地基處理是關(guān)系到水閘工程成敗的一項(xiàng)關(guān)鍵性工作。針對(duì)目前水閘改擴(kuò)建工程地基處理方案選擇時(shí)憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)決策，缺乏一定的系統(tǒng)性、科學(xué)性、可操作性這一現(xiàn)象，本文提出基于價(jià)值工程的多目標(biāo)層次模糊評(píng)價(jià)模型，為決策者在選擇不同地基處理方案時(shí)，提供了一種更加有效的輔助決策評(píng)估工具。