基于層次分析法的臺山核電新松水庫壩址篩選研究

魏海波

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

近年，隨著我國能源結構的調整，清潔能源被大量應用和需求，進而產生了大量的水庫工程，鑒于該類工程的重要性，有必要對其壩址進行針對性的篩選優化研究[1-2]。目前，已有大量學者開展了相應研究，如陳強標[3]、夏守寶[4]和甘澤[5]在對比壩址區各項工程地質條件的基礎上，分析了不同壩址選擇的合理性，以確定合適的壩址位置；張曉明等[6]則在壩址影響因素篩選的基礎上，構建了壩址合理性的評價體系，有效指導了后期施工；劉斌等[7]在工程布置優化基礎上，綜合考慮多種因素對壩址投資的影響，篩選了合理壩址；肖華波等[8]利用數值模擬評價了壩址岸坡穩定性，進而為壩址選擇提供了參考依據。上述研究均取得相應成果，如驗證了壩址篩選是多種因素綜合作用的結果，但上述研究多是側重于定性篩選壩址，缺乏定量評價研究。因此，該文以臺山核電站的附屬新松水庫為工程實例背景，利用層次分析法構建壩址篩選評價體系，再通過計算得到不同壩址適宜性得分，進而實現壩址篩選的定量評價，以便更好指導后期決策。

1 基本原理

水庫壩址篩選思路為：首先，利用層次分析法構建水庫壩址篩選評價體系；其次，分別利用1-9標度法和模糊理論確定各評價指標的權值與隸屬度；最后，利用R=P×C模型實現評價指標權值與隸屬度的疊加，進而得到壩址適宜性評分，達到壩址篩選的目的[9-11]。結合上述思路，將評價過程的具體方法分述如下：

1) 壩址篩選體系的構建

水庫壩址篩選是一個復雜的問題，不能用單一指標進行評價，需考慮多種因素的綜合效應，而層次分析法可實現不同層次指標的無量綱評價，進而適用于水庫壩址篩選。其壩址篩選評價體系的構建過程為：先結合工程實際，構建出影響壩址篩選的一級指標，該類指標應具有同等影響力，且互不干擾；其次，對各一級指標再進行細分，劃分出同等效應的二級指標，并以此類推，構建出樹枝狀的壩址篩選評價體系。

2) 評價指標的權重求解

采用1-9標度法確定同一等級指標的相對權重值，其過程如下：

①構建判斷矩陣

1-9標度法是通過對比兩兩指標間的相對重要性構建判斷矩陣，其構建標準如表1所示。通過構建得到的判斷矩陣屬互反矩陣，且各元素間的重要性僅代表兩兩指標間的關系，不具傳遞性。

表1 判斷矩陣的構建原則

②一致性檢驗及權重確定

如前所述，判斷矩陣是按兩兩指標的重要性構建，各指標間的相對重要性可能不一致，進而需對其進行一致性檢驗，即先求得最大特征值及其特征向量，求得判別指標CI：

(1)

式中λmax為最大特征值；n為評價指標個數。

將CI值與重要性標度指標RI值的比值作為一致性檢驗指標CR：

(2)

式中RI值可由表2求得，且CR值的判據為：若小于0.1，則說明判斷矩陣具有一致性，可以接受；反之，則需要重新構建判斷矩陣，直至滿足上述條件。

表2 重要性標度值

當滿足一次性檢驗后，歸一化處理最大特征值對應的特征向量，所得歸一化值即為相應評價指標的權重。

3) 評價指標的隸屬度求解

利用模糊理論確定各評價指標的隸屬度值，并將其實現方法確定為專家法，該方法可充分發揮專家工作經驗，實現不確定因素的定量轉變；由于不同專家的資歷及經驗存在差異，一般資歷越老、工程經驗越豐富的專家，其隸屬度評價結果的可信度相對越高；反之，隸屬度評價結果的可信度相對較低。因此，有必要對不同專家的隸屬度值進行折減區分，具體原則如表3所示。

表3 專家分類折減標準

4) 壩址適宜性等級劃分

根據前述指標權重及隸屬度求解結果，采用P×C法實現兩者疊加，進而求得壩址適宜度得分，并將得分進行區間劃分，以確定壩址的適宜性，其相應評分如表4所示。

通過表4的等級劃分，可將壩址篩選過程由定性評價轉變為定量評價，且所得評價結果可根據相應等級得到對應的適宜性結果。

表4 壩址適宜性等級劃分

2 實例分析

2.1 工程概況

新松水庫為臺山核電站的附屬水庫，在完成核電站供水的同時，兼顧下游段居民的日常用水。根據現場勘察成果，壩區處于曹沖河出山口處的開闊地帶，以低丘陵山區地貌為主，夾有少量堆積平原及河流地貌；地形總體呈南西側、南東側高，北東側低，起伏較大。

壩區出露第四系地層較為豐富，主要以殘坡積層、沖洪積層為主，巖性為粉質粘土、碎石土等，對大壩影響主要是在壩肩位置堆積，影響壩肩穩定性，并可能誘發次生工程問題；基巖出露主要以泥盆系老虎頭組砂巖、泥巖為主，下覆燕山二至五期的侵入巖。同時，根據區域地質資料，庫區近區域范圍內的地質構造主要呈北東向構造，其次為北西向構造，此外還有零星出露的東西向及南北向構造，且構造類型以斷裂構造為主，未見較大的褶皺構造。壩區內水文條件較為豐富，其中，地表水以曹沖河為主，其支溝呈樹枝狀分布，河流流量受季節影響，但總體流量滿足設計要求；地下水以孔隙潛水和基巖裂隙水為主，前者主要賦存于第四系土層中，后者最主要賦存于塊狀巖類風化帶中，其與地表水具有較為復雜的水力聯系。

2.2 壩址篩選體系的構建

由于新松水庫主要是向核電站供水，其重要性不言而喻，很有必要對其壩址進行優化篩選，根據現場初步勘察，確定了兩處待選壩址，即上壩址和下壩址，兩地相距約250 m，且鑒于壩址篩選的影響因素較多，并非單一因素作用的結果，為實現綜合評價，該文利用層次分析法構建其篩選體系，以合理評價兩處壩址的適宜性。

層次分析法構建篩選評價體系過程中，地形地貌、地層巖性、地質構造、水文條件等因素對壩址篩選具有同等影響力，因而將其設定為1級評價指標，并結合工程實際，將其影響過程及2級評價指標分述如下。

1) 地形地貌因素

上、下壩址位于曹沖河中下游一帶，具同一地貌單元，均屬低山丘陵地貌，結合勘察成果，將兩地的具體地形地貌分述如下：

上壩址：河底高程為5～7 m，目前河面寬度約為35 m；設計正常蓄水位為48.2 m時，水面寬約183 m。左、右兩岸山體相對對稱，其中，左岸山體高程約為110 m，山體渾圓，邊坡較陡，坡度約為25°～35°；右岸山體高程約為120 m，有較多沖溝，大多邊坡較緩，坡度一般為20°～30°。

下壩址：河底高程為4～4.5 m，河面寬度約為20～25 m；設計正常蓄水位為45.8 m時，水面寬約194 m。左右兩岸山體不對稱，其中，左岸山體高程約為125 m，山體雄厚，局部出露基巖，邊坡較陡，坡度約為25°～35°；右岸有一段長約200 m、高程為60～70 m單薄的條形山連接壩體，最高峰約135 m，坡度一般為20°～30°。

根據上述，兩待選壩址的地形地貌條件具有明顯差異，結合其現場條件，將其二級評價指標設定為：河谷形態、山體對稱性及河谷寬度，其三者均會一定程度上影響壩體長度及穩定性，如兩側山體對稱性越好，同等條件下的壩體穩定性越高；河谷寬度越寬，雖能保證庫容，但會增加壩體長度，進而降低壩體穩定性及增加造價。

2) 地層巖性因素

如前所述，兩待選壩址相距較近，進而其下覆基巖情況相近，均具有相差不大的物理力學性質，其地層差異主要體現在第四系覆土上。

上壩址：覆土厚度在13.1～38.0 m之間，最厚可達44.5 m；全風化帶厚為12.3～43.4 m，強風化帶厚為0.6～17.9 m，局部缺失，弱風化帶厚為22.5～27.5 m，部分鉆孔沒揭穿。

下壩址：覆土厚度一般在6.4～33.7 m之間；全風化帶厚為5.1～33.7 m，局部缺失，強風化帶厚為1.1～3.0 m，局部缺失，弱風化帶厚為1.9～39.7 m，部分鉆孔沒揭穿。

地層巖性對壩址篩選影響較大，結合工程經驗，將其二級評價指標設定為：地層巖性、覆土層厚度及風化層厚度。三者對壩址篩選的影響主要體現在對壩體穩定性的影響，若地層巖性越好，覆土層、風化層厚度越薄，壩體穩定性相對越好。

3) 地質構造因素

地質構造對壩址篩選影響重大，若壩址建于易發斷裂帶上，在蓄水誘發影響下，可能產生對壩體影響較大的地震，進而影響其正常運營。結合本次調查，壩區未見大規模的斷裂及褶皺通過，鉆孔揭露有小斷層、裂隙，且裂隙較為發育，其中，上壩址鉆孔揭露1條斷層構造，產狀不明；下壩址鉆孔揭露有4條斷層，裂隙連通性不好。

根據地質構造的影響，將其2級指標設定為斷層、節理裂隙及地震三個因素；同時，由于斷層及節理發育程度仍需進一步評價，將斷層的3級指標設定為條數、尺寸參數、充填情況及起伏度4個指標；節理裂隙的3級指標設定為條數、尺寸參數及起伏度3個指標。

4) 水文條件因素

庫區修建，勢必改變局部區域范圍內的水力聯系，進而原有水文條件對壩址篩選具有重要影響，據本次勘察成果，河中、左岸土層多為弱透水層，巖石透水率均小于3Lu，且地表水對普通混凝土無腐蝕性，但上、下壩址具有一定差異。

上壩址：右岸土層多為中等透水層，下伏基巖大多小于3 Lu，部分大于3 Lu。

下壩址：右岸土層為弱透水層，下伏基巖都小于3 Lu。

根據水文條件的影響規律，將其2級指標設定為透水性和腐蝕性。且結合透水性的局部特征，將其3級指標設定為土層透水性和巖層透水性兩個指標。

5) 工程地質問題

庫區修建，勢必對壩區局部地形地貌造成局部改變，加之原有地質條件，極有可能誘發次生工程地質問題，因此，有必要對其穩定性進行評價研究，結合其特點，將其2級指標設定為壩基穩定性問題、滲漏問題和邊坡穩定性問題。

6) 后期施工因素

本次研究雖是壩址篩選的初步研究，無法確切計算壩體成本，但也可根據壩體初步位置及類型進行初步判斷，可將其2級指標設定為材料類型、材料運距及施工難度等三個因素。同時，據初步勘察，下壩址壩型為堆石壩；上壩址壩型為混凝土重力壩，以此為依據，判斷后期施工因素對壩址篩選的影響。

根據前述影響因素分析，共計得到壩址篩選體系的1級指標有6個，2級指標17個，3級指標9個，具體指標可見表5。

2.3 壩址適宜性評價

根據前述基本原理，分別利用1-9標度法和模糊理論確定各評價指標的權值和隸屬度，具體過程分述如下。

1) 權值求解計算

本文涉及指標較多，限于篇幅，以地形地貌因素的3個2級指標為例，詳述權重求解過程。根據1-9標度法基本原理，得地形地貌因素2級指標河谷形態、山體對稱性及河谷寬度的判斷矩陣為：

(3)

通過計算，得到上述矩陣最大特征值為3.05，對應特征向量b=[0.218 0.520 0.826]，并求得其一致性比率CR=0.05<0.1，滿足一致性檢驗要求。因此，對特征向量b進行歸一化處理，所得地形地貌因素3個2級指標的權重如下：

[u1u2u3]=[0.139 0.333 0.528]。

類比上述計算過程，再對其他指標的權值進行計算，具體結果如表5所示。

表5 壩址篩選體系指標權值計算結果

2) 隸屬度求解計算

根據模糊理論專家法求解各指標在不同等級上的隸屬度值，并依據表3疊加處理，實現各影響因素的綜合隸屬度求解，結果如表6所示。

表6 壩址篩選體系指標隸屬度計算結果

3) 壩址適宜性評價分析

根據上述評價指標權值及隸屬度計算結果，可逐步計算各級指標的適宜性，通過3級、2級指標隸屬度及權值計算，可得到1級評價指標的隸屬度值，進而求得壩址適宜性得分。根據上述思路，將兩待選壩址的計算過程分述如下。

①上壩址適宜性計算

如前所述，以上壩址隸屬度及權值，計算得到上壩址1級指標的隸屬度矩陣為：

(4)

根據前述矩陣計算，得到1級指標對應權值矩陣為：

再由矩陣A1和R1計算得到上壩址得分矩陣為：

最后，根據表4可得各適宜性等級條件下的得分向量E=[40 55 70 85 95]T，進而可以求得上壩址的適宜性得分為：

F1=U1E=80.91分。

②下壩址適宜性計算

如前所述，以下壩址隸屬度及權值，計算得到下壩址1級指標的隸屬度矩陣為：

(5)

根據前述矩陣計算，得到1級指標對應權值矩陣為：

再由矩陣A2和R2計算得到上壩址得分矩陣為：

最后，根據表4可得各適宜性等級條件下的得分向量E=[40 55 70 85 95]T，進而可以求得上壩址的適宜性得分為：

F2=U2E=82.00分。

對比上、下壩址的適宜性得分可知，兩者均大于80分，說明兩壩址條件良好，適宜于壩址建設；且下壩址相對優于上壩址，因此，推介下壩址為新松水庫的擬建壩址。

3 結語

通過層次分析法對新松水庫壩址適宜性的篩選研究，主要得出如下結論：

1) 水庫壩址篩選是一個系統工程，需結合多方面影響因素綜合確定，且層次分析法能有效實現壩址篩選的定量評價，進而利用其構建新松水庫壩址篩選的合理評價體系，以便為后期決策提供指導。

2) 通過層次分析法得出上、下壩址相對各有優缺點，兩者壩址條件均相對良好，適宜于壩址建設；且下壩址相對優于上壩址，因此，推介下壩址為新松水庫的擬建壩址。

3) 由于壩址所處區域條件的差異及壩址篩選階段的不同，其評價指標也應有所變化，本文模型推廣應用中，應結合工程實際進行針對性研究，以保證結果的可信度。

4) 由于本文是基于壩址地質條件調查基礎上的壩址初選，在工程地質問題、工程投資上缺乏定量研究，建議后續可進一步細化工程投資效益比的對比分析，以便更加全面指導壩址篩選工作。