基于AHP模型的水利水電工程深基坑支護方案優選研究

孫 穎

(遼寧省彰武縣水利事務服務中心，遼寧 彰武 123200)

深基坑支護的綜合性強且技術較為復雜，它是一項涉及巖土和結構工程的復雜問題，為減少安全事故提高工程質量有必要優選決策最佳方案。因此，工程技術人員越來越注重深基坑支護的優選決策研究。通過歸納總結現有的文獻資料發現，深基坑支護方案優選時比較注重因素層、目標層間的縱向關系，而考慮不同因素層間隱含關系的研究較少。由于不同因素間的依賴性較強，如安全性與經濟性間存在密切關聯，從而導致橫向因素層信息缺失的問題在所難免，并給權重計算以及目標層橫向關系帶來較大的不確定性，這在一定程度上降低了評價目標的精準度。因此，本文考慮因素間的反饋性與依賴性特征，擬選用網路分析法(ANP)實現復雜結構的系統決策，并借助SD軟件完成水電工程深基坑支護方案的優選。

1 優選方法

1.1 ANP原理

在ANP網絡結構中每個元素或元素集用網絡中的一個節點表示，不同元素之間均可存在相互作用關系，即每個元素都可能會受到系統中其他元素的支配或影響，其他因素也會受該元素的影響[1-3]。總體上，控制因素層與網絡元素層屬于構成典型ANP網絡結構的兩大層次，其中控制因素層中每個元素相互獨立，該層次通常包括系統的準則及其優選目標，構造加權超矩陣的權重計算法與AHP基本類似；網絡元素層的構成參數來源于受控制層，不同元素間存在的關系有：(1)若不同次準則下的兩元素間不存在相互作用關系，則僅比較次準則下該元素的重要程度，由此確定的權重即為直接優勢度；(2)若不同次準則下的兩元素之間存在相互作用關系，此時兩個元素在給定某一準則的情況下，比較確定的其影響第三個元素的程度即為間接優勢度，這也是AHP法與ANP的主要區別。

1.2 優選決策流程

步驟1：明確目標、準則。詳盡的描述決策問題，如待優選方案的子目標、準則、總目標及其參與者。深基坑支護方案的優選涉及范圍廣、覆蓋因素多，且不同因素對方案優選的貢獻具有較大的差異。通過總結分析國內外典型工程案例和相關技術理論，結合個人實踐經驗確定準則層包括施工、安全、經濟、環保4大因素。顯然，不同因素間具有明顯的反饋與依賴關系。考慮ANP網絡結構未確立此層次關系，按從下而上的次序先分析下一因素層，經反饋推演再確立準則層關系。

采用專家調查法和文獻資料法，以深基坑支護方案為基礎獨立展開各準則層的特征分析，借鑒王永剛、郭濤、朱彥鵬、黃志全、秦泗清、馮慶高、徐楊青等文獻資料，遵循系統層、獨立性、層次性、可行性和科學性等原則構建深基坑支護方案決策體系，如圖1。

圖1 方案優選決策指標體系

通過綜合比較專家調查法與文獻資料法討論子準則各因素間的關系，并注重分析其橫向相互關系。針對子準則層中的因素利用列表法統計分析，從而繪制相互關系表，如表1。該過程屬于一種改進的AHP層次分析，由于考慮子準則層的橫向關系能夠提高方案決策的精準度，減少決策過程中有效信息的丟失，故顯著影響著決策管理。

表1 各因素的相互關系表

考慮以下幾種情況深入分析以上關系：(1)子準則層中的因素與所對應的準則層間的相互作用關系；(2)不同因素隸屬于同一準則層的相互作用關系；(3)部分因素所攜帶的來自于自身的作用關系。例如，支護結構強度和變形要求(e13)受結構設計理論陷阱性和可行性(e11)的影響表示為Re13e11=1。

步驟2：構造網絡結構。結合深基坑支護方案設立的決策準則和目標，按照ANP原理構建相應的網絡結構。各決策方案的一級評價指標(準則)以及支護方案的決策目標組成控制層，而準則與目標的下屬元素組或元素組成網絡層，其相互作用關系利用箭頭表示。

步驟4：權重超矩陣的構造。考慮到僅僅標準化處理了這些超矩陣的子塊矩陣Wij，而并未歸一化處理超矩陣，因此不能直接確定各元素的優先權，也無法確定主準則權重。所以，仍需兩兩比較各個元素組，從而構造相應的權重超矩陣。通過歸一化處理元素組Cj的兩兩判斷矩陣aj可以獲取其特征向量(a1j，a2j，…，aNj)T，即：

根據以上運算法則，構造元素組在某一主準則下的控制層中的相互關系權重矩陣，其表達式為：

由此以來，運用乘積法處理無權重超矩陣與權重矩陣即可確定相應的權重超矩陣，其表達式為：

步驟6：綜合排序。根據各準則權重對每一控制準則的極限向量加總確定相對極限優先權的綜合排序，其中各決策方案權重的加總屬該過程的關鍵環節，通過優選排序各決策方案的權重值即可實現方案的決策。

2 實例應用

2.1 方案設計

阜新市某水電工程位于柳河干流上，水利樞紐以防洪排澇、農田灌溉為主，兼具水力發電、水產養殖和改善生態環境等功能，有利于減輕下游洪水災害損失及維護綠色廊道生態環境，對提升河流防洪能力和促進區域經濟發展發揮著重要作用。水電站建設過程中其基坑開挖存在以下特點：(1)基坑的邊長較長、深度較深，施工過程中具有明顯的空間效應；(2)為滿足度汛要求其時間效應明顯，施工周期長、土方量大且穿插樁基施工；(3)水力坡度及水位降深的控制要配合截流措施完成，此外應創設符合安全施工的干地作業環境；(4)為保證工程的順利實施需配合變形及水位觀測，故該工程屬于一類基坑[4，5]。通過勘察設計初步擬定了三個深基坑支護方案，具體如下：

方案一：旋噴止水帷幕+復合土釘墻，旋噴止水帷幕選用水灰比為0.46的水泥漿噴射液，成樁直徑和鉆孔間距均設計成0.8 m。

方案二：外嵌高壓旋噴樁止水帷幕+樁錨支護+土釘護坡，其中土釘的橫、豎向間距均為1.2m，土釘長7.0 m，面層厚80 mm，土釘墻高度5.0 m；加強筋和網片筋為雙向Φ14@1200、雙向Φ10@200，砼等級C20。

方案三：旋噴止水帷幕+一道錨桿+先開挖有限放坡排樁。采用長6.0 m、水平間距2.0 m的打入式土釘實行2.00 m放坡開挖2，噴射混凝土掛網片灌注樁經900 mm，間距1.6 m；設計樁身強度C25、樁長30 m，樁身配箍筋Φ14@200、配縱筋22Φ32；冠梁高0.5 m、寬1.0 m，配箍筋Φ10@200、配縱筋18Φ16，按照方案一設計旋噴止水帷幕。

2.2 初步分析

初步分析過程中擬選用專家評分法，從環境影響、建設工期、成本造價、安全可靠的角度定性分析3個支護方案，即邀請評審專家結合工程實際情況逐項對參評指標給予評分，從而確定各一級指標在3個方案中的評分，不設置權重且以10分為滿分。本文充分考慮評審專家的反饋意見以及各一級指標的評分值，經計算確定評分均值與比選結果如表2。

表2 初步評選情況

初步比選時各指標間具有一定的反饋關系和依賴特性，所以方案評分中無法直接確定各指標的權重，由此使得定性分析不能直接的優選出最佳方案。

2.3 深基坑支護方案優選

從定量的角度對深基坑支護方案利用ANP模型進行優選決策，并借助SD軟件完成相應的計算，其實現流程為：(1)運用SD軟件和ANP方法，結合深基坑支護實際情況構建ANP網路結構；(2)將元素間、元素組間的關系采用內外專家群體打分法逐一比較，并利用專家議評法與問卷調查法對優勢度打分，如以施工技術的先進性e31為準則評價經濟可行性C2元素之間的優勢度(如表3)，使用SD軟件輸出相應的打分值；(3)極限超矩陣、加權超矩陣和未加權超矩陣的構造利用SD軟件來完成，在此基礎上排列決策方案的綜合優勢度。

表3 經濟可行性與施工技術先進性判斷矩陣

將深基坑支護方案按照SD軟件輸出結果進行排序，即方案一、二、三的綜合評分為0.367 08、0.487 61、0.148 23。結合深基坑支護方案的決策流程可知，在施工可行性與安全可靠性方面方案二達到最優，而在環境影響與造價經濟性方面方案一達到最優，故不能直接、主觀的單從定性角度判定最優方案為方案二。該條件下，要對各因素與決策方案之間的關系以及因素層之間的橫向關系重點研究，利用ANP網絡結構模型比較兩兩因素之間的相互關系，通過對各方案及因素加權權重的計算構造極限超矩陣和加權超矩陣，由此科學合理的確定最優方案。

從定量與定性兩個角度考慮深基坑支護方案的決策，依據初步分析中的定性評判可以驗證ANP的定量分析結果，從而保證方案決策的科學合理性[6]。

3 結語

本文利用充分考慮因素間橫向關系、因素層與目標層縱向關系的ANP網絡分析模型，并借助超級運算SD軟件構造方案決策的網絡結構，實現了各個方案的優劣排序和綜合優勢度計算，保證了決策結果的科學合理性。由此表明，在優選深基坑支護方案時網絡分析模型具有一定的實際應用價值，保證排序結果的有效性、準確性；此外，在同類工程管理決策和方案優選中該方法也具有一定參考價值。