价值工程及层次分析法在小型水库除险加固中的运用

张有文，陈金辉，李建玲，秦 杰

(红河州水利水电工程建设质量与安全监督站，云南 红河 661100)

截至2017年12月31日，我国已建成的各类型水库总数量约9.88万座，其中小型水库数量约9.41万座，数量占比为95.24%，坝型以土石坝为主。我国超80%的水库建设于20世纪50—70年代，受限于当时的经济水平和技术条件，水库大坝建设存在建设标准低、设计方案不尽合理、工程质量差、安全隐患多等问题，再加上后天管护不力等因素，导致我国水库病险率较高。从以前溃坝的统计来看，在全部溃坝事件中小型水库溃坝占绝大部分，土石坝溃决问题是我国大坝安全管理中首要值得重视的问题。由于先天不足、后天失养，小型水库安全隐患依然突出，病险水库是“十四五”时期防汛薄弱环节。进行大规模的水库除险加固工作，是有力有效保障水库安全的重要措施。[1- 5]

近些年来已对近7.2万座病险水库进行除险加固，但随着岁月推移，仍有许多水库陆续进入病险行列，加强对病险水库加固已成当务之急[6]。水库除险加固对社会经济效益特别显著，项目的资金来源与资金保障便是实施的关键[7]。然而，在水库实施除险加固的过程中，项目资金是国家定额补助，受疫情影响地方财政困难，配套资金筹集滞后，导致项目资金难以足额按时到位保障项目实施。面对这种情况，往往就需要对水库除险加固各项工程措施进行资金的优化配置分析，确定水利工程除险加固措施实施的优先级别。

1 价值工程及层次分析法

价值工程(value engineer，VE)又称价值分析(value analysis，VA)，是综合利用科学的方法、技术和工具，对一项产品、工程或服务进行的以价值为指导、功能分析为核心的系统分析和研究。价值工程的主要内容是处理好价值(V)、功能(F)和成本(C)三者之间的关系。价值工程的主要功能是对不同功能和成本组合及其运动趋势和方向进行定性和定量分析与比较，即评价功能，同时也具有决策功能[8]。

价值工程的基本原理是评价并处理功能与费用的关系，并对评价指标进行量化分析，利用价值系数的大小对建设项目进行判断。目前确定权重的方法分为主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法包括环比评分法、强制评分法；客观赋权法包括层次分析法、多目标距离最大法。对于层次分析法(AHP)，还有更为改进和拓展的网络层次分析法(ANP)。其中层次分析法(AHP)在分析决策问题时，通过把目的层、准则层和方案层进行条理化和层次化的梳理，构造递阶层次的分析结构模型，具有分析维度高，结构层次清晰且有序，计算较为方便，能够降低权重确定的主观性，适用于决策分析等优点。层次分析法是对定性问题定量分析，能解决多目标决策分析和复杂结构的决策问题的多准则决策方法[8- 11]。

2 价值工程分析对水库除险加固工程优先级决策的作用

价值工程分析方法在水利工程建设项目的各个阶段均有广泛的运用，对方案比选、设计优化、项目决策等方面效果显著、意义重大[12]。对于水库工程除险加固工程实施优先级决策，运用层次分析法以及价值工程评价方法具有以下优点：各项工程措施均能相对独立地对除险加固的目的产生作用，与层次分析法递阶有序的特点相吻合；层次结构分为目的层、准则层、方案层，与水库除险加固的目的，功能准则、措施方案相吻合；相较于主观赋权法，层次分析法用更高维度降低了权重确定的主观性；层次分析法下的判断矩阵较容易构建，同时分析方法简便、灵活，决策功能实用，与用于项目实施顺序优先级决策相适应；价值工程评价方法对项目实施优先级决策具有简单明了，具有说服力的特点。

3 工程实例

3.1 工程现状

3.1.1工程概况

水塘哨水库位于开远市羊街乡卧龙谷村，是一座以农业灌溉为主的小(1)型水利工程。水塘哨水库总库容135.85万m3，设计灌溉面积2500亩，实际灌溉面积500亩。工程等别为Ⅳ等，规模为小(1)型，主要建筑物大坝、输水涵管、输水(泄洪)隧洞为4级建筑物，其他次要建筑物为5级建筑物。大坝坝型为均质土坝，最大坝高20.3m，坝顶长151m，坝顶宽5.0m。

3.1.2除险加固意见

针对水塘哨水库大坝存在的主要病险问题和大坝的安全鉴定结论，提出以下加固意见和建议：①对左坝体、左坝基及左坝肩进行防渗处理；②对坝体进行加固培厚处理，并增设倒滤体；③封堵输水涵管，新建输水(泄洪)设施；④增设枢纽区安全监测设施。

3.2 层次分析法计算步骤

通过建立递阶层次模型、构造判断矩阵、计算单一准则下元素的相对权重、一致性检验、计算各层元素对目标层的合成权重[13- 14]。参考文献[14]中的方法计算开远市水哨塘水库除险加固工程各项措施在决策分析中的综合权重。

(1)水库除险加固工程评价因子的确定

水库除险加固工程评价可以从水库除险加固功能对除险加固目的的重要性程度来考虑[15- 16]，从而为水库除险加固工程措施的优化配置及分析提供依据。

(2)建立递阶层次结构模型

结合工程实际，将开远市水哨塘水库除险加固工程中的除险加固工程措施与功能准则分类分项梳理出来。共梳理出4项主要功能评价准则，5项主要除险加固工程措施。建立递阶层次结构模型如图1所示。

图1 开远市水哨塘水库除险加固工程递阶层次结构模型

(3)构造判断矩阵

表1 判断矩阵标度及含义

综合水库工程现状、病险情况、大坝安全鉴定结论以及除险加固设计的具体工程措施等因素，模拟水库除险加固工程措施(方案层)→除险加固功能(准则层)→除险加固目的(目标层)对递阶层次结构的重要性评分，按9分制标度法逐阶进行评分。通过统计分析，形成各个层次的判断矩阵见表2—6，并采用层次分析法计算得到各评价因子的权重。

表2 除险加固评价判断矩阵

表3 不同措施防洪功能判断矩阵

表4 不同措施输水功能判断矩阵

表5 不同措施防渗功能判断矩阵

表6 不同措施坚固稳定功能判断矩阵

(4)计算各层元素对目标层的合成权重及一致性检验

各层元素对目标层的合成权重见表7。

表7 各层元素对目标层的合成权重

进行目标总排序一致性检验：CR=0.0396<0.10满足条件。

3.3 进行重要性决策权重值与投资权重值比较

图2 开远市水哨塘水库除险加固工程价格比重与总权重对比图

表8 价值工程法对功能项目的价值系数量化评价

3.4 综合分析

3.4.1分析结论

以各项水库除险加固工程措施功能评价系数(合成权重)、目标成本、成本系数和价值系数综合分析，对该项目工程项目实施优先级决策顺序有以下建议：

(1)由于新建水库管理所、新建安全监测设施及水情测报系统投资较小，故挑出投资成本占比较大的其他三项工程措施，综合可得实施顺序的优先级为帷幕灌浆>新建左岸岸坡排水沟及坝脚排水体>新建输水泄洪隧洞及涵管封堵。

(2)新建水库管理所、新建安全监测设施成本低，价值系数高，故可在不影响工程施工的情况下同步优先施工。新建输水泄洪隧洞及涵管封堵的简化价值系数虽小于1，但实际价值系数并不小于1，其功能评价系数最高，价值系数却最低，综合分析在项目资金难以足额按时到位保障项目实施时，为充分发挥工程效益，其实施优先级别调整为最低。

3.4.2优化建议

(1)水库除险加固工程措施在梳理时需为相对独立的工程措施。如本工程中新建输水泄洪隧洞及涵管封堵在此次除险加固工程措施中作为不可分割的工程措施，故不可单独分列为两项措施。

(2)建立递阶层次结构模型时，各层次元素要递阶且有序，元素内部相互独立，同一层次中任意两个元素之间不存在从属和支配的关系，不相邻的两个层次中的任意两个元素也不存在支配关系，且层次内部独立[10]。

(3)每一层次中各元素支配的元素不宜过多，否则将对各元素对上一层次的元素相较评分时产生较大的思维困难[11]。

(4)9分制标度法作为层次分析权重计算方法常用方法，可以在进行各元素对上一层次相较评分时，先选出各元素中重要性程度相差最大的2个元素打9分，再根据相对的重要程度对剩余两两比较的元素在1～8分的标度打分，这样可以使9分制标度法的评分精度更高。如对某层次所有元素对上一层次某个元素在9分制标度法下最高只打出5分，则相当于只使用了5分制标度法，造成比较时评分的重要性精度下降，从而最终合成权重的精度也随之下降。

4 结语

在水库除险加固工程中，往往由于资金缺乏，资金筹集困难等不可抗因素，造成制约水库除险加固工程如期完整实施。此时，就需要在现有有限资金条件下，对工程项目分期或分年度实施，须对实施顺序优先级别进行决策，最大程度地满足当下的使用功能，提高工程价值，发挥工程效益，使资源得到优化配置。实施层次分析法以及价值工程评价方法对决策水利工程除险加固措施实施的优先顺序具有模型和结构适应性，能发挥层次分析法和价值工程评价方法的优点，具有方法简便、结构清晰、实用性强、结果直观以及降低权重主观性的特点。本文通过实例分析，为小型水库除险加固工程措施的实施顺序优先级别提供了建议，并为层级分析法提出分析重点和分析建议，对水库除险加固工程实施资金优化配置分析具有借鉴意义。