基于AHP的水庫除險加固方案優選

趙偉鑫 張宏蕾 郝衛娟

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450011； 2.北京金河水務建設有限公司，北京 102206；3.石家莊啟光文化傳播有限公司，河北 石家莊 050000)

·水利工程·

基于AHP的水庫除險加固方案優選

趙偉鑫1張宏蕾2郝衛娟3

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450011； 2.北京金河水務建設有限公司，北京 102206；3.石家莊啟光文化傳播有限公司，河北 石家莊 050000)

運用AHP(層次分析法)對水庫的除險加固方案進行了定量分析，建立了層次分析法方案優選評估模型，對多套加固方案進行了綜合分析和比較，優選出了最終最優的目標方案，AHP為水庫除險加固方案的評估優選提供了一條有效的定量分析途徑。

病險水庫，層次分析法，權值，方案

根據《全國病險水庫除險加固專項規劃》統計[1]，全國共有病險水庫30 413座，共占水庫總數的36.3%，這些水庫大多數建于20世紀50年代～70年代，普遍都存在安全隱患問題，從而直接威脅著水庫的防洪安全和人民的生命安全。因此近年來國內組織有關知名專家從水庫的質量及管理運營、防洪標準、滲流、結構的安全性等主要方面對存在病險的水庫進行安全鑒定，并且針對病險水庫存在的眾多安全隱患問題提出了多套具體的解決方案。首先決策者需從工期、投資、安全等方面對方案進行分析評估，得到最優、最適合的方案來解決病險水庫的安全隱患。由于決策者在選擇最優方案時，可能受到外部其他因素的影響，導致無法迅速的做出正確判斷。因此為減小決策者的工作量及準確而迅速的確定最優的解決方案，決策者可運用AHP來處理此問題。AHP可從工期、投資、安全等方面分析各方案，從中幫助決策者迅速、正確的選擇出最優的方案來解決水庫病險問題。

1 AHP的原理與步驟

美國運籌家Saaty教授于20世紀80年代針對多方案、多目標問題，提出了一種實用的決策方法，即AHP。AHP作為決策工作具有明顯的優點，AHP[2，3]是一種分析層次權重決策的方法，將每個層次的各個因素按因素之間的支配關系分解為有序的遞階層次結構模型，并依據客觀現實判斷對模型中每一層因素的相對重要性給出定量的表示，然后再對每一層次全部因素相對重要性的權值加以確定，最終得到最低方案層相對最高目標層的重要性次序組合權值，從而可作為評估、優選方案的依據。AHP(層次分析法)評估優選最優目標方案問題分為4個步驟。其具體步驟如下[4-6]：

1)構造層次結構圖[4-6]。將實際問題深入分析，并且對最終目標方案、考慮因素和決策對象根據它們間的相互關系進行劃分，分別為最高層、中間層和最低層，從而構造出層次結構圖。

2)構造各層次的判斷矩陣A[4-6]。為解決確定各層次各因素之間的權重時，只是定性的結果，經常不易被人接受的問題，運籌家Saaty教授等人對此提出了一種新的解決方法，即判斷矩陣法，構造各層次的判斷矩陣A，判斷矩陣A形式如下：

在判斷矩陣A中i因素對j因素的重要性可用矩陣判斷標度(1～9標度法)表示。其中1，3，5，7，9表示i因素與j因素相比，前者比后者的重要性可分為同等重要、稍微重要、明顯重要、極其重要、強烈重要。2，4，6，8為介于兩種判斷之間的中間值。而其倒數表示j因素與i因素兩者相比，重要性可分別為相同、稍弱、弱、很弱、絕對弱。

3)層次單排序及其一致性檢驗[4-6]。

評估優選方案中同一層次因素相對于上一層次的某因素的重要性要進行層次單排序。首先要判斷同層因素對上層因素的權重，然后再檢查其一致性。其具體計算可如下：

a.權向量計算[4-6]：

4)層次總排序及其一致性檢驗[4-6]。

層次總排序是計算某一層全部因素對最高層(總目標)相對重要性的權值。其過程從最高層次最優方案目標到最低層次依次進行[7]。步驟可如下：

2 工程實例

2.1 病險水庫實例

某水庫位于某縣城的一個鎮境內，壩址位于淮河水系潢支下馬河上，是一座以防洪、灌溉為主，結合水產養殖等綜合利用的小(2)型水庫。水庫下游保護區內有0.5萬人、1 500畝農田，水庫的地理位置重要。水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、輸水洞等組成。大壩為均質土壩，壩頂高程100.9 m，最大壩高5.3 m，壩長147 m，壩頂寬度3.0 m，上游側新防浪墻，頂高程為101.50 m。溢洪道位于水庫左岸，為開敞式，由進口段、控制段、泄槽段、消力池組成，采用寬頂堰泄流，堰頂高程99.0 m，堰寬5.0 m，矩形斷面。

政府組織有關知名專家對水庫進行了安全鑒定。鑒定結果：大壩為三類壩，其中存在的安全隱患之一為壩體填土壓實不均，質量一般，存在散浸問題。經計算，壩體滲透比降不滿足規范要求。針對大壩滲漏問題，專家根據實際情況從工程投資、工程場地影響、施工技術等方面提出了多套大壩防滲加固方案。大壩防滲加固方案如下：

1)高噴灌漿防滲板墻方案。

高壓噴射灌漿是利用高壓泵使水獲得20 MPa～40 MPa的高壓后，從孔徑很小的噴嘴中噴射出來，以極高的速度沖擊破壞土體，從土體脫落下來的土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力作用下，與漿液混合，從而形成一定形狀，達到設計要求的固結體，起到加固或防滲的作用。

2)塑性混凝土防滲墻方案。

混凝土防滲墻是采用人工或機械成槽方式，在透水層內形成一道連續混凝土防滲墻，達到截斷透水層的目的。混凝土防滲墻也是一種成熟的壩基防滲方法，防滲效果好，幾乎適用于任何壩基地質。

3)深層攪拌樁水泥土防滲墻方案。

深層攪拌樁是利用水泥作為固化劑，通過特制的深層攪拌機械，在地基深部就地將軟粘土與水泥強制拌和，使軟土地基硬結成具有一定強度的水泥加固土。

2.2 運用AHP(層次分析法)分析病險水庫大壩防滲加固方案

1)AHP(層次分析法)從2.1中病險水庫實例中優選出一個最優的大壩防滲加固方案。病險水庫判斷的準則為工程投資、工程場地影響、施工技術的大壩防滲加固方案，對此運用層次分析法構建層次結構模型。模型如圖1所示。

2)構造判斷矩陣并計算。

a.構造準則B層對目標A層的判斷矩陣，判斷矩陣見表1。

b.構造方案C層對準則層施工技術B1的判斷矩陣，判斷矩陣見表2。

表1 準則B層對目標A層的判斷矩陣

最優方案施工技術施工投資施工場地W施工技術1350.616施工投資1/3140.287施工場地1/51/410.097

表2 方案C層對準則層施工技術B1的判斷矩陣

c.構造方案C層對準則層施工投資B2的判斷矩陣，判斷矩陣見表3。

表3 方案C層對準則層施工投資B2的判斷矩陣

d.構造方案C層對準則層施工場地B3的判斷矩陣，如表4所示。

表4 方案C層對準則層施工場地B3的判斷矩陣

3)計算層次總排序權值及判斷其一致性。

方案C1對總目標的權值為0.110×0.616+0.123×0.287+0.120×0.097=0.115。同理，方案C2、方案C3對總目標的權值分別為0.309，0.577。

運用層次分析法分析得到了最終的最優目標方案，即方案C3：深層攪拌樁水泥土防滲墻方案?？紤]到施工技術、施工投資、施工場地選擇等方面的原因，使用深層攪拌樁水泥土防滲墻方案解決上述病險水庫的大壩防滲加固比使用高噴灌漿防滲板墻方案和塑性混凝土防滲墻方案更好。

3 結語

病險水庫加固中針對病險問題提出的多套加固方案可能受到施工技術、施工投資、施工場地選擇等各方面原因的影響，當決策者選擇最終方案時，可能會受到某些因素的影響而未選擇出最優的方案。因此可運用AHP(層次分析法)解決此問題，AHP(層次分析法)可簡便、清楚的對加固方案提供一個最有效的定量分析途徑，對提出的多套加固方案之間進行綜合分析和比較，從而選擇出一個對總目標最優的方案，大大的減小了決策者受人為的主觀因素影響和其他因素影響，為決策者提供了重要的理論支撐和參考價值。

[1] 杜雷功，薛占群，張錫彭，等.全國病險水庫水閘除險加固專項規劃簡要報告[R].天津：水利部天津水利水電勘測設計研究院,水利部水利建設與管理總站,2001.

[2] 田林鋼，孫淑俠，孫明權，等.水利工程的風險分析與防范研究[J].人民黃河,2006,28(12):73-74.

[3] JN希德爾.工程概率設計:原理和應用[M].北京:科學出版社,1989.

[4] 楊 波，唐德善，盧興旺.基于AHP的河道整治方案優選[J].水電能源科學,2010,28(2):109-110.

[5] 李曉東，曾光明，梁 婕.基于層次分析法的洞庭湖健康評價[J].人民長江,2009,40(14):22-25.

[6] 康迎賓，康 鵬，張戰強，等.層次分析法在土料場選擇中的應用[J].大壩與安全,2011(4):49-52.

[7] 王篤波.深基坑支護工程優化設計[D].鄭州：華北水利水電學院,2007.

Optimal selection of reinforcement schemes for the revervoir based on analytic hierarchy process

ZHAO Wei-xin1ZHANG Hong-lei2HAO Wei-juan3

(1.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450011,China;2.JinheLimitedCompanyforConstructingWaterUtilitiesinBeijing,Beijing102206,China;3.ShijiazhuangQiguangCultureandCommunicationCo.,Ltd,Shijiazhuang050000,China)

This thesis adopts analytic hierarchy process for analyzing and evaluating the scheme of reinforcing the small reservoirs, based on which builds evaluation models of AHP optimal selection. By comprehensive analysis and comparison of more than one schemes, the most optimal one is selected. It show that AHP provides an effective path for quantitative analysis for optimal selection of reinforment schemes for small reservoir.

dangerously defective reservoirs, AHP, power value, schemes

1009-6825(2014)11-0259-03

2014-02-04

趙偉鑫(1988- )，男，在讀碩士； 張宏蕾(1988- )，男，助理工程師； 郝衛娟(1987- )，女,碩士

TV697.32

A