基于AHP-模糊綜合評價法的庫盆防滲型式選擇

引用格式：.基于AHP－模糊綜合評價法的庫盆防滲型式選擇[J].水利水電快報，2025，46（7）：55-61.

0 引言

隨著“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略的提出，抽水蓄能電站正在大量規(guī)劃與建設(shè)中[1-5]。抽水蓄能電站上水庫處于高位，通常無水源補給或補給不多，水量的滲漏損失即意味著電量損失[6]，并且滲漏還將影響周邊建筑物基礎(chǔ)、岸坡的安全[7]，因此庫盆防滲型式的選擇對保證電站安全運行、降低工程投資具有重要意義[8-9]

目前，國內(nèi)外已建抽水蓄能工程中，水庫防滲型式主要分為垂直防滲、表面防滲和綜合防滲[10-12]。李權(quán)[13]、楊金孟[14]等結(jié)合工程區(qū)地質(zhì)情況和預(yù)算投資初擬防滲比選方案，通過有限元數(shù)值模擬進行庫區(qū)滲流場的計算分析，最后給出相對合理的防滲方案。楊國華[15]、李興宇[16]、王碩[17]、許增光[18]、徐麗[19]等開展三維滲流數(shù)值計算，通過各個計算方案下的滲漏量、水力坡降及滲透穩(wěn)定性，分析防滲效果，并對庫盆防滲措施提出建議。在防滲型式選擇時考慮的因素較多，如地形、地質(zhì)條件、氣候、區(qū)域、材料、技術(shù)、運維、經(jīng)濟等，各因素之間的影響與條件相對模糊，不具有清晰、明確的關(guān)系，主觀性較大，使用模糊數(shù)學(xué)方法進行評價可以較好地解決這一類問題[20]

模糊綜合評價是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο筮M行總體評價[21-22]，該方法已應(yīng)用于地表水質(zhì)評價、電力系統(tǒng)評估、火災(zāi)風(fēng)險評價、水庫洪水評價、庫區(qū)水質(zhì)評價、水資源管理、生態(tài)風(fēng)險評估、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報、旱情等級評估等[21-28]多個領(lǐng)域之中，但是該方法單一評價結(jié)果的準(zhǔn)確性并不十分明確[23]。為了能夠快速、準(zhǔn)確、合理地選擇庫盆防滲型式，在模糊綜合評價法的基礎(chǔ)上引入層次分析法（AHP），該方法是指將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進行定性和定量分析的決策方法[29-32]，采用模糊綜合評級對其進行量化計算，最后通過指標(biāo)的模糊量化值以及指標(biāo)權(quán)重值最終進行決策目標(biāo)的綜合評價[25，27.33]。目前，該方法在其他領(lǐng)域運用較多，較少用于庫盆防滲型式比選。本文在系統(tǒng)分析影響抽水蓄能電站防滲方案選擇的基礎(chǔ)上，初步確定影響因子，通過層次分析法求出影響因子權(quán)重，再由模糊數(shù)學(xué)法建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)，并進行綜合評價。采用上述方法對甘肅某抽水蓄能電站進行分析，驗證該方法的可行性和有效性，并對確定的防滲方案進行三維滲流計算分析。

1抽水蓄能電站防滲型式選擇

1.1 影響因素

大部分抽水蓄能電站存在不同程度的庫盆滲漏問題，需要采用各種不同的防滲型式。在防滲型式選擇時通常要考慮以下幾個因素。

（1）區(qū)域及地質(zhì)特性。不同的地區(qū)地質(zhì)情況、水文、泥沙、氣候、材料均存在差異。上水庫庫址地質(zhì)條件好，基本可不做專門防滲處理；庫址地質(zhì)條件較差，則通常需要進行防滲處理。

（2）技術(shù)特性。目前，國內(nèi)較為成熟的防滲技術(shù)有鋼筋混凝土防滲、瀝青混凝土防滲和帷幕防滲，各種防滲型式與結(jié)構(gòu)之間的銜接最為關(guān)鍵。

（3）庫岸穩(wěn)定對防滲方案選擇的影響。抽水蓄能電站水庫水位的日變幅遠大于常規(guī)水電站，短時間內(nèi)水位大幅變動引起岸坡土體內(nèi)孔隙水壓力急劇變化，附加的滲透水壓力可能導(dǎo)致土質(zhì)邊坡失穩(wěn)。

（4）經(jīng)濟特性與防滲效果特性。防滲方案比選時，在保證達到防滲效果的前提下，盡可能做到經(jīng)濟合理。

1.2 防滲型式

根據(jù)施工工藝及防滲作用位置不同，庫盆防滲型式可分為垂直防滲、表面防滲和綜合防滲。垂直防滲主要為垂直防滲帷幕，施工工藝簡單，施工技術(shù)成熟，工期較短，但是投資較大、可靠性較差[。表面防滲適用于庫盆地質(zhì)條件較差的水庫，其主要型式包括鋼筋混凝土面板防滲、瀝青混凝土面板防滲、土工膜防滲和黏土鋪蓋防滲等[6]。瀝青混凝土面板有較強的適應(yīng)基礎(chǔ)變形能力，且適用于北方嚴(yán)寒地區(qū)，但是瀝青混凝土對所用的材料要求比較高，易出現(xiàn)高溫流態(tài)和低溫冷脆問題。鋼筋混凝土面板能適應(yīng)較陡的邊坡，有效減少庫盆開挖與大項填筑量。但鋼筋混凝土面板適應(yīng)溫度及地基變形能力較差，在庫底回填區(qū)域產(chǎn)生不均勻沉降裂縫。土工膜能較好適應(yīng)開挖回填區(qū)域的不均勻沉降，施工速度快，整體造價便宜，經(jīng)濟性顯著，但是目前國內(nèi)項目中土工膜僅運用于抽蓄工程水庫庫底、常規(guī)水電項目大壩表面及坡度較緩的庫岸。黏土鋪蓋防滲一般要求工程區(qū)域存在大量符合設(shè)計要求的黏土料，一般只適用于庫底防滲。綜合防滲就是將多種防滲型式進行組合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，使得工程防滲效果最優(yōu)化。

1.3 防滲型式應(yīng)用

目前，國內(nèi)抽水蓄能電站垂直防滲、全庫盆鋼筋混凝土面板防滲、全庫盆瀝青混凝土面板防滲、庫岸瀝青混凝土與庫底土工膜防滲等型式均多有運用，技術(shù)成熟（表1）。例如，美國拉丁頓抽水蓄能電站采用庫岸瀝青混凝土面板與庫底黏土鋪蓋相結(jié)合的全庫盆防滲方案，日本澤源、中國天荒坪等抽水蓄能電站采用全庫盆瀝青混凝土面板防滲方案，以及日本沖繩抽水蓄能電站采用全庫盆土工膜防滲方案。以上均是在傳統(tǒng)水庫防滲技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合技術(shù)進步不斷尋求創(chuàng)新突破的工程案例。

2防滲型式綜合評價指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 評價體系建立

根據(jù)前文對抽蓄防滲體系及防滲型式的分析，按照指標(biāo)體系分析理論，建立抽蓄庫盆防滲應(yīng)用綜合評價指標(biāo)體系的三級指標(biāo)，體系結(jié)構(gòu)如表2所示。

2.2 計算步驟

2.2.1 AHP計算過程

本文運用AHP來確定指標(biāo)的權(quán)重，具體流程和步驟如下。

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。

（2）建立判斷對比矩陣。兩兩進行同等標(biāo)準(zhǔn)下的比較，得到判斷矩陣 A 。

（3）計算判斷矩陣相對權(quán)重。本文采取幾何平均法（方根法）計算權(quán)重 （i，j=1，2，3，…，n） ：

（4）判斷矩陣的一致性。將 CR 作為判斷矩陣一致性的標(biāo)準(zhǔn)，若 CRlt;0.1 則表明矩陣符合要求，無需修改。 CR 的計算公式如式（3）～（4）所示。

λ_max 為判斷矩陣的最大特征值：

（5）權(quán)重的集成。將每位專家通過上述第（2）步驟得到的權(quán)重，組合構(gòu)建成權(quán)重矩陣（ i 為第 i 個指標(biāo)，j 為第 j 個專家）。

匯總得到專家權(quán)重向量 W_Z

將權(quán)重矩陣 W^′ 與專家權(quán)重 W_z 進行乘法運算，得到所有指標(biāo)的集成權(quán)重向量 W 。

2.2.2 模糊綜合評價方法

邀請多位評價人員按照評語集對指標(biāo)層評價，由此建立模糊關(guān)系矩陣：

將權(quán)重 W_i 與模糊矩陣 F_ij 進行模糊運算，得到行 向量 U_i 指標(biāo)層模糊評價結(jié)果，再根據(jù) U_i 得出準(zhǔn)則層模 糊評價結(jié)果 U

U_i=W_iF_ij=[u_i¹，u_i²，u_i³，…，u_iⁿ]

3 案例分析

3.1 工程概況

選取甘肅某在建抽水蓄能電站為例，上水庫現(xiàn)狀地表為草場，地形較破碎，該沖溝切割深度大，溝底寬20～5m （往下游逐漸變窄），出露基巖主要為奧陶系下統(tǒng)變質(zhì)砂巖，巖質(zhì)堅硬，巖層產(chǎn)狀 NW278^°～310^°NE ∠33^°～48^° 。強風(fēng)化層垂直厚度 7～15m ；弱風(fēng)化層垂直厚度 14～30m 。庫周東側(cè)山體較單薄，地下水位和相對不透水層埋深大，存在滲漏問題。上水庫海拔高程約為 2 510m ，極端最低氣溫按 -32°C 考慮。綜合考慮該電站采用全庫盆防滲型式。

3.2各級指標(biāo)權(quán)重系數(shù)確定

3.2.1二級指標(biāo)權(quán)重計算

首先，計算二級指標(biāo)的權(quán)重，請10位專家按照評分刻度對4個二級指標(biāo)進行打分，構(gòu)造判斷矩陣。然后，根據(jù)公式（1）＼～（5）進行計算。由于參與打分的專家數(shù)量和評價指標(biāo)較多，本文選取專家1對二級指標(biāo)打分。通過專家1對 B1～B4 的打分，得到判斷矩陣（表4）。

根據(jù)公式（2）～（4）得到計算結(jié)果，如表5所示。對其余10名專家的打分矩陣，重復(fù)上述操作，得到10名專家的二級指標(biāo)計算結(jié)果，匯總?cè)绫?。

根據(jù)公式（7）得到二級指標(biāo)的最終權(quán)重，如表7所示。

3.2.2三級指標(biāo)權(quán)重計算

三級指標(biāo)體共分為4組，需要分別計算每組內(nèi)的指標(biāo)相對權(quán)重，首先對 C1～C5 指標(biāo)進行計算，基于二級指標(biāo)權(quán)重計算的流程，得到 C1～C5 的10組集成權(quán)重矩陣和最終指標(biāo)權(quán)重表（表8＼～9）。

整理二級、三級指標(biāo)最終權(quán)重，得到評價指標(biāo)權(quán)重（表10）。

3.3 模糊綜合評價

根據(jù)上述方法計算得到各指標(biāo)的權(quán)重，依托甘肅某抽水蓄能電站，分別對擬采用的全庫盆瀝青混凝土面板防滲方案（P1）、全庫盆鋼筋混凝土面板防滲方案（P2）、全庫盆土工膜防滲方案（P3）中各指標(biāo)進行分析，并對3種防滲方案進行模糊綜合評判，評價因素為Cl～Cl7 ，評價集 優(yōu)良[ 100～90? ，良好 80），一般[80～70），較差[70～60）}。計算結(jié)果如表11所示。

綜上，計算得到某抽水蓄能電站項目最優(yōu)方案為全庫盆瀝青混凝土方案，與工程實際最終推薦選用的庫盆防滲型式一致。

4全庫盆瀝青混凝土面板防滲計算

4.1 模型建立

在綜合分析計算區(qū)域內(nèi)的地形、巖層、覆蓋層等特征的基礎(chǔ)上形成三維超單元網(wǎng)格，庫盆開挖后其三維超單元網(wǎng)格結(jié)點總數(shù)為4186個，超單元總數(shù)為3607個，加密細(xì)分后生成的有限元網(wǎng)格結(jié)點總數(shù)為53991個，單元總數(shù)為52471個。庫盆開挖后計算模型三維有限元網(wǎng)格如圖1所示。

4.2 滲流分析

天然狀況下上水庫滲流情況如圖2所示，庫區(qū)內(nèi)地下水位總體由上游側(cè)向下游側(cè)逐步下降，庫區(qū)地下水位埋深較大，溝底處埋深相對較小。

運行期上庫區(qū)地下水位等值線如圖3所示，可見各工況下上庫區(qū)滲流場分布規(guī)律明確。庫區(qū)內(nèi)地下水位總體由上游側(cè)向下游側(cè)逐步下降，庫區(qū)地下水位埋深較大，遠低于正常蓄水位。

在正常蓄水位時，庫區(qū)地下水滲流場與初始地下水滲流場相比均差別不大，這是因為全庫盆瀝青混凝土面板防滲效果顯著，庫內(nèi)滲漏量很小。

理想情況下，不計面板裂縫、止水失效以及缺陷滲漏等影響，正常蓄水位工況下上庫的總滲透流量為711.28m³/d ，其中，庫底瀝青混凝土面板滲透流量為522.56m³/d ，庫周瀝青混凝土面板滲透流量為188.72m³/d 。設(shè)計方案中，庫周及庫盆瀝青混凝土面板下部碎石排水墊層、排水廊道、大壩及壓坡體下排水帶等組成的排水系統(tǒng)較完善，排水能力滿足要求，滲漏水能及時排走。因此，庫周及庫底瀝青混凝土面板的抗浮安全性滿足要求。

5結(jié)論

（1）將AHP-模糊數(shù)學(xué)評價方法運用于抽水蓄能電站庫盆防滲型式比選，可客觀確定評價因子的權(quán)重，且算法簡捷、快速。本文以甘肅某抽水蓄能電站為例，用基于AHP的模糊數(shù)學(xué)評價方法分析防滲方案，得到最優(yōu)方案為全庫盆瀝青混凝土方案，與工程實際最終推薦選用的庫盆防滲型式一致。

（2）全庫盆瀝青混凝土面板防滲效果顯著，庫內(nèi)滲漏量很小。經(jīng)過三維滲流計算，得到正常蓄水位工況下上庫的總滲透流量為 711.28m³/d 。

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（編輯：李慧）

Selection of anti - seepage type of reservoir basin based on AHP - fuzzy comprehensive evaluation method

XIONG Shen （Shanghai Investigation，Designamp;ResearchInstitute Co.，Ltd.，Shanghai 2Oo335，China）

Abstract：Intheconstruction of pumped storage power station，quick andaccurate proposal ofa scientific andreasonable anti-seepage scheme is thekey for itssafeand stable operation.Based on thecurrent anti-seepage types in pumped storage power stationboth athomeandabroad，wesummarized the factors tobeconsidered in theselectionof basinanti - seepage schemes，theadvantages and disadvantagesof various anti-seepage typesand their conditions of aplication， and established an index system byusing the fuzy comprehensive evaluation method.The Analytic Hierarchy Process （AHP）method was introduced to analyze the schemes，and the optimal scheme was quantitativelydetermined.The 3D seepage calculation analysis was cariedout forthe scheme.Theresults showedthatthecomprehensive score of three anti - seepage schemes calculated by the AHP-based fuzzy comprehensive evaluation method for the pumped storage power stationinGansu Province was 87.66forthefullreservoirbasinasphaltconcrete panel scheme，82.75forthefull reservoir basin reinforced concrete panel scheme，and86.1 forthe ful reservoir basin geo-membrane scheme.The optimal scheme was the fullreservoir basin asphalt concrete scheme，which was consistent with the actual scheme.The AHPbasedfuzzy comprehensive evaluation method canovercome the disadvantage of subjective judgment of traditional fuzzy comprehensiveevaluation method that affected the factor weights andquickly obtained the optimal anti-seepage scheme，demonstrating reliability and practicality.

Key Words：anti -sepage form of reservoir basin; pumped storage power station；Analytic Hierarchy Process；fuzzy comprehensive evaluation；three -dimensional seepage calculation