基于層次分析法的長距離輸水工程管材適應(yīng)性評價

李 江，胡少偉，楊輝琴，楊金輝，陸 俊

（1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；3.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

1 研究背景

近年來，隨著長距離大口徑輸水工程的數(shù)量逐漸增多，規(guī)模逐漸增大，不同工程中的管材選擇問題也日益突出［1-2］。在大型長距離輸水工程中，管道投資成為工程投資的主要部分（約為50%～70%），主干管材的選擇對于投資、施工和維護(hù)影響重大［3-4］。管材的選擇受到工程實際的設(shè)計公壓、環(huán)境條件、地質(zhì)特征、運行條件及工程造價等多個條件的限制。如何客觀地根據(jù)工程規(guī)模、管材技術(shù)特性和使用條件等多方面全面合理地進(jìn)行長距離大口徑輸水工程管材經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比選，一直是設(shè)計人員及決策人面臨的技術(shù)難題。

目前，對長距離大口徑輸水工程主干管材經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價的研究已取得了一些進(jìn)展［5］，李江等［6］分析了供水系統(tǒng)管材中存在的主要問題，介紹了常用的管材及其主要特性，為工程人員合理的選取相應(yīng)的給水管材提供參考依據(jù)。令志強(qiáng)等［7］結(jié)合喀斯特山區(qū)地質(zhì)地貌，從管材從管道強(qiáng)度，耐腐蝕性、安全可靠性、地形的適應(yīng)性、施工方便，使用壽命等主要特征出發(fā)，利用價值工程分析法對管材進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)選。楊春雁［8］介紹了鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管等幾種目前國內(nèi)應(yīng)用廣泛的管材，對管材的選取、干管條數(shù)選擇、最優(yōu)管徑的確定等環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。陳洪松［9］分析了常用的鋼管、聚乙烯管、球墨鑄鐵管等村鎮(zhèn)供水工程輸水管材性能，對貴州喀斯特地區(qū)輸水管線的管材選擇提出了建議?，F(xiàn)有的輸水管線的管材評價多是針對管材性能進(jìn)行評價，對工程的適宜性評價較少，評價中常見的指標(biāo)權(quán)重確定方法都存在一定的局限性，指標(biāo)確權(quán)方法難以兼顧主觀意見和客觀數(shù)據(jù)，導(dǎo)致權(quán)重的確定難免不夠準(zhǔn)確可靠［10-11］。

本文構(gòu)建了長距離大口徑輸水工程主干管材適應(yīng)性評價指標(biāo)體系，結(jié)合層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，綜合考慮了指標(biāo)的重要性和互相影響程度，提出了基于AHP理論的管材適應(yīng)性評價參數(shù)體系，并將該模型應(yīng)用于新疆某大口徑長距離供水工程主干管材評價實例中，檢驗了該模型的實用性和有效性，評價結(jié)果可為工程設(shè)計決策提供參考。

2 基于層次分析法的管材適應(yīng)性評價方法

2.1 常用長距離輸水管材特點 目前國內(nèi)長距離大口徑輸水工程管材主要有鋼管、球墨鑄鐵管等金屬管材，玻璃鋼夾砂管、鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管等無機(jī)材料管道，聚乙烯管、硬聚氯乙烯管等有機(jī)材料管道和鋼塑復(fù)合材料管道，輸水管道產(chǎn)品實現(xiàn)了多樣化［12-14］。管材類型和特點如表1所示。

表1 常用管材類型和特點

2.2 基于層次分析法的管材適應(yīng)性評價方法簡介 層次分析法（AHP）將決策問題劃分為多個相互關(guān)聯(lián)的因素，并分層次歸類，使得分析過程更加嚴(yán)謹(jǐn)且條理清晰。該方法在優(yōu)化和評價結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)方面具有天然的優(yōu)勢。它能綜合考慮整個系統(tǒng)的影響因素，針對每一個影響指標(biāo)進(jìn)行分析評價，逐層研究，最后得到目標(biāo)值［15］。

層次分析法首先根據(jù)標(biāo)度表對同層診斷指標(biāo)的重要度進(jìn)行對比，構(gòu)成出整層指標(biāo)的判斷矩陣。然后對矩陣的一致性進(jìn)行檢驗。當(dāng)隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI＜0.1時，認(rèn)為層次單排序的一致性滿足要求，采用根植法得到診斷指標(biāo)的初始權(quán)重［16］。

管材適應(yīng)性評價問題是一個需要考慮多層次影響因素的復(fù)雜問題，內(nèi)在性質(zhì)和外部條件均對管材選擇有很大的影響。對管材選擇的合理性進(jìn)行判斷需要對其進(jìn)行管材適應(yīng)性評價。因此，建立基于AHP的管材適應(yīng)性評價模型，對長距離大口徑供水工程主干管材進(jìn)行評價。

主要步驟如下：

（1）建立管材適應(yīng)性評價指標(biāo)體系。大口徑長距離輸水管進(jìn)行比選時，具體采用某種管材不僅由其本身的性質(zhì)所決定，施工方式、周邊環(huán)境的影響也至關(guān)重要。依據(jù)管材選用原則和以往管材比選經(jīng)驗，影響因素大致可分為管材本身的物理性質(zhì)、對于施工環(huán)境的適應(yīng)程度、管道運行安全和經(jīng)濟(jì)性能4個方面。因此，我們建立的管材適應(yīng)性評價指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 管材適應(yīng)性評價指標(biāo)體系

（2）指標(biāo)評分。通過查閱各類管道規(guī)范，施工標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)資料，根據(jù)工程的的地質(zhì)條件，自然環(huán)境條件、施工條件等工程情況對比各種類型管道的特點，以行業(yè)評估規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，由專家分別對其各個指標(biāo)的適宜性進(jìn)行評分，得到適宜性評分矩陣R。

（3）評價指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)專家評價結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣，使用AHP計算得出各評價指標(biāo)的初始權(quán)重，并檢驗構(gòu)造的判斷矩陣是否滿足一致性比率要求。然后對判斷矩陣進(jìn)行規(guī)范化處理，根據(jù)計算最終得出各評價指標(biāo)的權(quán)重W。

（4）評價結(jié)果。得到綜合權(quán)重W和適宜性評分矩陣R后，如式（1）將綜合權(quán)重W與適宜性評分矩陣R利用加權(quán)平均型算子進(jìn)行合成，得到評價結(jié)果矩陣B。

我們可以用評價得分矩陣B表示管材的適應(yīng)性情況。

3 工程應(yīng)用實例

以新疆某供水工程項目為例，基于AHP管材適應(yīng)性評價指標(biāo)體系，對國內(nèi)幾種最常用的大口徑輸水管道的性能進(jìn)行了比選，對工程主干管材開展適應(yīng)性評價，決定出適合該工程使用的大口徑輸水管材。

3.1 工程背景 新疆某供水項目位于喀什地區(qū)北部，主要供水對象為喀什市、疏附縣、疏勒縣等地區(qū)城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)、生活用水。本工程等別為Ⅱ等大（2）型，設(shè)計規(guī)模：近期取水10555萬m3/a，干管設(shè)計流量為3.98 m3/s；遠(yuǎn)期取水15259萬m3/a，干管設(shè)計流量為5.73 m3/s。采用雙管重力流供水方案。新建干支管共26條，總長384.57 km，其中總干管25.61 km、干管200.26 km、支管158.71 km，設(shè)計干管管徑范圍為DN1600—DN600，支管管徑范圍為DN500—DN160，管道設(shè)計壓力等級最大管段為3.0 MPa。

管線段地層巖性以級配不良礫、級配不良砂、粉土質(zhì)砂、低液限粉土為主。工程大體分為兩種地層結(jié)構(gòu)，山前沖洪積平原區(qū)地層為砂礫石，地下水位很低；平原灌區(qū)地層巖性為低液限黏土和粉細(xì)砂，地下水埋深3.0～5.0 m，水位高處可達(dá)1.5～3.0 m，在管溝開挖深度內(nèi)可見。工程區(qū)季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深多為0.8 m。管線沿線地下水、地基土對混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)都具有不同程度的腐蝕性。

3.2 管材適應(yīng)性評價

（1）適應(yīng)性評價指標(biāo)體系。依據(jù)管材選用原則和以往工程主干管材的比選經(jīng)驗，建立長距離大口徑供水工程主干管材適應(yīng)性評價指標(biāo)體系。首先要滿足管道施工和運行安全的需要，提高管網(wǎng)安全性、延長使用壽命、提升輸送能力，避免管道事故發(fā)生。其次要根據(jù)地形情況，進(jìn)行充分的市場調(diào)查與經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，在保證質(zhì)量和工程安全的前提下，做到經(jīng)濟(jì)合理、施工方便。從施工、安全、經(jīng)濟(jì)、管材性質(zhì)等方面綜合分析后確定。

選擇管材時應(yīng)遵循以下原則：在管材性質(zhì)方面，考慮工程規(guī)模及重要性、管道口徑及要求承受的內(nèi)壓力和外荷載、防腐蝕性能。隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，管材生產(chǎn)工藝的環(huán)保程度和使用壽命也需要考慮。在經(jīng)濟(jì)性能方面，除了管道單價和管道的綜合造價外，也需要考慮管道管壁糙率、局部水頭損失因素，這對管道輸水效率有非常重要的影響。在施工方面，需要考慮管道能否滿足工程地質(zhì)、地形條件、現(xiàn)場條件能否滿足接口安裝、基礎(chǔ)和回填施工等要求。在安全運行方面，由于新疆地區(qū)氣候惡劣、屬于高嚴(yán)寒、高地震、多泥沙、復(fù)雜侵蝕的自然環(huán)境，在管道選擇時，必須考慮管道的防滲漏、防腐蝕、抗凍、抗地震、耐磨蝕能力，同時還需要考慮管道使用性能的安全及維修工程量大小和使用年限長短。綜上所述，建立的評價體系指標(biāo)包括管材本身的物理性質(zhì)、施工環(huán)境的適應(yīng)程度、管道運行安全和經(jīng)濟(jì)性能4個一級指標(biāo)和26個二級指標(biāo)，如圖1所示。

（2）指標(biāo)評分。本段工程屬于大流量、高壓、大口徑、腐蝕性環(huán)境工況，工程管線線路長，施工地形復(fù)雜，在運行過程中，工作壓力較大，最大使用壓力達(dá)到3.0 MPa，對管道的環(huán)境適應(yīng)性和內(nèi)壓承受能力要求較高，目前只有鋼管和球墨鑄鐵管可以滿足3.0 MPa；考慮到球墨鑄鐵管材質(zhì)為鑄鐵，其延展性不如鋼管。鋼管（SP）作為金屬管材，雖然施工焊接工作量大，防腐蝕問題嚴(yán)重，但其承受內(nèi)壓能力可達(dá)到數(shù)十兆帕，抗水錘能力也非常強(qiáng)。高密度聚乙烯管（HDPE）因其管徑與工作壓力不滿足設(shè)計要求，故不參與評分。通過成立專家小組評價其他6種管材對此工程適應(yīng)性，詳細(xì)分析各管材特點后，對其適宜性進(jìn)行專家打分，得到評價指標(biāo)的評分。6類管材指標(biāo)評分結(jié)果如表2所示。

表2 管材指標(biāo)評分結(jié)果

（3）評價指標(biāo)權(quán)重。由專家對管材的性能指標(biāo)根據(jù)1～9標(biāo)度法進(jìn)行打分，得到指標(biāo)體系的判斷矩陣，使用AHP計算得出各評價指標(biāo)的權(quán)重，對其進(jìn)行一致性判斷后，得到權(quán)重結(jié)果，如表3和表4所示。

表3 一致性檢驗結(jié)果

表4 適應(yīng)性評價指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知，在一級指標(biāo)中，管材性質(zhì)A1所占的權(quán)重系數(shù)最大，為0.505，排名第二的是運行安全A4，其權(quán)重為0.348，而經(jīng)濟(jì)性能A2和施工工藝A3所占的綜合權(quán)重系數(shù)較少，分別為0.047和0.1。在二級指標(biāo)中，外部荷載A13所占的綜合權(quán)重系數(shù)最大，為0.178，而運輸難易程度（效率）A23所占的綜合權(quán)重系數(shù)最小，僅占0.009。綜上所述，在管道適應(yīng)性評價指標(biāo)體系中，管材性質(zhì)和運行安全是影響管道選擇的關(guān)鍵影響因素。

（4）適應(yīng)性評價結(jié)果。將各評價指標(biāo)所賦予的具體分值進(jìn)行加權(quán)計算，得出最終評價結(jié)果。6種管材適應(yīng)性評價結(jié)果如表5所示。適應(yīng)性評價結(jié)果從大到小排列為：鋼管（SP）＞球墨鑄鐵管（DIP）＞預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）＞鋼筋纏繞鋼筒混凝土管（BCCP）＞玻璃鋼管（FRPM）＞PVC-UH。適宜采用鋼管作為本工程輸水管材。在進(jìn)行施工時，管道內(nèi)外均需做好防腐蝕措施，內(nèi)壁采用常溫型環(huán)氧涂料或者熱固性環(huán)氧樹脂，外壁采用涂塑或者3PE防腐層。

表5 管材指標(biāo)適應(yīng)性評價結(jié)果

4 結(jié)論

本研究引入層次分析法，建立了基于AHP的管材適應(yīng)性評價指標(biāo)體系，并利用該指標(biāo)體系對新疆某長距離輸水管道工程管材選擇進(jìn)行適應(yīng)性評價，計算了鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筒混凝土、PVC管等不同管材適應(yīng)性得分，得到了該工程主干管道管材最優(yōu)選取方案。研究結(jié)果表明：

（1）建立的評價指標(biāo)體系符合工程實際，體系層次劃分合理，充分考慮了各評價因素的重要程度，能全面的體現(xiàn)各評價因素在管材比選中的重要性。

（2）在該工程的管材適應(yīng)性評分結(jié)果中，鋼管得分最高，最適合作為本工程主干管道的輸水管材。該工程在運行過程中，工作壓力較大，最大使用壓力達(dá)到3.0 MPa，對管道的內(nèi)壓承受能力要求較高。鋼管（SP）作為金屬管材，機(jī)械性能好，其承受內(nèi)壓能力可達(dá)到數(shù)十兆帕，抗水錘能力非常強(qiáng)，滿足該工程的工壓要求。同時，該管線線路長，施工地形復(fù)雜，而鋼管對施工地形的要求較低，在各種地形復(fù)雜的環(huán)境中都可以進(jìn)行安裝施工，對環(huán)境適應(yīng)性好。因此，適宜采用鋼管作為本工程主干管道的輸水管材。在進(jìn)行施工時，管道內(nèi)外均需做好防腐蝕措施。

（3）管材適應(yīng)性評價中的各指標(biāo)數(shù)量眾多且各指標(biāo)互相聯(lián)系，難以進(jìn)行分析評價，而AHP法在優(yōu)化和評價結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)方面具有天然的優(yōu)勢。AHP能綜合考慮管材適應(yīng)性的影響因素，所需定量數(shù)據(jù)信息較少，簡潔實用，結(jié)果可靠，但比較依賴于專家主觀判斷，難以規(guī)避主觀判斷誤差。