堆石混凝土技术适用性评价研究

郑文勇

(福建省水利投资开发集团有限公司，福建 福州 350011)

1 引 言

堆石混凝土技术在近些年来得到了广泛的应用。在工程实践中，堆石混凝土依靠自身独特的施工工艺，在水泥用量、水化热、密实度与强度保证率、结构稳定性、施工速度、节能环保等方面相对传统混凝土有较大的优势[1-4]。堆石混凝土技术基础理论的研究随着工程应用在不断发展，已经在抗压、抗拉、抗裂、抗剪、抗渗、抗冻、绝热温升等宏观性能试验方面取得了丰富的研究成果[5-9]。堆石混凝土技术相比其他混凝土技术的特性明显，例如无须振捣，机械化程度高，工期短，成本低[10-16]。堆石混凝土在我国境内已经有诸多实施案例，累积了大量的现场经验。例如，围滩水电站坝型原设计为浆砌石重力坝，由溢流坝段、非溢流坝段及冲沙闸段组成，结合本工程材料价格情况，经分析，采用堆石混凝土方案相比原方案成本增加很少，但可以大大加快施工进度，并保证工程质量，因此堆石混凝土技术开始在围滩水电站应用。堆石混凝土技术在围滩水电站的使用，大大减少了人工施工带来的质量隐患，保证了施工进度与质量。原来计划近百人的施工队伍精简到20多人，施工速度反而提高了4倍。作为一种新型的混凝土筑坝技术，相比传统混凝土技术，一方面特征优势明显，另一方面对外部因素影响更敏感，诸如地形地质、地材供应、环境气候等因素[14-20]。经过十余年的发展，堆石混凝土技术已经有了长足的发展，应用领域也在不断地扩大，但是堆石混凝土构筑物及产业链仍然处于初始阶段，并且缺乏一套科学、适用的标准体系，无法支撑堆石混凝土技术生产体系及产业链运作。目前，我国对堆石混凝土技术适用性分析评价方面的研究较少，缺乏一套科学、适用的评价体系，难以科学地指导生产实践。

工程实践中，对堆石混凝土技术方案选择和建设的评价，往往只能依靠工程经验来定性分析评价，无法按理论计算来定量分析评价。现实情况既给工程技术人员造成了技术分析评价的困扰，也不利于堆石混凝土技术的工业化推广运用。因此，在工程建设实践中需要研究创新一套科学合理的堆石混凝土技术适用性评价体系，实现从经验定性分析提升到数据定量分析的突破。

综上，堆石混凝土技术的适用性评价体系完备与否，不仅直接对工程的质量、安全、节能环保等方面有影响，还会影响工程的投资效益、施工效率以及社会效益等。堆石混凝土技术适用性评价体系的建立及其专家系统的构建是当前亟待研究的问题，因此，本文以堆石混凝土技术为研究对象，对其适用性评价体系进行研究，并给出能够评判其适用程度的专家系统，该专家系统可以对今后的项目实施提供定量的评判，并结合项目最终的实施结果进行不断的反馈和完善。

2 堆石混凝土技术适用性评价研究思路

为将堆石混凝土技术适用性评价由传统经验定性评价升级为理论计算定量评价，拟采用基于层次分析法的模糊综合评价法等数学方法对堆石混凝土技术适用性进行量化评价，评价指标根据工程积累经验，通过综合调研分析统计获取，再通过建立BP神经网络数据模型进行智能优化，从而实现量化评价和信息反馈。

2.1 通过数学方法进行模糊评价

针对工程实践中对堆石混凝土技术适用性难以定量分析评价的现状，将基于层次分析法的模糊综合评价法应用于堆石混凝土技术适用性的量化评判，构建堆石混凝土技术适用性评价体系的专家系统，给出堆石混凝土技术的定量评判值。应用模糊关系合成，从多个因素对评价对象隶属等级状况进行综合评价。

2.2 通过实践经验确定评价指标

根据工程经验，采用调研、座谈、问卷调查等形式，与设计、监理、施工及高校相关的专业技术人员沟通交流后遴选确定评价指标。并以模糊数学、模糊线性变换原理和最大隶属度原则为基础，对影响评价体系的各个评价指标因素进行优劣、等级评价，将不确定性(非量化因素)在形式上转化为确定性(量化结果)。

2.3 通过BP神经网络算法优化指标体系

针对后续工程技术的进步和发展，通过采集施工阶段和运营阶段的数据，在BP神经网络算法的框架下建立堆石混凝土技术适用性评价的大数据分析模型，根据技术进步的需要逐渐重新分配各级指标的权重，使得堆石混凝土技术的适用性评价体系更加完善。

3 适用性评价体系的评价方法

3.1 模糊综合评价法

首先确定被评价对象的因素(指标)集u={u1,u2…,un}和评判(等级)集v={v1,v2…,vn}；再分别确定各个因素的权重及它们的隶属度向量，获得模糊评判矩阵；最后把模糊评判矩阵与因素的权向量进行模糊运算并进行归一化，得到模糊综合评价结果。

3.2 模糊综合评价法的模型及步骤

根据评价因素的属性将评价因素分成若干级u={u1,u2…,un}。确定被评价对象各评价结果集合的评价等级。采用层次分析法，根据各个因素的重要性结合数学模型运算确定权重。对被评价对象的每个因素ui进行量化,即确定从单因素来看被评价对象对各等级模糊子集的隶属度，进而得到模糊关系矩阵。利用合适的合成算子将权重集与模糊关系矩阵合成得到各被评价对象的模糊综合评价结果向量。

3.3 层次分析法确定评价因素权重步骤

a.评价指标层次化。按照评价指标间的相互影响以及隶属关系，将指标层次的递阶由高到低分为目标层、准则层和指标层，其中上一层次指标对下一层次指标起支配作用。

b.建立判断矩阵。找出所有因素两两比较的结果，并且把它们定量化；然后再从所有两两相对比较的结果之中求出多因素综合比较的结果。比较结果分为5种等级：相同、稍强、强、明显强、绝对强，应用1～9个数字尺度来进行定量化。

c.层次排序以及一致性检验。同一层次指标对于上一层次某一个指标相对重要性的权重值的排序，即层次单排序。需计算一致性指标CI，进行层次单排序一致性检验。层次总排序权重可通过自上而下地将层次的排序权重合成获得，并进行一致性检验，确认层次总排序结果一致性。

4 堆石混凝土技术适用性评价体系及指标分析

4.1 堆石混凝土技术适用性评价体系

根据评价指标体系建立原则，构建堆石混凝土技术适用性评价体系，按层次分析法分为目标、准则和指标三个层。目标层为反映适用度的评价体系指标；准则层按措施准则设置了五个中间环节指标；指标层则在准则层下细分了共25个评价指标。

a.目标层。目标层为堆石混凝土技术适用性评价体系，用以反映影响堆石混凝土技术的适用度指标。

b.准则层。准则层包括对象、易用性、有效性、可靠性和经济性五个指标，分别用B1,B2,B3,B4,B5表示。

c.指标层。指标层共包括25个评价指标，从对象性、易用性、有效性、可靠性和经济性五个方面分别表示影响堆石混凝土技术适用性的主要因素。

ⓐ对象性指标：建筑物级别U1，结构功能U2，社会效益U3，环境评价U4；

ⓑ易用性指标：地形条件U5，施工企业等级U6，施工机械化程度U7，重要材料供应能力U8，气候条件U9，地质条件U10；

ⓒ有效性指标：混凝土强度等级U11，热效应U12，干缩性能U13，抗渗性能U14，抗裂性能U15，抗震性能U16；

ⓓ可靠性指标：施工难易程度U17，施工风险等级U18，施工组织能力U19，施工工期计划U20；

ⓔ经济性指标：堆石骨料料场储量U21，施工材料本地成本U22，材料供应能力U23，施工交通运距U24，本地人工成本U25。

4.2 指标权重分析

a.准则层指标权重分析。准则层包括对象性、易用性、有效性、可靠性和经济性5个方面。通过综合分析评价，各指标的重要性排序依次为对象性、易用性、有效性、可靠性、经济性。通过计算一致性指标判断矩阵的一致性。按照层次分析法确定权重的原理，计算最大特征值的归一化特征向量，对应得到准则层中单层次各指标权重。在此基础上，对五个方面指标逐一分析，获得各指标的对应权重分布。

b.总层次指标权重和总排序。对总体进行一致性检验，从而确认层次总排序结果的一致性。根据计算获得的准则层5个方面的权重，25个评价指标的权重，进行权重总排序，从而获得堆石混凝土适用性评价总层次各指标权重分布。

4.3 评价等级值域划分

a.评判集的确定。工程评判集划分为V={完全适用，适用，不适用}。

b.评价集值域的划分。按照对象性、易用性、有效性、可靠性和经济性5个方面共25个评价指标分别划分标准，确定隶属度函数和隶属函数分布。各指标的划分标准见表1～表25。

建筑物级别划分标准见表1。

表1 建筑物级别划分标准

结构型式划分标准见表2。

表2 结构型式划分标准

社会效益适用性评价标准见表3。

表3 社会效益适用性评价标准

环境评价适用性评价标准见表4。

表4 环境评价适用性评价标准

地形条件适用性评价标准见表5。

表5 地形条件适用性评价标准

施工企业等级适用性评价标准见表6。

表6 施工企业等级适用性评价标准

施工机械化程度适用性评价标准见表7。

表7 施工机械化程度适用性评价标准

重要材料供应能力适用性评价标准见表8。

表8 重要材料供应能力适用性评价标准

气候条件适用性评价标准见表9。

表9 气候条件适用性评价标准

地质条件适用性评价标准见表10。

表10 地质条件适用性评价标准

混凝土强度评价适用性标准见表11。

表11 混凝土强度适用性评价标准

热效应适用性评价标准见表12。

表12 热效应适用性评价标准

干缩性能适用性评价标准见表13。

表13 干缩性能适用性评价标准

抗渗性能适用性评价标准见表14。

表14 抗渗性能适用性评价标准

抗裂性能适用性评价标准见表15。

表15 抗裂性能适用性评价标准

抗震性能划分标准见表16。

表16 抗震性能划分标准

施工难易程度适用性评价标准见表17。

表17 施工难易程度适用性评价标准

施工风险等级适用性评价标准见表18。

表18 施工风险等级适用性评价标准

施工组织能力适用性评价标准见表19。

表19 施工组织能力适用性评价标准

施工工期计划适用性评价标准见表20。

表20 施工工期计划适用性评价标准

堆石骨料料场储量适用性评价标准见表21。

表21 堆石骨料料场储量适用性评价标准

施工材料本地成本适用性评价标准见表22。

表22 施工材料本地成本适用性评价标准

材料供应能力适用性评价标准见表23。

表23 材料供应能力适用性评价标准

施工交通运距适用性评价标准见表24。

表24 施工交通运距适用性评价标准

本地人工成本适用性评价标准见表25。

表25 本地人工成本适用性评价标准

c.指标评价值域划分。规定指标值越大，适用度越高，为正效应，符号为“+”；指标值越小，适用度越高，为负效应，符号为“-”。汇总见表26。

表26 各个指标评价值域划分

说明：当建筑物级别为I级时，输入0.5；当建筑物级别为Ⅱ级时，输入0.6；当建筑物级别为Ⅲ级时，输入0.75；当建筑物级别为Ⅳ级时，输入0.85；当建筑物级别为V级时，输入1。抗震性能：当抗震设防烈度为5时，输入0.85；当抗震设防烈度为6时，输入0.8；当抗震设防烈度为7时，输入0.75；当抗震设防烈度为8时，输入0.7；当抗震设防烈度为9时，输入0.65。

5 堆石混凝土技术适用性评价成果及应用

5.1 模糊综合评价法的实施流程

本文建立的基于模糊综合评价法的堆石混凝土技术适用性评价方法流程见图1。

5.2 堆石混凝土技术的适用性评价分级标准

将堆石混凝土技术适用性评价标准划分为三个等级，不同评价等级与适用度的关系及适用性评价见表27。

堆石混凝土工程在确定各评价指标参数值后，经模糊综合评价法分析，最终可以得到一个定量的适用度数值，从而确定该堆石混凝土工程的适用等级。

5.3 堆石混凝土技术适用性评价软件

对堆石混凝土工程，基于模糊综合评价法进行技术适用性定量评价，为便于操作，编制了堆石混凝土技术适用性评价软件，软件系统包含基于层次分析法和综合模糊评价法的适用性评价系统，以及基于BP神经网络的反馈调节模块，其软件界面见图2。建立了基于大数据分析的堆石混凝土技术评价系统。

图2 堆石混凝土技术适用性评价软件主界面

利用开发的堆石混凝土技术适用性评价软件，建立BP神经网络训练数据库，得到训练好的net网络；利用sim函数进行预测。随着技术发展，可根据工程经验进行修正，建立新的数据库，重新训练得到新的net网络以完善预测。

堆石混凝土技术适用性评价体系建立后，先后在福建省的黄沙坑水库堆石混凝土重力坝、坪坑水库堆石混凝土重力坝、九九坑水库堆石混凝土重力坝等工程建设中进行了适用性分析评价应用，取得良好效果。例如在已竣工的黄沙坑水库堆石混凝土大坝的适用性评价中，25个指标经提取信息、选定取值后，输入堆石混凝土技术适用性评价软件，输出结果见图3。

图3 黄沙坑水库大坝项目的适用性分值的输出

运算得适用度数值为0.8356，适用等级为适用(高度)，等级为Ⅱa。验证了堆石混凝土适用性评价系统的科学合理性。

6 结 语

本文通过建立堆石混凝土技术适用性评价系统的理论框架，对评价指标体系的层次框架进行了定量化设计，选定了适用性评价指标的定量模型，构建了堆石混凝土技术适用性评价体系的专家系统，建立了BP神经网络数据模型，开发了堆石混凝土技术适用性评价软件，实现了对堆石混凝土技术适用性的科学量化评价，为堆石混凝土技术的进一步推广应用，提供了评价体系理论支持。