基于层次分析法的坝基帷幕灌浆方案评估探析



基于层次分析法的坝基帷幕灌浆方案评估探析

李宏伟

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳110006)

【摘要】本文针对坝基施工中帷幕灌浆方案的优选问题，通过构建基于层次分析法的青山水库主坝坝基防渗体帷幕灌浆评估指标体系，建立涵盖综合目标层、工具目标层以及指标属性层与灌浆方案层的层级分布架构。采用成对比较矩阵来确定各指标层及各要素的权重以及多种帷幕灌浆方案的评估值，通过检验赋值的合理性以及比较矩阵的一致性，得出青山水库主坝坝基防渗体帷幕灌浆方案综合评估排序，从而确定综合技术可行性与经济合理性的最优坝基帷幕灌浆方案。本研究可为同类型坝基帷幕灌浆实施方案的评估及优选提供决策依据。

【关键词】层次分析法；坝基帷幕灌浆；成对比较矩阵；方案评估

防渗帷幕灌浆是坝基防渗的重要工程手段，绝大多数大坝坝基部位都要实施不同程度的灌浆防渗处理。帷幕灌浆作为应用最为广泛的坝基防渗灌浆形式，其帷幕布设方案应在满足工程安全性要求的同时，力求实现工程造价的最小化。坝基防渗帷幕的布置应主要考虑坝基扬压力、渗流量以及渗透坡降等评估指标，然而相应指标的确定须受下游水深、上下游水头差、坝基地质条件以及水温等多条件的约束[1]。青山水库工程位于辽宁省葫芦岛市六股河中游，水库主坝为黏土心墙砂砾石坝，坝基采取帷幕灌浆的方式构筑防渗体。因此，有必要采取层次分析法，通过层级结构量化青山水库主坝坝体防渗帷幕灌浆布置形式的安全及经济要素，从而实现评估帷幕灌浆布置方案的目的，以期为青山水库主坝坝基防渗帷幕灌浆方案的优化设计提供有益借鉴。

1坝基帷幕灌浆方案层次分析与评估

1.1　层次分析评估指标体系构建

层次分析法可将复杂的决策思维过程数量化、模型化，同时将若干复杂决策问题分解为若干因素以及若干层次，通过比较各因素得到不同方案所占权重，从而为方案的优化提供决策依据，适用于多目标、多准则复杂问题的评估决策分析[2]。

采用层次分析法可综合评估青山水库主坝坝基帷幕灌浆方案的施工技术、造价成本以及建成后的运营管理情况，通过探析各要素层级架构间相互制约、相互关联的关系，从而评估帷幕灌浆方案的效果。帷幕灌浆方案的最优化旨在寻求灌浆技术与经济指标的最优化，其中技术性指标主要包括工期、技术可行性、施工效果以及施工难易程度等[3]。经济性指标主要包括直接费、管理费、业务费及临时建设费等。在确定了帷幕灌浆各评估指标间的关联性之后，施工方案可视作层次分析层级架构中的最底层的内容，因此，可构建基于层次分析法的青山水库主坝坝基帷幕灌浆方案指标评估体系，见表1。

由表1可知，坝基帷幕灌浆方案的制定主要依据坝址区域的水文地质条件，选定帷幕灌浆的布设尺寸与位置，因此，评估坝基帷幕灌浆方案是采取封闭式或悬挂式就显得至关重要。

表1　坝基帷幕灌浆方案指标评估体系层级分布

1.2　成对比较矩阵构建

针对构建的青山水库主坝帷幕灌浆方案评估指标体系，须对各层级指标元素间的相对重要程度进行赋值，从而构建各层级间的成对比较矩阵。矩阵的构建主要包括如下要点：

a.对工具目标层指标成对比较矩阵的构建，应充分考虑水利工程建设的经济效益以及技术方案可行性。坝基帷幕灌浆工程的实施旨在提升坝体的稳定与安全性，因此，该层级内的技术目标应较经济投入目标更为重要，即B1>B2。

b.在对技术性指标层各属性的对比矩阵构建时，应确保坝基以及大坝各部位的渗流量限定在一定控制范围内，因此，某种程度上为实现理想的帷幕防渗效果，须在尽量避开汛期、严把施工质量关的前提下，有效满足灌浆技术可行性要求[4]。所以，各技术指标项的重要性可排序为C5>C2>C1>C4>C3。

c.针对经济指标层各属性指标比较矩阵的构建，通常情况下，C6>C7>C9>C8。部分特殊情形中，工程文物保护及移民安置费用所占比重较大，导致项目管理费用大幅提升，此时各指标重要度排序为C7>C6>C9>C8。

d.在一定灌浆帷幕厚度下，封闭式帷幕灌浆因所需土石方及水泥材料数量较大，且施工周期相对较长，其所需的机械及人工台班费用也相对较大。相较于悬挂式帷幕灌浆方案，封闭式帷幕灌浆因其渗径较

长，降低坝基渗透坡降效果更好，因此封闭式帷幕的防渗透破坏效果更好。此外，当帷幕灌浆深度大于100m时，悬挂式帷幕灌浆因其具备更高的安全与稳定性，更适用于大深度的灌浆施工[5]。在坝址水文地质条件较好的地区，可采取悬挂式帷幕，而在地质条件恶劣的坝址区域，则必须采取封闭式帷幕灌浆以有效阻隔坝基渗流。

因此，在确定各指标要素的相对重要性之后，即可构建方案层级间的比较矩阵:

(1)

由式(1)可知，矩阵A(2×2)可表示综合目标层下的比较矩阵，A(5×5)可表示工具目标层下技术性指标要素层的比较矩阵，A(4×4)可表示工具目标层下经济指标要素层的比较矩阵，A(2×2)可表示帷幕灌浆方案层的比较矩阵[6]。其中，矩阵中各指标要素可依据式(2)进行赋值:

(2)

1.3　评估指标权重计算及方案优选

针对上述构建的各层比较矩阵，应计算综合目标层满足AU=λmaxU的特征向量U1、U2；计算属性层满足AU=λmaxU的特征向量UB1、UB2；计算帷幕灌浆方案层满足Aε=λmaxε的特征向量εci(i=1，2，…，9)。其中，U与ε表示应于λmax的正规化特征向量，λmax表示A矩阵的最大特征值[7]。

此外，可引入检验系数C.R.来检验赋值的合理性以及矩阵的一致性:

(3)

(4)

式中，C.R.表示系数指标，R.I.表示与矩阵阶数n有关的随机一致性指标。当C.R.小于0.1时表示比较矩阵的一致性最好[8]。因此，可构造评分矩阵:

(5)

通过将上述评分矩阵同权重矩阵U进行内积，即可做如下的坝基帷幕灌浆方案综合评估排序：

(6)

2实例应用及分析

2.1　挡水坝段工程地质概况

青山水库主挡水坝段拟选址处河谷呈“V”形，且峡谷坡陡岸高，坝址处基岩多为厚层灰岩且岩体坚硬，坝址处岩体断层裂隙发育，完整性较差。依据地勘报告，该挡水坝拟定3条坝轴线以供优选，其中1号坝轴线处于峡谷上游段，两岸多分布5~8m风化灰岩，其中弱风化层厚度达80m，河床河谷段覆盖层厚度在22.6~34.7m。2号坝轴线处于峡谷中游段，河床河谷灰岩强风化层厚度在2~5m，局地强风化层厚度达15m，弱风化层在70~90m，河床河谷覆盖层厚度在86.5~11.6m。3号坝轴线处于峡谷下游段，河谷两岸强风化层灰岩厚度在12~16m，弱风化层在85~115m，河床河谷覆盖层厚度在87.3~143.6m。

鉴于上述3条不同坝轴线选址所处地质条件存在差异，因此，有必要优选青山水库主挡水坝段不同坝基帷幕灌浆方案，并采取层次分析法对各灌浆方案实施评估。

2.2　帷幕灌浆指标要素重要性评估

依据青山水库挡水坝段工程相关工程经验及专家评估意见，坝基帷幕灌浆指标要素重要性评估结果见表2。

表2　坝基帷幕灌浆指标要素评估结果

病媒生物鼠 类蚊 类蝇 类蟑 螂防控标准 1.室内布放20cm×20cm滑石粉块2块,一夜后阳性粉块不超过3%;有鼠洞、鼠粪、鼠咬痕等鼠迹的房间不超过2%;重点单位防鼠设施不合格处不超过5%; 2.不同类型的外环境累计2000延长米,鼠迹不超过5处 1.室内外环境各种存水容器和积水中,蚊幼及蛹的阳性率不超过3%; 2.用500mL收集勺采集营区内大中型水体中的蚊幼及蛹阳性率不超过3%,阳性勺内幼虫及蛹的平均数不超过5只; 3.特殊场所白天人诱蚊30min,平均每人次诱获成蚊数不超过1只 1.有蝇房间不超过1%,其他单位不超过3%,平均每阳性房间不超过3只,防蝇设施不合格房间不超过5%,食堂储藏室直接入口食品的场所不得有蝇; 2.蝇类孳生地得到有效治理,幼虫和蛹的检出率不超过3% 1.室内有蟑螂成虫和若虫阳性房间不超过3%,平均每间阳性房间大蠊不超过5只,小蠊不超过10只; 2.有活蟑螂卵鞘房间不超过2%,平均每阳性房间不超过4只; 3.有蟑螂粪便、蜕皮等蟑迹的房间不超过5%

2.3　坝基帷幕灌浆指标权重计算与方案评估

针对上述帷幕灌浆指标可用式(2)计算比较矩阵A，并通过式(3)~式(4)验证上述各成对比较矩阵中各指标要素均符合一致性要求。通过方案汇总评估，由式(5)~式(6)可计算出3条不同坝轴线选址方案的坝基帷幕灌浆方案排序为：

综上可知，在1号坝轴线坝址处，水文地质条件良好，岩体完整度较高，因此，悬挂式帷幕灌浆方案比封闭式帷幕灌浆方案的权重值大，即该坝址处悬挂式帷幕灌浆方案为最优灌浆施工方案。在2号坝轴线坝址处，两种帷幕灌浆方案所占权重值大小基本相同，即在该处水文地质条件下，封闭式帷幕灌浆方案与悬挂式帷幕灌浆方案均可作为此坝址处施工方案。在3号坝轴线坝址处，因河谷水文地质条件差，封闭式帷幕灌浆方案较悬挂式帷幕灌浆方案的权重值大，即青山水库主挡水坝段坝基处采用封闭式帷幕灌浆方案为最优灌浆实施方案。

3结语

本文通过建立基于层次分析法的帷幕灌浆方案评估指标体系，构建了各层级间的成对比较矩阵，探析了青山水库挡水坝段采取不同坝基帷幕灌浆方案在不同坝址水文地质条件下的优劣程度。层次分析法作为有效解决帷幕灌浆方案评估的多属性决策方法，对坝基帷幕灌浆方案的评估优选具有较强的适用性。针对坝基帷幕灌浆方案实施的评估实例充分说明：采取层次分析法可由分析不同坝址地质条件特征出发，进而对坝基帷幕灌浆方案的适用性进行优选与评估。

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Study of dam foundation curtain grouting scheme evaluation based

on analytic hierarchy process

LI Hongwei

(LiaoningWaterConservancyandHydropowerInvestigationandDesignInstitute,Shenyang110006,China)

Abstract:The hierarchical distributed architecture covering comprehensive target layer, tool target layer, index property layer and grouting scheme layer is constructed aiming at optimization issue of curtain grouting scheme in dam foundation construction through constructing Qingshan Reservoir main dam foundation anti-seepage body curtain evaluation indicator system based on analytic hierarchy process. Paired comparison matrix is used for determining each index layer and weight of element as well as evaluation values of various curtain grouting scheme. Comprehensive evaluation sequence of Qingshan Reservoir main dam foundation anti-seepage body curtain grouting scheme is obtained through testing the rationality of assignment and the consistency of comparison matrix, thereby determining the best dam foundation curtain grouting scheme integrating technical feasibility and economic rationality. The study can provide decision-making basis for evaluating and optimizing similar dam foundation curtain grouting implementation schemes.

Key words:analytic hierarchy process; dam foundation curtain grouting; paired comparison matrix; scheme evaluation

中图分类号：TV543+.5

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2016)01-0011-04

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.01.004