基于层次分析法的台山核电新松水库坝址筛选研究

魏海波

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

近年，随着我国能源结构的调整，清洁能源被大量应用和需求，进而产生了大量的水库工程，鉴于该类工程的重要性，有必要对其坝址进行针对性的筛选优化研究[1-2]。目前，已有大量学者开展了相应研究，如陈强标[3]、夏守宝[4]和甘泽[5]在对比坝址区各项工程地质条件的基础上，分析了不同坝址选择的合理性，以确定合适的坝址位置；张晓明等[6]则在坝址影响因素筛选的基础上，构建了坝址合理性的评价体系，有效指导了后期施工；刘斌等[7]在工程布置优化基础上，综合考虑多种因素对坝址投资的影响，筛选了合理坝址；肖华波等[8]利用数值模拟评价了坝址岸坡稳定性，进而为坝址选择提供了参考依据。上述研究均取得相应成果，如验证了坝址筛选是多种因素综合作用的结果，但上述研究多是侧重于定性筛选坝址，缺乏定量评价研究。因此，该文以台山核电站的附属新松水库为工程实例背景，利用层次分析法构建坝址筛选评价体系，再通过计算得到不同坝址适宜性得分，进而实现坝址筛选的定量评价，以便更好指导后期决策。

1 基本原理

水库坝址筛选思路为：首先，利用层次分析法构建水库坝址筛选评价体系；其次，分别利用1-9标度法和模糊理论确定各评价指标的权值与隶属度；最后，利用R=P×C模型实现评价指标权值与隶属度的叠加，进而得到坝址适宜性评分，达到坝址筛选的目的[9-11]。结合上述思路，将评价过程的具体方法分述如下：

1) 坝址筛选体系的构建

水库坝址筛选是一个复杂的问题，不能用单一指标进行评价，需考虑多种因素的综合效应，而层次分析法可实现不同层次指标的无量纲评价，进而适用于水库坝址筛选。其坝址筛选评价体系的构建过程为：先结合工程实际，构建出影响坝址筛选的一级指标，该类指标应具有同等影响力，且互不干扰；其次，对各一级指标再进行细分，划分出同等效应的二级指标，并以此类推，构建出树枝状的坝址筛选评价体系。

2) 评价指标的权重求解

采用1-9标度法确定同一等级指标的相对权重值，其过程如下：

①构建判断矩阵

1-9标度法是通过对比两两指标间的相对重要性构建判断矩阵，其构建标准如表1所示。通过构建得到的判断矩阵属互反矩阵，且各元素间的重要性仅代表两两指标间的关系，不具传递性。

表1 判断矩阵的构建原则

②一致性检验及权重确定

如前所述，判断矩阵是按两两指标的重要性构建，各指标间的相对重要性可能不一致，进而需对其进行一致性检验，即先求得最大特征值及其特征向量，求得判别指标CI：

(1)

式中λmax为最大特征值；n为评价指标个数。

将CI值与重要性标度指标RI值的比值作为一致性检验指标CR：

(2)

式中RI值可由表2求得，且CR值的判据为：若小于0.1，则说明判断矩阵具有一致性，可以接受；反之，则需要重新构建判断矩阵，直至满足上述条件。

表2 重要性标度值

当满足一次性检验后，归一化处理最大特征值对应的特征向量，所得归一化值即为相应评价指标的权重。

3) 评价指标的隶属度求解

利用模糊理论确定各评价指标的隶属度值，并将其实现方法确定为专家法，该方法可充分发挥专家工作经验，实现不确定因素的定量转变；由于不同专家的资历及经验存在差异，一般资历越老、工程经验越丰富的专家，其隶属度评价结果的可信度相对越高；反之，隶属度评价结果的可信度相对较低。因此，有必要对不同专家的隶属度值进行折减区分，具体原则如表3所示。

表3 专家分类折减标准

4) 坝址适宜性等级划分

根据前述指标权重及隶属度求解结果，采用P×C法实现两者叠加，进而求得坝址适宜度得分，并将得分进行区间划分，以确定坝址的适宜性，其相应评分如表4所示。

通过表4的等级划分，可将坝址筛选过程由定性评价转变为定量评价，且所得评价结果可根据相应等级得到对应的适宜性结果。

表4 坝址适宜性等级划分

2 实例分析

2.1 工程概况

新松水库为台山核电站的附属水库，在完成核电站供水的同时，兼顾下游段居民的日常用水。根据现场勘察成果，坝区处于曹冲河出山口处的开阔地带，以低丘陵山区地貌为主，夹有少量堆积平原及河流地貌；地形总体呈南西侧、南东侧高，北东侧低，起伏较大。

坝区出露第四系地层较为丰富，主要以残坡积层、冲洪积层为主，岩性为粉质粘土、碎石土等，对大坝影响主要是在坝肩位置堆积，影响坝肩稳定性，并可能诱发次生工程问题；基岩出露主要以泥盆系老虎头组砂岩、泥岩为主，下覆燕山二至五期的侵入岩。同时，根据区域地质资料，库区近区域范围内的地质构造主要呈北东向构造，其次为北西向构造，此外还有零星出露的东西向及南北向构造，且构造类型以断裂构造为主，未见较大的褶皱构造。坝区内水文条件较为丰富，其中，地表水以曹冲河为主，其支沟呈树枝状分布，河流流量受季节影响，但总体流量满足设计要求；地下水以孔隙潜水和基岩裂隙水为主，前者主要赋存于第四系土层中，后者最主要赋存于块状岩类风化带中，其与地表水具有较为复杂的水力联系。

2.2 坝址筛选体系的构建

由于新松水库主要是向核电站供水，其重要性不言而喻，很有必要对其坝址进行优化筛选，根据现场初步勘察，确定了两处待选坝址，即上坝址和下坝址，两地相距约250 m，且鉴于坝址筛选的影响因素较多，并非单一因素作用的结果，为实现综合评价，该文利用层次分析法构建其筛选体系，以合理评价两处坝址的适宜性。

层次分析法构建筛选评价体系过程中，地形地貌、地层岩性、地质构造、水文条件等因素对坝址筛选具有同等影响力，因而将其设定为1级评价指标，并结合工程实际，将其影响过程及2级评价指标分述如下。

1) 地形地貌因素

上、下坝址位于曹冲河中下游一带，具同一地貌单元，均属低山丘陵地貌，结合勘察成果，将两地的具体地形地貌分述如下：

上坝址：河底高程为5～7 m，目前河面宽度约为35 m；设计正常蓄水位为48.2 m时，水面宽约183 m。左、右两岸山体相对对称，其中，左岸山体高程约为110 m，山体浑圆，边坡较陡，坡度约为25°～35°；右岸山体高程约为120 m，有较多冲沟，大多边坡较缓，坡度一般为20°～30°。

下坝址：河底高程为4～4.5 m，河面宽度约为20～25 m；设计正常蓄水位为45.8 m时，水面宽约194 m。左右两岸山体不对称，其中，左岸山体高程约为125 m，山体雄厚，局部出露基岩，边坡较陡，坡度约为25°～35°；右岸有一段长约200 m、高程为60～70 m单薄的条形山连接坝体，最高峰约135 m，坡度一般为20°～30°。

根据上述，两待选坝址的地形地貌条件具有明显差异，结合其现场条件，将其二级评价指标设定为：河谷形态、山体对称性及河谷宽度，其三者均会一定程度上影响坝体长度及稳定性，如两侧山体对称性越好，同等条件下的坝体稳定性越高；河谷宽度越宽，虽能保证库容，但会增加坝体长度，进而降低坝体稳定性及增加造价。

2) 地层岩性因素

如前所述，两待选坝址相距较近，进而其下覆基岩情况相近，均具有相差不大的物理力学性质，其地层差异主要体现在第四系覆土上。

上坝址：覆土厚度在13.1～38.0 m之间，最厚可达44.5 m；全风化带厚为12.3～43.4 m，强风化带厚为0.6～17.9 m，局部缺失，弱风化带厚为22.5～27.5 m，部分钻孔没揭穿。

下坝址：覆土厚度一般在6.4～33.7 m之间；全风化带厚为5.1～33.7 m，局部缺失，强风化带厚为1.1～3.0 m，局部缺失，弱风化带厚为1.9～39.7 m，部分钻孔没揭穿。

地层岩性对坝址筛选影响较大，结合工程经验，将其二级评价指标设定为：地层岩性、覆土层厚度及风化层厚度。三者对坝址筛选的影响主要体现在对坝体稳定性的影响，若地层岩性越好，覆土层、风化层厚度越薄，坝体稳定性相对越好。

3) 地质构造因素

地质构造对坝址筛选影响重大，若坝址建于易发断裂带上，在蓄水诱发影响下，可能产生对坝体影响较大的地震，进而影响其正常运营。结合本次调查，坝区未见大规模的断裂及褶皱通过，钻孔揭露有小断层、裂隙，且裂隙较为发育，其中，上坝址钻孔揭露1条断层构造，产状不明；下坝址钻孔揭露有4条断层，裂隙连通性不好。

根据地质构造的影响，将其2级指标设定为断层、节理裂隙及地震三个因素；同时，由于断层及节理发育程度仍需进一步评价，将断层的3级指标设定为条数、尺寸参数、充填情况及起伏度4个指标；节理裂隙的3级指标设定为条数、尺寸参数及起伏度3个指标。

4) 水文条件因素

库区修建，势必改变局部区域范围内的水力联系，进而原有水文条件对坝址筛选具有重要影响，据本次勘察成果，河中、左岸土层多为弱透水层，岩石透水率均小于3Lu，且地表水对普通混凝土无腐蚀性，但上、下坝址具有一定差异。

上坝址：右岸土层多为中等透水层，下伏基岩大多小于3 Lu，部分大于3 Lu。

下坝址：右岸土层为弱透水层，下伏基岩都小于3 Lu。

根据水文条件的影响规律，将其2级指标设定为透水性和腐蚀性。且结合透水性的局部特征，将其3级指标设定为土层透水性和岩层透水性两个指标。

5) 工程地质问题

库区修建，势必对坝区局部地形地貌造成局部改变，加之原有地质条件，极有可能诱发次生工程地质问题，因此，有必要对其稳定性进行评价研究，结合其特点，将其2级指标设定为坝基稳定性问题、渗漏问题和边坡稳定性问题。

6) 后期施工因素

本次研究虽是坝址筛选的初步研究，无法确切计算坝体成本，但也可根据坝体初步位置及类型进行初步判断，可将其2级指标设定为材料类型、材料运距及施工难度等三个因素。同时，据初步勘察，下坝址坝型为堆石坝；上坝址坝型为混凝土重力坝，以此为依据，判断后期施工因素对坝址筛选的影响。

根据前述影响因素分析，共计得到坝址筛选体系的1级指标有6个，2级指标17个，3级指标9个，具体指标可见表5。

2.3 坝址适宜性评价

根据前述基本原理，分别利用1-9标度法和模糊理论确定各评价指标的权值和隶属度，具体过程分述如下。

1) 权值求解计算

本文涉及指标较多，限于篇幅，以地形地貌因素的3个2级指标为例，详述权重求解过程。根据1-9标度法基本原理，得地形地貌因素2级指标河谷形态、山体对称性及河谷宽度的判断矩阵为：

(3)

通过计算，得到上述矩阵最大特征值为3.05，对应特征向量b=[0.218 0.520 0.826]，并求得其一致性比率CR=0.05<0.1，满足一致性检验要求。因此，对特征向量b进行归一化处理，所得地形地貌因素3个2级指标的权重如下：

[u1u2u3]=[0.139 0.333 0.528]。

类比上述计算过程，再对其他指标的权值进行计算，具体结果如表5所示。

表5 坝址筛选体系指标权值计算结果

2) 隶属度求解计算

根据模糊理论专家法求解各指标在不同等级上的隶属度值，并依据表3叠加处理，实现各影响因素的综合隶属度求解，结果如表6所示。

表6 坝址筛选体系指标隶属度计算结果

3) 坝址适宜性评价分析

根据上述评价指标权值及隶属度计算结果，可逐步计算各级指标的适宜性，通过3级、2级指标隶属度及权值计算，可得到1级评价指标的隶属度值，进而求得坝址适宜性得分。根据上述思路，将两待选坝址的计算过程分述如下。

①上坝址适宜性计算

如前所述，以上坝址隶属度及权值，计算得到上坝址1级指标的隶属度矩阵为：

(4)

根据前述矩阵计算，得到1级指标对应权值矩阵为：

再由矩阵A1和R1计算得到上坝址得分矩阵为：

最后，根据表4可得各适宜性等级条件下的得分向量E=[40 55 70 85 95]T，进而可以求得上坝址的适宜性得分为：

F1=U1E=80.91分。

②下坝址适宜性计算

如前所述，以下坝址隶属度及权值，计算得到下坝址1级指标的隶属度矩阵为：

(5)

根据前述矩阵计算，得到1级指标对应权值矩阵为：

再由矩阵A2和R2计算得到上坝址得分矩阵为：

最后，根据表4可得各适宜性等级条件下的得分向量E=[40 55 70 85 95]T，进而可以求得上坝址的适宜性得分为：

F2=U2E=82.00分。

对比上、下坝址的适宜性得分可知，两者均大于80分，说明两坝址条件良好，适宜于坝址建设；且下坝址相对优于上坝址，因此，推介下坝址为新松水库的拟建坝址。

3 结语

通过层次分析法对新松水库坝址适宜性的筛选研究，主要得出如下结论：

1) 水库坝址筛选是一个系统工程，需结合多方面影响因素综合确定，且层次分析法能有效实现坝址筛选的定量评价，进而利用其构建新松水库坝址筛选的合理评价体系，以便为后期决策提供指导。

2) 通过层次分析法得出上、下坝址相对各有优缺点，两者坝址条件均相对良好，适宜于坝址建设；且下坝址相对优于上坝址，因此，推介下坝址为新松水库的拟建坝址。

3) 由于坝址所处区域条件的差异及坝址筛选阶段的不同，其评价指标也应有所变化，本文模型推广应用中，应结合工程实际进行针对性研究，以保证结果的可信度。

4) 由于本文是基于坝址地质条件调查基础上的坝址初选，在工程地质问题、工程投资上缺乏定量研究，建议后续可进一步细化工程投资效益比的对比分析，以便更加全面指导坝址筛选工作。