基于多目標決策的病險水庫大壩加固施工方案優化研究

魏 曼

(樂陵市水利局,山東 樂陵 253600)

0 引 言

作為一種自然災害,洪災一旦發生,將對周邊的建筑和居民生產生活造成嚴重影響,同時也會造成巨大的經濟損失,因此水壩的安全加固受到廣泛關注。 隨著工程的運行及環境條件變化的影響,部分水壩逐漸開始老化、損壞,并且受洪澇災害的影響,目前病險水庫數量呈現逐年增加的趨勢[1-2]。

針對病險水庫大壩加固問題,許多學者不斷總結經驗,提出了治理方案[3]。 如汪在芹等[4]利用CW 化學灌漿成套新技術對水庫大壩進行加固,認為該技術不僅能夠有效提升水庫大壩的安全性,還能夠產生巨大的經濟和生態效益。 SU H等[5]提出了利用預應力錨索的方式來提升水壩抗滑能力,并通過有限元分析,了解壩系的演變過程,同時驗證了預應力錨索的有效性。

上述文獻研究結果顯示,在加固方案制定中仍然存在指標選取不全面的問題。 多目標決策作為當前指標選取中常用的方法,如何利用該方法來實現病險水庫大壩的加固具有重要意義。因此,本文針對病險水庫大壩加固施工方案的優化,引入多目標決策來獲取更為全面和精準的指標,以期為病險水庫大壩治理提供理論依據。

1 病險水庫大壩加固中的多目標決策應用

1.1 病險水庫大壩加固方案決策指標體系

多目標決策是指多種決策方案產生矛盾后的重新選擇和排序過程,采用多目標決策能夠有效解決多目標之間存在的矛盾,同時能夠解決各目標之間的不可公度性,因此被應用于多個領域[6-7]。 病險水庫大壩加固方案的決策在大多情況下會存在矛盾性,因此需要采用多目標決策來選擇決策指標,構建決策指標體系,以便提出病險水庫大壩加固的優化方案[8]。 在病險水庫大壩加固方案的決策指標體系構建過程中,將經濟、技術和安全作為一級指標,通過查閱文獻,其二級指標篩選見圖1。

圖1 決策指標體系

圖1 顯示,病險水庫大壩加固方案決策指標體系中的二級指標包括2 個經濟指標、4 個技術指標和3 個安全指標。 其中,經濟指標可以通過成本和建設經濟效益來評價;技術指標可以通過施工難度、質量把控、施工技術先進性以及施工工期來評價;安全指標可以通過環境危害、防滲質量以及施工安全來評價。 各指標的重要性及其評價對象見表1。

表1 決策指標重要性評價

表1 顯示,成本指標是在大壩加固中的改擴建資金投入,是影響加固方案決策初期的重要指標。 建設經濟效益同樣是方案決策中的重要指標,經濟效益指標的評價結果決定了大壩加固中的資金投入。 施工難度評價貫穿于整個施工進程,施工難度評價是對工序之間的搭接、施工操作的難度評定,需要結合其他指標來進行決策。質量把控指標是一種風險指標,用以評價項目可控性,針對病險水庫大壩的加固方案而言,質量把控指標是一個全工期決策指標[9]。 施工技術先進性指標是對施工過程的技術評價,即評價施工人員、機械的先進性。 工期指標的評價是對整個施工方案的進展和節奏把控,并在評價中考慮施工中的天氣變化導致的工期延誤。 環境危害指標是評價大壩加固過程中所產生的廢料等對環境的破壞性,環境問題作是人類長久發展所關注的問題,將其作為大壩加固中的重要評價指標具有重要意義[10]。 防滲質量指標是大壩加固中的最重要指標,病險水庫本身存在不牢固的情況,大壩加固方案是提升其整體質量的關鍵方案。 施工安全評價指標是對施工中的人員、機械使用安全進行評估,是確保病險水庫大壩加固正常運行的基礎。

1.2 病險水庫大壩加固方案多目標決策模型

病險水庫大壩加固方案目標決策中的重要環節是對指標進行權重確定,以此來確定下層指標在上層指標中的重要程度。 為了更客觀地對大壩加固決策指標進行權重賦予,引入組合賦權法來進行權重確定。 傳統的組合賦權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)和熵權法(Entropy method, EM)來確保決策結果的主觀性和客觀性結果偏差最小,提出AHP-EM 優化組合賦權法。 首先計算提出方案中所有指標的組合權重,公式如下：

式中：w為指標權重;T為轉置。

采用組合賦權法,對單個指標進行權重賦予,在某一種賦權法下的指標權重向量表示如下：

式中：μk為在第k種賦權方法下的指標權重;s為方案數量。

此外,在當前狀態下引入偏差函數,減少主客觀賦權下的偏差,公式如下：

式中：f(μk)為偏差函數;μki為第i個指標在第k種方案下的權重。

建立線性組合權重最優化模型,公式如下：

式中：αk為組合權重。

令組合權重的組合系數α=(α1,α2)T,得到計算病險水庫大壩加固方案指標組合權重的聯合方程,公式如下：

式中：λ為隨機參數;μ1i為第1 種賦權方法下的第i指標的權重;μ2i為第2 種賦權方法下的第i指標的權重。

依據研究提出的指標選擇和指標權重賦予方法,構建病險水庫大壩加固方案的選擇和優化流程,見圖2。

圖2 病險水庫大壩加固方案優化流程

圖2 顯示,首先針對病險水庫大壩情況,采用文獻查找法,查詢針對性的加固方案,并總結當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,并分析各決策指標對病險水庫大壩加固的干預對象和重要性程度;然后引入組合賦權法,為了減少主觀和客觀偏差過大帶來的權重偏差,同時引入層次分析法和熵權法;最后對組合賦權法進行處理,構建病險水庫大壩加固方案指標組合權重的聯合方程,并利用該方程對各方案中的指標進行權重賦予。

2 最優加固方案選擇及方案應用測試

以某水庫為研究對象,該水庫于上世紀70年代修建,主要以灌溉為主,同時具備防洪和養殖等綜合功能,其承雨面積55km2,大壩最高處43.0m。 在長時間的運行中,大壩壩體存在滲漏問題,同時存在壩基滲漏病害。 根據當前大壩情況,專家初步擬定4 種加固方案,利用研究提出的AHP-EM 組合賦權法多目標決策方法,對多個方案進行多目標決策,以期找出最優加固方案,見表2。

表2 不同加固方案評價

表2 顯示,在方案評價中,方案4 的防滲質量指標分數略低于方案3,但方案4 的其余指標評分均高于方案3;方案1 與方案2 的成本指標均低于90 萬元,但方案2 的建設經濟效益達到40 萬元的凈年值,而且方案2 的工期較短,其余指標的評分整體高于其他方案。 因此,研究中認為采用方案2 更為有益。

同時,將方案2 應用于病險水庫大壩的加固仿真模擬中,評價施工前后方案2 與其他方案之間的差異,見圖3。

圖3 不同方案的加固仿真結果

圖3 顯示,選擇該大壩的兩個監測點進行評價可以發現,在方案實施前,不同監測點的孔隙水壓力均隨著時間的增加呈現增長趨勢,并最終提升至910Pa 以上。 經過不同方案的加固干預,在監測點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,同時低于其他方案下的孔隙水壓力。

最后,評價方案2 在研究所選取的病險水庫大壩加固中的應用效果,見圖4。

圖4 方案2 下的垂直位移量變化

圖4 為大壩7 個不同連續監測點的垂直位移情況。 由圖4 可以看出,在方案實施前,該大壩的最大垂直位移量出現在監測點6 處,該處位移量達到0.110m。 采用方案2 對該大壩進行加固后,在方案2 的影響下,各監測點的垂直位移量值均得到顯著減少,其中在監測點6 處的垂直位移量值降低至0.026m。 以上結果表明,針對病險水庫大壩的加固,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 論

為了對病險水庫大壩進行加固處理,本文提出了一種多目標決策方法,以此確定多方案中的最優方案。 基于AHP-EM 組合賦權的多目標決策,構建病險水庫大壩加固方案決策指標體系,引入AHP-EM 組合賦權來確定不同指標的權重,最終通過仿真模擬,驗證了其有效性。 結果顯示,研究提出的多目標決策能夠快速確定多方案中的最優方案,在比較方案之間的加固仿真中,多目標決策選擇的最優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際應用中,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。 以上結果表明,采用多目標決策能夠有效選取病險水庫大壩進行加固的最優方案,并且該最優方案能夠顯著提升大壩加固效果,對病險水庫的長期治理具有重要意義。