基于改進的層次法的防滲方案優化分析

李建芳,趙茜瑤,李琛亮,魏金帥

(1.河南豫西水利勘測設計咨詢有限公司,河南三門峽 472000;2.天津市水利勘測設計院,天津 300204;3.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098)

基于改進的層次法的防滲方案優化分析

李建芳1,趙茜瑤2,李琛亮3,魏金帥3

(1.河南豫西水利勘測設計咨詢有限公司,河南三門峽 472000;2.天津市水利勘測設計院,天津 300204;3.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098)

黃壁莊水庫副壩工程自投入運行以來,壩身及上游鋪蓋多次發生裂縫及踏坑;下游排水溝及減壓井多次發生冒沙和管涌現象。采用一種改進的層次分析法,從可靠性、耐久性、施工條件、運行管理、經濟因素及環境因素六個方面對河北省水利廳提出的四種防滲方案進行綜合評價。結果表明,壩頂組合垂直防滲方案為最優防滲方案。

黃壁莊水庫;副壩;改進的層次分析法;防滲方案;優化

1 工程概況

黃壁莊水庫位于河北省鹿泉市黃壁莊鎮附近的滹沱河干流上,距河北省省會石家莊市約30 km,是滹沱河中下游重要的、控制性的大(1)型水利樞紐工程,與上游28 km處的崗南水庫聯合控制流域面積23 400 km2。黃壁莊水庫副壩為水中填土及輾壓填筑的均質土壩,從0+027～7+071(中間包括電站重力壩136.5 m)全壩長6 907.3 m。副壩由馬鞍山南麓開始,向南經石津渠電站重力壩、古賢村后折向西南,至馬山村西。壩頂高程129.2 m,最大壩高19.2 m。壩頂設1.0 m高的漿砌石防浪墻,壩頂寬6 m,瀝青混凝土路面。壩體上游壩坡碾壓壩段平均坡度為 1∶3,水中填土段 1∶3 ～1∶4.5,干砌石護坡,下設反濾墊層。下游壩坡為 1∶2.75～1∶3.25,采用卵石護坡。副壩建筑在第四紀覆蓋層二級階地的前緣,壩基為25 m～60 m厚的土、砂、卵石層。壩前采用水平防滲,鋪蓋長400 m左右,厚1m～5 m。副壩是黃壁莊水庫現有建筑物中存在問題最多、最嚴重、危險性最大的一座建筑物。存在的主要問題主要有四個方面[1]:①壩體施工質量差,②壩頂裂縫發展嚴重,③覆蓋裂縫問題,④壩后存在的滲透破壞問題等。水庫副壩一旦失事,石家莊市將遭到滅頂之災,后果不堪設想。

針對副壩存在的問題,河北省水利廳勘測設計院提出四種綜合處理方案:壩頂組合垂直防滲方案、壩頂垂直防滲方案、壩腳垂直防滲方案和水平防滲方案。但此四種防滲方案的評價與選擇,常常是相互制約、相互矛盾的許多因素構成的復雜體系,如果用單一的指標(如可靠性)進行評價和選擇有失客觀[2]。本文運用改進的層次分析法[3-5](IAHP),從可靠性、耐久性、施工條件、運行管理、經濟因素和環境因素六個方面,將定性分析與定量計算相結合,通過建立層次結構模型,最終選擇最優防滲方案,準確、直觀地反應各影響因素之間的相互關系[6]。

2 改進的層次分析法評定副壩防滲方案

2.1 建立遞階層次結構

從可靠性、耐久性、施工條件、運用管理、經濟因素及環境影響六個大的方面,同時更加突出的考慮環境影響因素來分析采用壩頂組合垂直防滲方案的合理性及正確性。表1是河北省水利廳的各位專家結合黃壁莊水庫的具體情況,綜合各個方面的因素給定的副壩加固處理方案綜合比較表,由此建立最優防滲方案評審系統的遞階層次結構,如圖1所示。

圖1 施工影響因素層次結構圖

表1 副壩防滲方案綜合比較表

指標的詳細含義如下:

A1,可靠性:所采取的方案對壩基和壩體的防滲性好壞及能不能截斷滲流。

A2,耐久性:所采取方案材料的使用年限。

A3,施工條件:所采取方案的施工難易程度、工期長短及對水庫正常調度運用影響。

A4,運行管理:所采取方案今后的運行管理難易程度。

A5,經濟因素:所采取方案的一次性投資額及維修管理費用。

A6,環境影響:所采取方案對周圍環境的影響程度。

B1,施工難度:施工工藝的難易程度、工期長短等。

B2,項目多少:施工過程中項目的個數。

B3,管理難易度:施工完工后,管理部門的管理繁雜程度。

B4,壽命長短:所采取的工程措施的使用年限、使用期間有無更替現象等。B5,一次性投資:以億為考慮單位。B6,維修費:使用期間的維修費用。

2.2 建立三標度判斷矩陣

根據圖1的遞階層次結構,參考副壩防滲方案綜合比較表,自第一層至最底層逐層構造有關元素之間的兩兩比較判斷矩陣,亦即:對于上一層某元素而言,在其下一層次上所有與它關聯的元素中依次兩兩比較二者的重要關系,比較結果按“重要”“同等重要”“不重要”分別用“2”“1”“0”三種數值標度定量表示[7-8],由此得出的矩陣稱作三標度判斷矩陣,它表示了各元素之間相對于上一層某元素的重要關系。

(1)建立主指標層各元素A1～A6在總目標G前提下的判斷矩陣G-A。

判斷矩陣G-A如下:

具體做法是:先將矩陣左側的指標A1依次與矩陣上邊一排所列的指標A1～A6相對總目標G作兩兩比較,比較結果就用上述三標度數值表示,并填入矩陣第一行,接著相繼用左列指標A2…A6重復進行前述比較,以完成矩陣的第二行至第六行。

(2)用同樣的方法還需給出分層上各元素B1～B6相對于主指標層中相關元素下的三標度判斷矩陣:A3-B、A4-B、A5-B。

(3)把位于對象層的四個投標方案C1、C2、C3、C4 分別相 對A1、A2、B1、B2、B3、B4、B5、B6、A6九個指標下作類似的三標度比較判斷矩陣。

2.3 求出AHP間接判斷矩陣

(1)用下式計算指標A1～A6的排序指數

式中:aij是矩陣G-A中的元素值。例如:r1=1+0+0+0+0+1=2,照此算得ri的各值列在矩陣G-A的右側。

表2 基點比較元素相對重要程度標度數值

(2)用rmax表示最大排序指數,rmin表示最小排序指數,Amax表示rmax對應的那個指標,選取Amax與Amin作為基點比較元素,按表2定義的五標度數值給出這個基點的相對重要性程度dm,利用下面的變換公式求出反映各元素間相對重要性程度的AHP間接判斷矩陣的元素。

變換公式:

利用上式算得矩陣G-A的AHP間接判斷矩陣為:

用同樣的方法,算出各個三標度判斷矩陣的AHP間接矩陣。

2.4 由AHP間接判斷矩陣計算權重

計算AHP間接判斷矩陣,求出其最大特征值及其歸一化向量(即各層元素的權重)如下,一致性指標

其中:λmax為AHP間接判斷矩陣的最大特征值;n為間接判斷矩陣的維數。當一致性指標CI≤0.1時,認為間接判斷矩陣符合一致性要求。

2.5 防滲方案綜合評價

按照上文的方法求出主指標層對總指標G的權重(WA)j和分指標層(B層)對A層的權重(WB)iAj(i=1,2,…,6;j=3,4,5),還需計算出B層指標對總目標G的綜合權重(ZB)i,用下式計算:

計算結果列于表3的右側。

表3 計算B層元素對目標G的綜合權重

最后,用類似的方法計算位于C層的四個施工方案的綜合評價值(即C1、C2、C3、C4對總目標G的綜合權重),見表4。

表4 施工方案對目標G的綜合權重

于是最終的防滲方案的優先順序為C1＞C2＞C4＞C3,可見壩頂組合垂直防滲方案是最優防滲方案。

3 結 論

(1)這種改進的層次分析法(IAHP)在防滲方案比選的過程中使專家或決策者更加容易的作出比較判斷,提高了判斷矩陣的一致性。

(2)本文采用改進的層次分析法,從可靠性、耐久性、施工條件、運行管理、經濟因素和環境因素六個方面對黃壁莊水庫副壩四種防滲方案進行優化對比分析,最終優化選出壩頂組合垂直防滲方案為最終方案,結果符合實際情況。

[1]河北水利水電勘測設計研究院.黃壁莊水庫除險加固工程可行性研究報告[R].1997.

[2]白俊文,侍克斌.用改進的層次分析法(AHP)進行壩基防滲方案的優選[J].水利與建筑工程學報,2004,2(4):11-13.

[3]楊 敏.改進的層次分析法用于評定最優工程方案[J].系統工程理論與實踐,1992,(11):23-30.

[4]Thomas Lsaaty.The Analytical Hierarchy Process,Mograw-Hill,Newyork,1980.

[5]許樹伯.層次分析法原理及其應用[M].天津:天津大學出版社,1988.

[6]聶志龍,劉永強,方國華.層次分析法在爆破安全管理中的應用[J].爆破,2007,24(4):85-88.

[7]左 軍.層次分析法中判斷矩陣的間接給出法[J].系統工程,1988,(11):58-65.

[8]仲偉娟,魏長勇.大伙房水庫除險加固工程主溢洪道圍堰施工優化方案的研究[J],吉林水利,2006,(7):56-57.

Optimal Analyses of Anti-seepage Schemes Based on Improved Analytic Hierarchy Process

LI Jian-fang1,ZHAO Xi-yao2,LI Chen-liang3,WEI Jin-shuai3
(1.He'nan Yuxi Water Conservancy Survey-design and Consulting Co.,Ltd.,Sanmenxia,He'nan472000,China;2.Tianjin Investigation andDesign Institute of Water Conservancy,Tianjin300204,China;3.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China)

Since the secondary dam of Huangbizhuang Reservoir has been put into operation,the dam and upstream apron have happened cracks and tread-pit phenomena many times,and the sand boil and piping phenomena have occurred near the downstream drain and relief well.So four feasible anti-seepage schemes are proposed by Hebei Province Water Conservancy Department.Here,an improved AHP are adopted to comprehensively evaluate the schemes in aspects of reliability,durability,construction conditions,operation management,economic factors and environmental factors.The result shows that the crest-combined vertical anti-seepage scheme is an optimal anti-seepage scheme.

Huangbizhuang Reservoir;secondary dam;improved analytic hierarchy process(AHP);anti-seepage scheme;optimization

TV698.2+33

A

1672—1144(2012)05—0168—04

2012-04-15

2012-05-20

李建芳(1981—),女(漢族),山西省朔州市人,主要從事水工結構及水利建設項目管理工作。