基于多目標(biāo)決策的病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固施工方案優(yōu)化研究

魏 曼

(樂(lè)陵市水利局,山東 樂(lè)陵 253600)

0 引 言

作為一種自然災(zāi)害,洪災(zāi)一旦發(fā)生,將對(duì)周邊的建筑和居民生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響,同時(shí)也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,因此水壩的安全加固受到廣泛關(guān)注。 隨著工程的運(yùn)行及環(huán)境條件變化的影響,部分水壩逐漸開(kāi)始老化、損壞,并且受洪澇災(zāi)害的影響,目前病險(xiǎn)水庫(kù)數(shù)量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)[1-2]。

針對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固問(wèn)題,許多學(xué)者不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),提出了治理方案[3]。 如汪在芹等[4]利用CW 化學(xué)灌漿成套新技術(shù)對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行加固,認(rèn)為該技術(shù)不僅能夠有效提升水庫(kù)大壩的安全性,還能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。 SU H等[5]提出了利用預(yù)應(yīng)力錨索的方式來(lái)提升水壩抗滑能力,并通過(guò)有限元分析,了解壩系的演變過(guò)程,同時(shí)驗(yàn)證了預(yù)應(yīng)力錨索的有效性。

上述文獻(xiàn)研究結(jié)果顯示,在加固方案制定中仍然存在指標(biāo)選取不全面的問(wèn)題。 多目標(biāo)決策作為當(dāng)前指標(biāo)選取中常用的方法,如何利用該方法來(lái)實(shí)現(xiàn)病險(xiǎn)水庫(kù)大壩的加固具有重要意義。因此,本文針對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固施工方案的優(yōu)化,引入多目標(biāo)決策來(lái)獲取更為全面和精準(zhǔn)的指標(biāo),以期為病險(xiǎn)水庫(kù)大壩治理提供理論依據(jù)。

1 病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固中的多目標(biāo)決策應(yīng)用

1.1 病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固方案決策指標(biāo)體系

多目標(biāo)決策是指多種決策方案產(chǎn)生矛盾后的重新選擇和排序過(guò)程,采用多目標(biāo)決策能夠有效解決多目標(biāo)之間存在的矛盾,同時(shí)能夠解決各目標(biāo)之間的不可公度性,因此被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[6-7]。 病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固方案的決策在大多情況下會(huì)存在矛盾性,因此需要采用多目標(biāo)決策來(lái)選擇決策指標(biāo),構(gòu)建決策指標(biāo)體系,以便提出病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固的優(yōu)化方案[8]。 在病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固方案的決策指標(biāo)體系構(gòu)建過(guò)程中,將經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和安全作為一級(jí)指標(biāo),通過(guò)查閱文獻(xiàn),其二級(jí)指標(biāo)篩選見(jiàn)圖1。

圖1 決策指標(biāo)體系

圖1 顯示,病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固方案決策指標(biāo)體系中的二級(jí)指標(biāo)包括2 個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、4 個(gè)技術(shù)指標(biāo)和3 個(gè)安全指標(biāo)。 其中,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可以通過(guò)成本和建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益來(lái)評(píng)價(jià);技術(shù)指標(biāo)可以通過(guò)施工難度、質(zhì)量把控、施工技術(shù)先進(jìn)性以及施工工期來(lái)評(píng)價(jià);安全指標(biāo)可以通過(guò)環(huán)境危害、防滲質(zhì)量以及施工安全來(lái)評(píng)價(jià)。 各指標(biāo)的重要性及其評(píng)價(jià)對(duì)象見(jiàn)表1。

表1 決策指標(biāo)重要性評(píng)價(jià)

表1 顯示,成本指標(biāo)是在大壩加固中的改擴(kuò)建資金投入,是影響加固方案決策初期的重要指標(biāo)。 建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益同樣是方案決策中的重要指標(biāo),經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果決定了大壩加固中的資金投入。 施工難度評(píng)價(jià)貫穿于整個(gè)施工進(jìn)程,施工難度評(píng)價(jià)是對(duì)工序之間的搭接、施工操作的難度評(píng)定,需要結(jié)合其他指標(biāo)來(lái)進(jìn)行決策。質(zhì)量把控指標(biāo)是一種風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),用以評(píng)價(jià)項(xiàng)目可控性,針對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)大壩的加固方案而言,質(zhì)量把控指標(biāo)是一個(gè)全工期決策指標(biāo)[9]。 施工技術(shù)先進(jìn)性指標(biāo)是對(duì)施工過(guò)程的技術(shù)評(píng)價(jià),即評(píng)價(jià)施工人員、機(jī)械的先進(jìn)性。 工期指標(biāo)的評(píng)價(jià)是對(duì)整個(gè)施工方案的進(jìn)展和節(jié)奏把控,并在評(píng)價(jià)中考慮施工中的天氣變化導(dǎo)致的工期延誤。 環(huán)境危害指標(biāo)是評(píng)價(jià)大壩加固過(guò)程中所產(chǎn)生的廢料等對(duì)環(huán)境的破壞性,環(huán)境問(wèn)題作是人類(lèi)長(zhǎng)久發(fā)展所關(guān)注的問(wèn)題,將其作為大壩加固中的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)具有重要意義[10]。 防滲質(zhì)量指標(biāo)是大壩加固中的最重要指標(biāo),病險(xiǎn)水庫(kù)本身存在不牢固的情況,大壩加固方案是提升其整體質(zhì)量的關(guān)鍵方案。 施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)是對(duì)施工中的人員、機(jī)械使用安全進(jìn)行評(píng)估,是確保病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

1.2 病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固方案多目標(biāo)決策模型

病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固方案目標(biāo)決策中的重要環(huán)節(jié)是對(duì)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重確定,以此來(lái)確定下層指標(biāo)在上層指標(biāo)中的重要程度。 為了更客觀地對(duì)大壩加固決策指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦予,引入組合賦權(quán)法來(lái)進(jìn)行權(quán)重確定。 傳統(tǒng)的組合賦權(quán)法難以兼顧主觀和客觀的一致性,因此研究中以層次分析法(Analytic hierarchy process, AHP)和熵權(quán)法(Entropy method, EM)來(lái)確保決策結(jié)果的主觀性和客觀性結(jié)果偏差最小,提出AHP-EM 優(yōu)化組合賦權(quán)法。 首先計(jì)算提出方案中所有指標(biāo)的組合權(quán)重,公式如下：

式中：w為指標(biāo)權(quán)重;T為轉(zhuǎn)置。

采用組合賦權(quán)法,對(duì)單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦予,在某一種賦權(quán)法下的指標(biāo)權(quán)重向量表示如下：

式中：μk為在第k種賦權(quán)方法下的指標(biāo)權(quán)重;s為方案數(shù)量。

此外,在當(dāng)前狀態(tài)下引入偏差函數(shù),減少主客觀賦權(quán)下的偏差,公式如下：

式中：f(μk)為偏差函數(shù);μki為第i個(gè)指標(biāo)在第k種方案下的權(quán)重。

建立線性組合權(quán)重最優(yōu)化模型,公式如下：

式中：αk為組合權(quán)重。

令組合權(quán)重的組合系數(shù)α=(α1,α2)T,得到計(jì)算病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固方案指標(biāo)組合權(quán)重的聯(lián)合方程,公式如下：

式中：λ為隨機(jī)參數(shù);μ1i為第1 種賦權(quán)方法下的第i指標(biāo)的權(quán)重;μ2i為第2 種賦權(quán)方法下的第i指標(biāo)的權(quán)重。

依據(jù)研究提出的指標(biāo)選擇和指標(biāo)權(quán)重賦予方法,構(gòu)建病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固方案的選擇和優(yōu)化流程,見(jiàn)圖2。

圖2 病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固方案優(yōu)化流程

圖2 顯示,首先針對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)大壩情況,采用文獻(xiàn)查找法,查詢(xún)針對(duì)性的加固方案,并總結(jié)當(dāng)前研究中的大壩加固方案;其次選擇加固方案決策中的決策指標(biāo),并分析各決策指標(biāo)對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固的干預(yù)對(duì)象和重要性程度;然后引入組合賦權(quán)法,為了減少主觀和客觀偏差過(guò)大帶來(lái)的權(quán)重偏差,同時(shí)引入層次分析法和熵權(quán)法;最后對(duì)組合賦權(quán)法進(jìn)行處理,構(gòu)建病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固方案指標(biāo)組合權(quán)重的聯(lián)合方程,并利用該方程對(duì)各方案中的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦予。

2 最優(yōu)加固方案選擇及方案應(yīng)用測(cè)試

以某水庫(kù)為研究對(duì)象,該水庫(kù)于上世紀(jì)70年代修建,主要以灌溉為主,同時(shí)具備防洪和養(yǎng)殖等綜合功能,其承雨面積55km2,大壩最高處43.0m。 在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行中,大壩壩體存在滲漏問(wèn)題,同時(shí)存在壩基滲漏病害。 根據(jù)當(dāng)前大壩情況,專(zhuān)家初步擬定4 種加固方案,利用研究提出的AHP-EM 組合賦權(quán)法多目標(biāo)決策方法,對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行多目標(biāo)決策,以期找出最優(yōu)加固方案,見(jiàn)表2。

表2 不同加固方案評(píng)價(jià)

表2 顯示,在方案評(píng)價(jià)中,方案4 的防滲質(zhì)量指標(biāo)分?jǐn)?shù)略低于方案3,但方案4 的其余指標(biāo)評(píng)分均高于方案3;方案1 與方案2 的成本指標(biāo)均低于90 萬(wàn)元,但方案2 的建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到40 萬(wàn)元的凈年值,而且方案2 的工期較短,其余指標(biāo)的評(píng)分整體高于其他方案。 因此,研究中認(rèn)為采用方案2 更為有益。

同時(shí),將方案2 應(yīng)用于病險(xiǎn)水庫(kù)大壩的加固仿真模擬中,評(píng)價(jià)施工前后方案2 與其他方案之間的差異,見(jiàn)圖3。

圖3 不同方案的加固仿真結(jié)果

圖3 顯示,選擇該大壩的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)可以發(fā)現(xiàn),在方案實(shí)施前,不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力均隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),并最終提升至910Pa 以上。 經(jīng)過(guò)不同方案的加固干預(yù),在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 處,所有方案均能有效降低大壩孔隙的水壓力,其中方案2 加固仿真模擬下的孔隙水壓力最小,最大值僅為901.3Pa,明顯低于加固前的大壩孔隙水壓力,同時(shí)低于其他方案下的孔隙水壓力。

最后,評(píng)價(jià)方案2 在研究所選取的病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固中的應(yīng)用效果,見(jiàn)圖4。

圖4 方案2 下的垂直位移量變化

圖4 為大壩7 個(gè)不同連續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直位移情況。 由圖4 可以看出,在方案實(shí)施前,該大壩的最大垂直位移量出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)6 處,該處位移量達(dá)到0.110m。 采用方案2 對(duì)該大壩進(jìn)行加固后,在方案2 的影響下,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直位移量值均得到顯著減少,其中在監(jiān)測(cè)點(diǎn)6 處的垂直位移量值降低至0.026m。 以上結(jié)果表明,針對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)大壩的加固,采用壩體劈裂灌漿和壩基帷幕灌漿能有效減少大壩的垂直位移量。

3 結(jié) 論

為了對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)大壩進(jìn)行加固處理,本文提出了一種多目標(biāo)決策方法,以此確定多方案中的最優(yōu)方案。 基于AHP-EM 組合賦權(quán)的多目標(biāo)決策,構(gòu)建病險(xiǎn)水庫(kù)大壩加固方案決策指標(biāo)體系,引入AHP-EM 組合賦權(quán)來(lái)確定不同指標(biāo)的權(quán)重,最終通過(guò)仿真模擬,驗(yàn)證了其有效性。 結(jié)果顯示,研究提出的多目標(biāo)決策能夠快速確定多方案中的最優(yōu)方案,在比較方案之間的加固仿真中,多目標(biāo)決策選擇的最優(yōu)方案下的大壩孔隙壓力得到顯著降低,最大值僅為901.3Pa。 在研究選取方案的實(shí)際應(yīng)用中,大壩的垂直位移量得到顯著降低,最大處從0.110m 降低至0.026m。 以上結(jié)果表明,采用多目標(biāo)決策能夠有效選取病險(xiǎn)水庫(kù)大壩進(jìn)行加固的最優(yōu)方案,并且該最優(yōu)方案能夠顯著提升大壩加固效果,對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)的長(zhǎng)期治理具有重要意義。