基于模糊綜合評(píng)價(jià)分析的灌區(qū)渠道結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化設(shè)計(jì)

周富強(qiáng)

(新疆瑞昶設(shè)計(jì)院有限公司，烏魯木齊 830000)

1 灌區(qū)概況

麻扎灌區(qū)位于伊寧縣麻扎鄉(xiāng)、青年農(nóng)場(chǎng)、維吾爾玉其溫鄉(xiāng)等境內(nèi)，灌溉水源為博爾博松河，P=75%保證率下可供水量為3 526.85×104m3，灌區(qū)有效灌溉面積為0.347×104hm2。灌區(qū)干渠主要修建于20世紀(jì)50年代，干渠全長(zhǎng)40 km，工程建設(shè)之初為土渠，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，經(jīng)常發(fā)生滑坡和坍塌，滲漏十分嚴(yán)重，水資源利用率低下。20世紀(jì)90年代，對(duì)泄洪建筑物及其部分渠道進(jìn)行過(guò)維修改造，但經(jīng)過(guò)40多年運(yùn)行，渠道兩岸淘刷、坍塌、凍脹破壞已經(jīng)十分嚴(yán)重，渠道多數(shù)地段已不能正常運(yùn)行，對(duì)灌區(qū)進(jìn)行全面改造迫在眉睫。

本次改造干渠總長(zhǎng)度為13.8 km，支渠總長(zhǎng)度31.388 km，配套渠系建筑物77座，其中農(nóng)橋8座，節(jié)制分水閘32座，渡槽3座，過(guò)洪建筑物34座。為選擇最佳的渠道結(jié)構(gòu)型式，對(duì)不同斷面型式的支渠渠道進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，以期為工程實(shí)踐提供理論支撐。

2 渠道結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)分析

2.1 結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)

支渠渠道結(jié)構(gòu)型式共設(shè)計(jì)3種，分別為梯形斷面渠道、矩形斷面渠道和U形斷面渠道[1-4]。渠道渠底比降均為0.000 5，糙率均為0.015。梯形斷面渠道底寬0.3 m，渠深0.4 m，邊坡系數(shù)1.14；矩形斷面渠道底寬0.33 m，渠深0.4 m；U形斷面渠道半徑為0.15 m，渠深0.4 m。襯砌混凝土強(qiáng)度為C25，抗凍等級(jí)為F200，防滲等級(jí)為W6。3種渠道斷面結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 渠道斷面結(jié)構(gòu)型式

2.2 工程造價(jià)分析

按每公里的工程量和造價(jià)進(jìn)行分析，分別計(jì)算3種渠道斷面下的土方開(kāi)挖及外運(yùn)量、粗砂墊層量、C25混凝土量、鋼筋工程量、模板工程量、伸縮縫工程量等，并通過(guò)每種工程量的單價(jià)計(jì)算工程總造價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以看到，在3種渠道斷面型式中，矩形渠道的總造價(jià)最高，其次為U形渠道，造價(jià)最低的為梯形渠道。

表1 3種斷面渠道造價(jià)分析

2.3 施工進(jìn)度分析

采用橫道圖法對(duì)3種渠道型式下每公里施工時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2中可知，梯形渠道由于斷面構(gòu)造較為復(fù)雜，因此每公里施工周期需要332.3 h；矩形渠道每公里施工周期為102.5 h；U形渠道每公里施工周期為63.2 h。從施工進(jìn)度上來(lái)講，U形>矩形>梯形。

圖2 每公里施工進(jìn)度分析結(jié)果

2.4 抗凍脹分析

灌區(qū)渠基土大多為低液限黏土，根據(jù)《水工建筑物抗凍張?jiān)O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50662-2011)中相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定，對(duì)3種結(jié)構(gòu)型式下渠道的凍脹量進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3中可知，3種斷面型式下，矩形斷面渠道的凍脹量最大，坡面和底面的凍脹量分別為4.79和4.61 cm；其次為梯形斷面渠道的凍脹量，坡面和底面凍脹量分別為4.18和4.14 cm；U形渠道的凍脹量最小，坡面和底面凍脹量分別為4.06和4.08 cm。3種斷面渠道相比，U形渠道的抗凍性能最好，矩形渠道的抗凍性最差。

圖3 不同斷面型式凍脹量分析

3 渠道結(jié)構(gòu)型式優(yōu)選

3.1 模糊綜合評(píng)價(jià)過(guò)程

模糊綜合評(píng)價(jià)法(Fuzzy Comprehensive Evaluation，簡(jiǎn)稱(chēng)FCE)是一種應(yīng)用于評(píng)價(jià)因素具有復(fù)雜性、評(píng)價(jià)對(duì)象層次性、偏激標(biāo)準(zhǔn)中存在模糊性或者評(píng)價(jià)影響因素存在模糊不確定、難以定量化表達(dá)的問(wèn)題評(píng)價(jià)中[5-8]。模糊綜合評(píng)價(jià)法的一般步驟為：①確定評(píng)價(jià)因素集A；②確定進(jìn)行評(píng)價(jià)的對(duì)象集B；③通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)求解建立隸屬度矩陣C；④利用層次分析法確定權(quán)重值D；⑤根據(jù)評(píng)估矩陣和權(quán)重值結(jié)果，計(jì)算得到結(jié)果向量E=D*C；⑥根據(jù)結(jié)果向量E對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文評(píng)價(jià)對(duì)象為梯形斷面渠道、矩形斷面渠道和U形斷面渠道，在選擇最佳渠道結(jié)構(gòu)型式時(shí)，需要對(duì)防滲效果、使用壽命長(zhǎng)短、工程投資、抗凍脹性、管理維護(hù)、施工進(jìn)度、水流條件等進(jìn)行綜合考慮。由于在設(shè)計(jì)時(shí)3種斷面結(jié)構(gòu)型式均采用相同標(biāo)號(hào)混凝土作為襯砌材料，因此在防滲效果、使用壽命、管理維護(hù)等因素上的差別是十分微小的，對(duì)于模糊綜合評(píng)價(jià)的影響可以忽略不計(jì)，故最終確定將工程投資、施工進(jìn)度以及抗凍性3個(gè)因素作為評(píng)價(jià)因素集A=[投資，施工進(jìn)度，抗凍性]。由于工程投資是定量的，故以上文分析得到的工程投資額作為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值，然后再對(duì)施工進(jìn)度和凍脹量進(jìn)行模糊打分，打分?jǐn)?shù)值0～1。數(shù)值越大，表明施工進(jìn)度越慢，抗凍性越差，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各個(gè)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值

將3種渠道結(jié)構(gòu)型式中造價(jià)最低、施工進(jìn)度最好以及抗凍性最好的指標(biāo)數(shù)值組成最優(yōu)指標(biāo)集，并將其代入3種渠道結(jié)構(gòu)型式的評(píng)價(jià)矩陣中形成隸屬度矩陣C，對(duì)隸屬度矩陣C進(jìn)行歸一化處理，再根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)求得隸屬度矩陣C為：

(1)

將其中一個(gè)評(píng)價(jià)因素作為基準(zhǔn)，列出其他因素相對(duì)于該因素的重要程度的比例標(biāo)度，在確定3種因素的比例標(biāo)度時(shí)，分別根據(jù)相同重要、稍微重要、明顯重要、強(qiáng)烈重要、絕對(duì)重要這5種重要程度進(jìn)行取值，取值分別為1,3,5,7,9，從而計(jì)算得到不同權(quán)重值排列方式(a3>a2>a1,a3>a1>a2,a1>a2>a3,a1>a3>a2,a2>a1>a3,a2>a3>a1)下的權(quán)重值：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

將每種重要程度在不同排列方式下的結(jié)果向量E匯總，見(jiàn)表3。從表3中可知，對(duì)于麻扎灌區(qū)，最好的渠道結(jié)構(gòu)型式為U形渠道，U形渠道結(jié)構(gòu)在不同工況下的結(jié)果向量E均是最大的；除了U形渠道結(jié)構(gòu)型式，當(dāng)考慮抗凍性?xún)?yōu)先時(shí)，梯形渠道結(jié)構(gòu)型式要好于矩形渠道結(jié)構(gòu)型式；當(dāng)考慮施工進(jìn)度優(yōu)先時(shí)，矩形渠道結(jié)構(gòu)型式要好于梯形渠道結(jié)構(gòu)型式；當(dāng)考慮工程投資優(yōu)先、其次考慮抗凍脹性時(shí)，梯形渠道結(jié)構(gòu)型式要好于矩形渠道結(jié)構(gòu)型式；當(dāng)優(yōu)先考慮工程投資、其次考慮施工進(jìn)度時(shí)，矩形渠道結(jié)構(gòu)型式要好于梯形渠道結(jié)構(gòu)型式。

表2 結(jié)果向量E匯總表

4 結(jié) 語(yǔ)

以麻扎灌區(qū)農(nóng)田灌溉渠道改造工程為例，設(shè)計(jì)了梯形、矩形和U形3種斷面結(jié)構(gòu)型式的渠道，對(duì)3種渠道進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)論如下：

1)在3種渠道結(jié)構(gòu)型式中，工程投資從大到小依次為：矩形>U形>梯形；每公里施工時(shí)間從大到小依次為：梯形>矩形>U形；U形渠道的抗凍性能最好，矩形渠道的抗凍性最差。

2)基于模糊評(píng)價(jià)分析法，將工程投資、施工進(jìn)度、抗凍脹性作為評(píng)價(jià)因素，再分別利用層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)法計(jì)算評(píng)價(jià)因素權(quán)重和判斷矩陣，通過(guò)權(quán)重和判斷矩陣得出結(jié)構(gòu)向量，結(jié)果表明最優(yōu)的渠道結(jié)構(gòu)型式為U形渠道。

3)除了U形渠道，當(dāng)優(yōu)先考慮抗凍脹性或者優(yōu)先考慮工程投資、其次考慮抗凍脹性時(shí)，應(yīng)選擇梯形結(jié)構(gòu)型式；當(dāng)優(yōu)先考慮施工進(jìn)度或者優(yōu)先考慮工程投資、其次考慮施工進(jìn)度時(shí)，應(yīng)選擇矩形渠道。