基于AHP模型的水利水电工程深基坑支护方案优选研究

孙 颖

(辽宁省彰武县水利事务服务中心，辽宁 彰武 123200)

深基坑支护的综合性强且技术较为复杂，它是一项涉及岩土和结构工程的复杂问题，为减少安全事故提高工程质量有必要优选决策最佳方案。因此，工程技术人员越来越注重深基坑支护的优选决策研究。通过归纳总结现有的文献资料发现，深基坑支护方案优选时比较注重因素层、目标层间的纵向关系，而考虑不同因素层间隐含关系的研究较少。由于不同因素间的依赖性较强，如安全性与经济性间存在密切关联，从而导致横向因素层信息缺失的问题在所难免，并给权重计算以及目标层横向关系带来较大的不确定性，这在一定程度上降低了评价目标的精准度。因此，本文考虑因素间的反馈性与依赖性特征，拟选用网路分析法(ANP)实现复杂结构的系统决策，并借助SD软件完成水电工程深基坑支护方案的优选。

1 优选方法

1.1 ANP原理

在ANP网络结构中每个元素或元素集用网络中的一个节点表示，不同元素之间均可存在相互作用关系，即每个元素都可能会受到系统中其他元素的支配或影响，其他因素也会受该元素的影响[1-3]。总体上，控制因素层与网络元素层属于构成典型ANP网络结构的两大层次，其中控制因素层中每个元素相互独立，该层次通常包括系统的准则及其优选目标，构造加权超矩阵的权重计算法与AHP基本类似；网络元素层的构成参数来源于受控制层，不同元素间存在的关系有：(1)若不同次准则下的两元素间不存在相互作用关系，则仅比较次准则下该元素的重要程度，由此确定的权重即为直接优势度；(2)若不同次准则下的两元素之间存在相互作用关系，此时两个元素在给定某一准则的情况下，比较确定的其影响第三个元素的程度即为间接优势度，这也是AHP法与ANP的主要区别。

1.2 优选决策流程

步骤1：明确目标、准则。详尽的描述决策问题，如待优选方案的子目标、准则、总目标及其参与者。深基坑支护方案的优选涉及范围广、覆盖因素多，且不同因素对方案优选的贡献具有较大的差异。通过总结分析国内外典型工程案例和相关技术理论，结合个人实践经验确定准则层包括施工、安全、经济、环保4大因素。显然，不同因素间具有明显的反馈与依赖关系。考虑ANP网络结构未确立此层次关系，按从下而上的次序先分析下一因素层，经反馈推演再确立准则层关系。

采用专家调查法和文献资料法，以深基坑支护方案为基础独立展开各准则层的特征分析，借鉴王永刚、郭涛、朱彦鹏、黄志全、秦泗清、冯庆高、徐杨青等文献资料，遵循系统层、独立性、层次性、可行性和科学性等原则构建深基坑支护方案决策体系，如图1。

图1 方案优选决策指标体系

通过综合比较专家调查法与文献资料法讨论子准则各因素间的关系，并注重分析其横向相互关系。针对子准则层中的因素利用列表法统计分析，从而绘制相互关系表，如表1。该过程属于一种改进的AHP层次分析，由于考虑子准则层的横向关系能够提高方案决策的精准度，减少决策过程中有效信息的丢失，故显著影响着决策管理。

表1 各因素的相互关系表

考虑以下几种情况深入分析以上关系：(1)子准则层中的因素与所对应的准则层间的相互作用关系；(2)不同因素隶属于同一准则层的相互作用关系；(3)部分因素所携带的来自于自身的作用关系。例如，支护结构强度和变形要求(e13)受结构设计理论陷阱性和可行性(e11)的影响表示为Re13e11=1。

步骤2：构造网络结构。结合深基坑支护方案设立的决策准则和目标，按照ANP原理构建相应的网络结构。各决策方案的一级评价指标(准则)以及支护方案的决策目标组成控制层，而准则与目标的下属元素组或元素组成网络层，其相互作用关系利用箭头表示。

步骤4：权重超矩阵的构造。考虑到仅仅标准化处理了这些超矩阵的子块矩阵Wij，而并未归一化处理超矩阵，因此不能直接确定各元素的优先权，也无法确定主准则权重。所以，仍需两两比较各个元素组，从而构造相应的权重超矩阵。通过归一化处理元素组Cj的两两判断矩阵aj可以获取其特征向量(a1j，a2j，…，aNj)T，即：

根据以上运算法则，构造元素组在某一主准则下的控制层中的相互关系权重矩阵，其表达式为：

由此以来，运用乘积法处理无权重超矩阵与权重矩阵即可确定相应的权重超矩阵，其表达式为：

步骤6：综合排序。根据各准则权重对每一控制准则的极限向量加总确定相对极限优先权的综合排序，其中各决策方案权重的加总属该过程的关键环节，通过优选排序各决策方案的权重值即可实现方案的决策。

2 实例应用

2.1 方案设计

阜新市某水电工程位于柳河干流上，水利枢纽以防洪排涝、农田灌溉为主，兼具水力发电、水产养殖和改善生态环境等功能，有利于减轻下游洪水灾害损失及维护绿色廊道生态环境，对提升河流防洪能力和促进区域经济发展发挥着重要作用。水电站建设过程中其基坑开挖存在以下特点：(1)基坑的边长较长、深度较深，施工过程中具有明显的空间效应；(2)为满足度汛要求其时间效应明显，施工周期长、土方量大且穿插桩基施工；(3)水力坡度及水位降深的控制要配合截流措施完成，此外应创设符合安全施工的干地作业环境；(4)为保证工程的顺利实施需配合变形及水位观测，故该工程属于一类基坑[4，5]。通过勘察设计初步拟定了三个深基坑支护方案，具体如下：

方案一：旋喷止水帷幕+复合土钉墙，旋喷止水帷幕选用水灰比为0.46的水泥浆喷射液，成桩直径和钻孔间距均设计成0.8 m。

方案二：外嵌高压旋喷桩止水帷幕+桩锚支护+土钉护坡，其中土钉的横、竖向间距均为1.2m，土钉长7.0 m，面层厚80 mm，土钉墙高度5.0 m；加强筋和网片筋为双向Φ14@1200、双向Φ10@200，砼等级C20。

方案三：旋喷止水帷幕+一道锚杆+先开挖有限放坡排桩。采用长6.0 m、水平间距2.0 m的打入式土钉实行2.00 m放坡开挖2，喷射混凝土挂网片灌注桩经900 mm，间距1.6 m；设计桩身强度C25、桩长30 m，桩身配箍筋Φ14@200、配纵筋22Φ32；冠梁高0.5 m、宽1.0 m，配箍筋Φ10@200、配纵筋18Φ16，按照方案一设计旋喷止水帷幕。

2.2 初步分析

初步分析过程中拟选用专家评分法，从环境影响、建设工期、成本造价、安全可靠的角度定性分析3个支护方案，即邀请评审专家结合工程实际情况逐项对参评指标给予评分，从而确定各一级指标在3个方案中的评分，不设置权重且以10分为满分。本文充分考虑评审专家的反馈意见以及各一级指标的评分值，经计算确定评分均值与比选结果如表2。

表2 初步评选情况

初步比选时各指标间具有一定的反馈关系和依赖特性，所以方案评分中无法直接确定各指标的权重，由此使得定性分析不能直接的优选出最佳方案。

2.3 深基坑支护方案优选

从定量的角度对深基坑支护方案利用ANP模型进行优选决策，并借助SD软件完成相应的计算，其实现流程为：(1)运用SD软件和ANP方法，结合深基坑支护实际情况构建ANP网路结构；(2)将元素间、元素组间的关系采用内外专家群体打分法逐一比较，并利用专家议评法与问卷调查法对优势度打分，如以施工技术的先进性e31为准则评价经济可行性C2元素之间的优势度(如表3)，使用SD软件输出相应的打分值；(3)极限超矩阵、加权超矩阵和未加权超矩阵的构造利用SD软件来完成，在此基础上排列决策方案的综合优势度。

表3 经济可行性与施工技术先进性判断矩阵

将深基坑支护方案按照SD软件输出结果进行排序，即方案一、二、三的综合评分为0.367 08、0.487 61、0.148 23。结合深基坑支护方案的决策流程可知，在施工可行性与安全可靠性方面方案二达到最优，而在环境影响与造价经济性方面方案一达到最优，故不能直接、主观的单从定性角度判定最优方案为方案二。该条件下，要对各因素与决策方案之间的关系以及因素层之间的横向关系重点研究，利用ANP网络结构模型比较两两因素之间的相互关系，通过对各方案及因素加权权重的计算构造极限超矩阵和加权超矩阵，由此科学合理的确定最优方案。

从定量与定性两个角度考虑深基坑支护方案的决策，依据初步分析中的定性评判可以验证ANP的定量分析结果，从而保证方案决策的科学合理性[6]。

3 结语

本文利用充分考虑因素间横向关系、因素层与目标层纵向关系的ANP网络分析模型，并借助超级运算SD软件构造方案决策的网络结构，实现了各个方案的优劣排序和综合优势度计算，保证了决策结果的科学合理性。由此表明，在优选深基坑支护方案时网络分析模型具有一定的实际应用价值，保证排序结果的有效性、准确性；此外，在同类工程管理决策和方案优选中该方法也具有一定参考价值。