基于AHP的水库除险加固方案优选

赵伟鑫 张宏蕾 郝卫娟

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450011； 2.北京金河水务建设有限公司，北京 102206；3.石家庄启光文化传播有限公司，河北 石家庄 050000)

·水利工程·

基于AHP的水库除险加固方案优选

赵伟鑫1张宏蕾2郝卫娟3

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450011； 2.北京金河水务建设有限公司，北京 102206；3.石家庄启光文化传播有限公司，河北 石家庄 050000)

运用AHP(层次分析法)对水库的除险加固方案进行了定量分析，建立了层次分析法方案优选评估模型，对多套加固方案进行了综合分析和比较，优选出了最终最优的目标方案，AHP为水库除险加固方案的评估优选提供了一条有效的定量分析途径。

病险水库，层次分析法，权值，方案

根据《全国病险水库除险加固专项规划》统计[1]，全国共有病险水库30 413座，共占水库总数的36.3%，这些水库大多数建于20世纪50年代～70年代，普遍都存在安全隐患问题，从而直接威胁着水库的防洪安全和人民的生命安全。因此近年来国内组织有关知名专家从水库的质量及管理运营、防洪标准、渗流、结构的安全性等主要方面对存在病险的水库进行安全鉴定，并且针对病险水库存在的众多安全隐患问题提出了多套具体的解决方案。首先决策者需从工期、投资、安全等方面对方案进行分析评估，得到最优、最适合的方案来解决病险水库的安全隐患。由于决策者在选择最优方案时，可能受到外部其他因素的影响，导致无法迅速的做出正确判断。因此为减小决策者的工作量及准确而迅速的确定最优的解决方案，决策者可运用AHP来处理此问题。AHP可从工期、投资、安全等方面分析各方案，从中帮助决策者迅速、正确的选择出最优的方案来解决水库病险问题。

1 AHP的原理与步骤

美国运筹家Saaty教授于20世纪80年代针对多方案、多目标问题，提出了一种实用的决策方法，即AHP。AHP作为决策工作具有明显的优点，AHP[2，3]是一种分析层次权重决策的方法，将每个层次的各个因素按因素之间的支配关系分解为有序的递阶层次结构模型，并依据客观现实判断对模型中每一层因素的相对重要性给出定量的表示，然后再对每一层次全部因素相对重要性的权值加以确定，最终得到最低方案层相对最高目标层的重要性次序组合权值，从而可作为评估、优选方案的依据。AHP(层次分析法)评估优选最优目标方案问题分为4个步骤。其具体步骤如下[4-6]：

1)构造层次结构图[4-6]。将实际问题深入分析，并且对最终目标方案、考虑因素和决策对象根据它们间的相互关系进行划分，分别为最高层、中间层和最低层，从而构造出层次结构图。

2)构造各层次的判断矩阵A[4-6]。为解决确定各层次各因素之间的权重时，只是定性的结果，经常不易被人接受的问题，运筹家Saaty教授等人对此提出了一种新的解决方法，即判断矩阵法，构造各层次的判断矩阵A，判断矩阵A形式如下：

在判断矩阵A中i因素对j因素的重要性可用矩阵判断标度(1～9标度法)表示。其中1，3，5，7，9表示i因素与j因素相比，前者比后者的重要性可分为同等重要、稍微重要、明显重要、极其重要、强烈重要。2，4，6，8为介于两种判断之间的中间值。而其倒数表示j因素与i因素两者相比，重要性可分别为相同、稍弱、弱、很弱、绝对弱。

3)层次单排序及其一致性检验[4-6]。

评估优选方案中同一层次因素相对于上一层次的某因素的重要性要进行层次单排序。首先要判断同层因素对上层因素的权重，然后再检查其一致性。其具体计算可如下：

a.权向量计算[4-6]：

4)层次总排序及其一致性检验[4-6]。

层次总排序是计算某一层全部因素对最高层(总目标)相对重要性的权值。其过程从最高层次最优方案目标到最低层次依次进行[7]。步骤可如下：

2 工程实例

2.1 病险水库实例

某水库位于某县城的一个镇境内，坝址位于淮河水系潢支下马河上，是一座以防洪、灌溉为主，结合水产养殖等综合利用的小(2)型水库。水库下游保护区内有0.5万人、1 500亩农田，水库的地理位置重要。水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、输水洞等组成。大坝为均质土坝，坝顶高程100.9 m，最大坝高5.3 m，坝长147 m，坝顶宽度3.0 m，上游侧新防浪墙，顶高程为101.50 m。溢洪道位于水库左岸，为开敞式，由进口段、控制段、泄槽段、消力池组成，采用宽顶堰泄流，堰顶高程99.0 m，堰宽5.0 m，矩形断面。

政府组织有关知名专家对水库进行了安全鉴定。鉴定结果：大坝为三类坝，其中存在的安全隐患之一为坝体填土压实不均，质量一般，存在散浸问题。经计算，坝体渗透比降不满足规范要求。针对大坝渗漏问题，专家根据实际情况从工程投资、工程场地影响、施工技术等方面提出了多套大坝防渗加固方案。大坝防渗加固方案如下：

1)高喷灌浆防渗板墙方案。

高压喷射灌浆是利用高压泵使水获得20 MPa～40 MPa的高压后，从孔径很小的喷嘴中喷射出来，以极高的速度冲击破坏土体，从土体脱落下来的土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力作用下，与浆液混合，从而形成一定形状，达到设计要求的固结体，起到加固或防渗的作用。

2)塑性混凝土防渗墙方案。

混凝土防渗墙是采用人工或机械成槽方式，在透水层内形成一道连续混凝土防渗墙，达到截断透水层的目的。混凝土防渗墙也是一种成熟的坝基防渗方法，防渗效果好，几乎适用于任何坝基地质。

3)深层搅拌桩水泥土防渗墙方案。

深层搅拌桩是利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深部就地将软粘土与水泥强制拌和，使软土地基硬结成具有一定强度的水泥加固土。

2.2 运用AHP(层次分析法)分析病险水库大坝防渗加固方案

1)AHP(层次分析法)从2.1中病险水库实例中优选出一个最优的大坝防渗加固方案。病险水库判断的准则为工程投资、工程场地影响、施工技术的大坝防渗加固方案，对此运用层次分析法构建层次结构模型。模型如图1所示。

2)构造判断矩阵并计算。

a.构造准则B层对目标A层的判断矩阵，判断矩阵见表1。

b.构造方案C层对准则层施工技术B1的判断矩阵，判断矩阵见表2。

表1 准则B层对目标A层的判断矩阵

最优方案施工技术施工投资施工场地W施工技术1350.616施工投资1/3140.287施工场地1/51/410.097

表2 方案C层对准则层施工技术B1的判断矩阵

c.构造方案C层对准则层施工投资B2的判断矩阵，判断矩阵见表3。

表3 方案C层对准则层施工投资B2的判断矩阵

d.构造方案C层对准则层施工场地B3的判断矩阵，如表4所示。

表4 方案C层对准则层施工场地B3的判断矩阵

3)计算层次总排序权值及判断其一致性。

方案C1对总目标的权值为0.110×0.616+0.123×0.287+0.120×0.097=0.115。同理，方案C2、方案C3对总目标的权值分别为0.309，0.577。

运用层次分析法分析得到了最终的最优目标方案，即方案C3：深层搅拌桩水泥土防渗墙方案。考虑到施工技术、施工投资、施工场地选择等方面的原因，使用深层搅拌桩水泥土防渗墙方案解决上述病险水库的大坝防渗加固比使用高喷灌浆防渗板墙方案和塑性混凝土防渗墙方案更好。

3 结语

病险水库加固中针对病险问题提出的多套加固方案可能受到施工技术、施工投资、施工场地选择等各方面原因的影响，当决策者选择最终方案时，可能会受到某些因素的影响而未选择出最优的方案。因此可运用AHP(层次分析法)解决此问题，AHP(层次分析法)可简便、清楚的对加固方案提供一个最有效的定量分析途径，对提出的多套加固方案之间进行综合分析和比较，从而选择出一个对总目标最优的方案，大大的减小了决策者受人为的主观因素影响和其他因素影响，为决策者提供了重要的理论支撑和参考价值。

[1] 杜雷功，薛占群，张锡彭，等.全国病险水库水闸除险加固专项规划简要报告[R].天津：水利部天津水利水电勘测设计研究院,水利部水利建设与管理总站,2001.

[2] 田林钢，孙淑侠，孙明权，等.水利工程的风险分析与防范研究[J].人民黄河,2006,28(12):73-74.

[3] JN希德尔.工程概率设计:原理和应用[M].北京:科学出版社,1989.

[4] 杨 波，唐德善，卢兴旺.基于AHP的河道整治方案优选[J].水电能源科学,2010,28(2):109-110.

[5] 李晓东，曾光明，梁 婕.基于层次分析法的洞庭湖健康评价[J].人民长江,2009,40(14):22-25.

[6] 康迎宾，康 鹏，张战强，等.层次分析法在土料场选择中的应用[J].大坝与安全,2011(4):49-52.

[7] 王笃波.深基坑支护工程优化设计[D].郑州：华北水利水电学院,2007.

Optimal selection of reinforcement schemes for the revervoir based on analytic hierarchy process

ZHAO Wei-xin1ZHANG Hong-lei2HAO Wei-juan3

(1.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450011,China;2.JinheLimitedCompanyforConstructingWaterUtilitiesinBeijing,Beijing102206,China;3.ShijiazhuangQiguangCultureandCommunicationCo.,Ltd,Shijiazhuang050000,China)

This thesis adopts analytic hierarchy process for analyzing and evaluating the scheme of reinforcing the small reservoirs, based on which builds evaluation models of AHP optimal selection. By comprehensive analysis and comparison of more than one schemes, the most optimal one is selected. It show that AHP provides an effective path for quantitative analysis for optimal selection of reinforment schemes for small reservoir.

dangerously defective reservoirs, AHP, power value, schemes

1009-6825(2014)11-0259-03

2014-02-04

赵伟鑫(1988- )，男，在读硕士； 张宏蕾(1988- )，男，助理工程师； 郝卫娟(1987- )，女,硕士

TV697.32

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