哈桑河西沉沙调节池工程坝型方案优选分析

赵倩，常志朋

（1.华北水利水电学院，河南郑州450011；2.奎屯农七师勘测设计研究院（有限公司），新疆奎屯833200）

1 工程概况

哈桑河西沉沙调节池位于昭苏盆地西部，距离新疆建设兵团农四师七十六团团部约10.0 km，距伊宁市252 km。哈桑河西沉沙调节池工程大坝坝型为均质土石坝，主要由大坝和放水建筑物组成。

哈桑河是特克斯河在中方北岸的一条支流，隶属于新疆兵团农四师七十六团和七十七团。哈桑河源于中部天山苏木拜山南麓哈萨克斯坦境内，河长66 km，从北向南流，注入特克斯河。

沉沙调节池工程为Ⅳ等小（1）型沉沙池，沉沙池兴利池容330万m3，淤积池容29万m3，总池容359万m3。对应正常蓄水位1825.00 m，死水位1814.06 m。

2 设计方案

2.1 坝轴线位置选择

经反复踏勘研究，根据库容规模，综合考虑坝轴地形地质条件、工程布置及成库条件等多方面因素，在哈桑河冲沟“Y”型口以下长约1.0 km的河段内选择了坝址。坝址位于“Y”型冲沟，东西两侧沟交汇于下游0.4 km处。

由《农四师76团哈桑河西沉沙调节池工程可行性研究报告》方案比选可知，选定坝轴具有：地形条件有利于粘性土均质土石坝布置、坝轴线短、坝体填筑工程量较少、投资少、蓄水位位置高、料场运距近、施工工期较短等优点。

2.2 坝型方案

主要根据坝址区地形、地质情况以及当地天然建筑材料条件进行坝型方案优选，且本工程属于Ⅳ等小（1）型工程，在坝型选择中主要考虑采用均质土石坝、粘土心墙坝、粘土斜墙坝以及均质砂砾石坝等几种坝型[1]。通过坝型设计优化，在满足坝体稳定与应力条件要求的情况下，各设计坝型方案成果如下。

（1）均质土石坝方案——方案一

①坝顶宽度

考虑交通及施工要求，坝顶宽度5 m，桩号0+392处设置停车道，路面为砂砾石路面，厚30 cm，桩号0+000～0+392。上游侧设置钢筋混凝土防浪墙，墙总高2.20 m。下游侧设置路缘石，标号C25，尺寸0.6 m×0.6 m×0.2 m，M10砂浆砌筑。坝顶采用向下游坡排水，路面横向坡比2%。

②上、下游坝坡拟定

参考国内外已建工程，结合本工程坝址区石料的物理力学性质，经工程类比和坝坡稳定计算，初步拟定均质土石坝上游坝坡为1∶2.5，下游坝坡1∶2.25。

③坝顶高程

根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》的规定计算坝顶（设置防浪墙），设计高程为1828.00 m，坝址最低建基高程为1806.75 m，因此最大坝高为20.25 m。

（2）粘土心墙坝方案——方案二

①坝顶宽度

考虑交通及施工要求，坝顶宽度5 m，其中，心墙顶宽3.0 m，反滤层及过渡层厚度均取0.8 m。砂砾石路面，厚30 cm，下游侧设置路缘石。坝顶上游侧设倒T形C25钢筋混凝土防浪墙，防浪墙总高2.2 m，坝顶至防浪墙顶1.0 m。

②上、下游坝坡拟定

参考国内外已建工程，结合本工程坝址区石料的物理力学性质，经工程类比和坝坡稳定计算，初步拟定均质土石坝上游坝坡为1∶2.25，下游坝坡1∶2.0。

③坝顶高程

根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》的规定计算坝顶（设置防浪墙），设计高程为1828.00 m。

（3）粘土斜墙坝方案——方案三

①坝顶宽度

考虑交通及施工要求，坝顶宽度5 m，其中，斜墙顶宽3.0 m，反滤层及过渡层厚度均取0.8 m。桩号0+392处设置停车道，路面为砂砾石路面，厚30 cm，桩号0+000～0+392。上游侧设置钢筋混凝土防浪墙，墙总高2.20 m。下游侧设置路缘石，标号C25，尺寸0.6 m×0.6 m×0.2 m，M10砂浆砌筑。坝顶采用向下游坡排水，路面横向坡比2%。

②上、下游坝坡拟定

参考国内外已建工程，结合本工程坝址区石料的物理力学性质，经工程类比和坝坡稳定计算，初步拟定均质土石坝上游坝坡为1∶2.25，下游坝坡1∶2.0。

③坝顶高程

根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》的规定计算坝顶（设置防浪墙），设计高程为1828.00 m。

（4）砂砾石土石坝方案——方案四

①坝顶宽度

考虑交通及施工要求，坝顶宽度5 m。桩号0+392处设置停车道，路面为沥青路面，沥青厚10 cm，桩号0+000～0+392。上游侧设置钢筋混凝土防浪墙，墙总高2.20 m。下游侧设置路缘石，标号C25，尺寸0.6 m×0.6 m×0.2 m，M10砂浆砌筑。坝顶采用向下游坡排水，路面横向坡比2%。

②上、下游坝坡拟定

参考国内外已建工程，结合本工程坝址区石料的物理力学性质，经工程类比和坝坡稳定计算，初步拟定均质土石坝上游坝坡为1∶2.25，下游坝坡1∶2.0。坝前坡采用塑料薄膜作为防渗材料。

③坝顶高程

根据Sl274-2001《碾压式土石坝设计规范》的规定计算坝顶（设置防浪墙），设计高程为1828.00 m。

3 坝型设计方案优选

上述4种坝型方案，都能使坝体的稳定和应力满足要求，坝型方案的取舍同时取决于当地建筑材料、施工方案及施工期运行管理的选择。目前本工程的主要任务为引蓄灌溉、沉砂冲砂，解决七十六团0.44万ha耕地干旱缺水的问题。为此，本设计将施工条件、工程投资、施工工期及施工期运行管理（农业供水）等方面作为评判准则进行合理坝型方案的优选。

3.1 建立层次评价模型

这些因素中，除工程投资及施工工期可以量化外，施工条件与运行管理均不能量化。在这种情况下，利用层次分析法[2，3]进行坝型方案的选择较为适宜。根据工程坝型方案建立层次评价模型[4～6]，如图1。递阶层次的最上层为目标层（A），即选择合理的坝型方案；准则层为选择方案时所需考虑的四方面因素，即施工条件（B1）、工程造价（B2）、施工工期（B3）和运行管理（B4）。根据前述论证的坝型方案，有均质土石坝方案、粘土心墙坝方案、粘土斜墙坝方案以及均质砂砾石坝方案作为备选坝型方案。

3.2 形成判断矩阵

根据工程的具体要求，对坝型方案层次模型中同一层各个元素以上一层元素指定的准则，按照相对重要性相互比较，比较的标度见表1。

表1 判断矩阵标度及其含义Table 1:Judgment matrix scale and its meaning

这里列出目标层（A）与准则层（B）见表2，以及准则层（B）与方案层（C）的比较判断矩阵见表2～6。其中的定性衡量由管理单位与设计单位专家共同协商，然后采用两两对比确定准则层及方案层的判断矩阵。

表2 准则判断矩阵A-BTable 2:Criterion judgment matrix A-B

3.3 计算权重与一致性

各指标的权重值见表2～6。通过以上计算可知各层次单排序CR＜0.1，所以各层次单排序具有满意的一致性结果。

3.4 层次总排序及一致性检验

首先，将各层的成对比较矩阵数据按列进行归一化，然后每一行求和平均，得到每一层元素相对上层元素的权重向量，再由同一层的权重向量合并成为权重矩阵，最后计算得到坝型方案层次评价的总排序，详见表7。

表3 施工条件判断矩阵B1-CTable 3:Construction condition judgment matrix B1-C

表4 工程造价判断矩阵B2-CTable 4:Project cost judgment matrix B2-C

表5 施工工期判断矩阵B3-CTable 5:Construction period judgment matrix B3-C

表6 运行管理判断矩阵B4-CTable 6:Operation management judgment matrix B4-C

由于CR=0.0215＜0.1，所以总排序满足一致性检验，同时有上面计算得到的4种坝型方案的权重值ω（0.4045，0.2282，0.1816，0.1856），由此知道坝型方案C1为最终选择的最优方案。

表7 坝型方案层次总排序结果汇总表Table 7:Hierarchy ranking of the dam type schemes

3.5 分析讨论

（1）由表2分析知道，施工条件（B1）、工程造价（B2）、施工工期（B3）和运行管理（B4）的权重ω分别为0.141，0.2630，0.1411，0.4547，B4的权重最大，而B1与B3的权重最小，说明本次工程设计中，施工期的安全供水要求起决定作用，其次是工程造价。在满足前者要求的前提下选择施工及坝型方案。

（2）分析方案层（C）的4个方案权重中，均质土石坝方案（C1）的权重为0.4045最大，说明该方案为最佳方案。其主要原因是该方案能保证施工期正常运行管理方便、造价较低、需要的施工条件——坝体设计准备工作量小等。

4 结语

在设计方案的论证比较过程中，首先根据哈桑河西沉沙调节池所处地理位置、工程水文、地质以及天然建筑材料等条件，定性分析了各种可能坝型布置及其适应性，在此基础上主要选择了4种坝型方案进行比较讨论。在进一步的分析中，围绕这些方案均能满足坝体稳定及应力要求的实际情况，初步进行坝体剖面设计。从工程造价分析，均质土石坝方案最经济合理，但同时考虑运行管理、施工条件及施工工期等因素时，特别是以保障施工期水库供水为主要参考指标时，本文尝试用层次分析法对以上4种坝型进行了优选。

通过层次分析法比较优选，哈桑河西沉沙调节池工程坝型设计选择均质土石坝方案，符合管理单位及设计单位的目标要求，说明层次分析法在水利工程坝型设计方案比较中是一种切实有效的方法。目前，本工程正在施工中。

在水利工程坝型设计方案选择中，工程造价并非唯一决定因素，需同时考虑施工条件、工程造价、施工工期及运行管理等主要因素的影响。因此，对于坝型设计方案的选择优化中定量指标与定性指标同时存在的情况，用层次分析法分析定性与定量混合问题是一种有益的探索。■

[1]林昭.碾压式土石坝设计[M].郑州：黄河水利出版社，2003.

[2]姜启源，谢金星，叶俊，等.数学模型（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]许树伯.层次分析法原理[M].天津：天津出版社，1988.

[4]常建娥，蒋太立.层次分析法确定权重的研究[J].武汉理工大学学报·信息与管理工程版，2007，29（1）:153～156.

[5]李艳红,齐永国.层次分析法在铁路线路方案比选中的应用[J].铁路运输与经济，2009，3（9）：86～92.

[6]张洁,赵坚.层次分析法在帷幕灌浆效果评价中的应用[J].水电能源科学，2009，27（3）：124～146.