馬灘水閘改擴建工程地基建設的評估決策模型研究

陳錦橋

(廣州市水電建設工程有限公司，廣東 廣州 510600)

1 基于價值工程模型的多目標層次模糊評價方法

1.1 價值工程理論

價值工程評估模型指為實現提高價值的目標所進行的一系列分析研究的活動。價值工程中的“價值”是指作為某種產品(或作業)所具有的功能與獲得該功能的全部費用的比值，可用公式表示為：

V=F/C

(1)

式中：V為價值；F為功能，即對象所需要的功能；C為獲得功能的成本(全部費用)，即對象在壽命周期內所發生的一切費用。

1.2 權重分配

利用層次分析法傳遞信息的方法將同層因素之間對上層某因素的重要性進行評價，構成判斷矩陣，判斷矩陣又由各因素相對重要性的比值構成，比較結果的量化分值可見表1。

表1 1-9標度法表

1.3 評估評語的量化處理

1.3.1 引入評語評價變換矩陣

設評價因素集為U，本工程中U的內容如下：

U={與河流、水文、地形、地質條件的適應情況，與水閘建設方案的適應情況，實施條件是否具備，工期能否滿足要求，施工工藝復雜程度，施工強度要求，施工工藝及技術的成熟程度，固結穩定性，沉降控制，地基承載力及水平側向力[1]，抗地震液化，周邊環境影響(如水質、空氣、棄渣、噪音及振動對周邊建筑及居民影響等)，施工期水情突變的應對情況，不可預見地質問題的應對情況，施工條件突變的應對情況。

設決策集Z={-3,-2,-1,0,1,2,3}，由時間經驗或邏輯推理得到一個從U到Z的映射。將映射表的全體向量并列起來得到矩陣Ri稱為專家評語隸屬度變換矩陣，見表2。

表2 專家評語隸屬度變換矩陣

1.3.2 計算評語隸屬度G

對每一個Ui按照多目標層次模型進行綜合評判，將15個Ui對應的重要程度子集設為Ai，按照表2專家評語隸屬度變換矩陣，計算評語隸屬度G和地基處理方案功能評價系數F：

G=A·R

(2)

F=GDT

(3)

式中：A為15個U對應的重要程度(權重值)子集；R為評價矩陣；G為評語隸屬度；DT為(-3，-2，-1，0，1，2，3)。

對納入評價的各個方案依次進行計算，得出各自的地基處理方案評價系數Fi。

1.4 價值系數的計算

(1)計算成本評價系數Ci：

(4)

(2)計算價值系數Vi：

(5)

依次計算各個地基處理方案的價值系數V，根據價值系數V的大小，得出最優施工方案[2-4]。

2 案例分析

2.1 工程概況

馬灘水閘位于石馬河干流清溪鎮馬灘村，工程計劃對馬灘水閘進行改擴建，提高河道蓄污調節能力，改善水環境、水生態，保障東江取水水源安全。工程采用19孔×6 m的攔河閘方案，單孔凈寬12 m。水閘底板堰型采用開敞式平底寬頂堰，采用底流消能。閘底板高程-1.5 m、閘頂高程8 m，內設工作閘門和檢修閘門。閘上交通橋位于啟閉機室下游，總寬8 m。水閘上游設鋼筋混凝土防滲鋪蓋長15 m，并設斜坡干砌石長5 m與原河床相連，下游設消力池(中間6孔閘孔區消力池長18.4 m、深1 m)。工程等別為Ⅱ等，規模為大(2)型，主要建筑物為2級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。工程設計洪水標準為50 a一遇，校核洪水標準為200 a一遇。

圖1 馬灘水閘閘址圖

2.2 地質條件

(1)層：第四系人工填筑層，主要為橋閘漿砌石，巖性為褐黃色～棕黃色粉質粘土，飽和，硬塑，弱透水。夾多層粉土、1 m～2m厚砂礫石層透鏡體厚度為2.8 m～7.7 m，由弱風化花崗巖塊和砂漿組成[4-7]。

(2-1)層：第四系全新統陸相沖積層，黃土狀土、粉細砂分布于壩區二級階地前緣陡坎斜坡處，層頂高程-1.53 m～4.13 m，厚度1.3 m～5 m。根據工程類比經驗，承載力特征值的經驗值fr=120 kPa～140 kPa。

(2-2)層：第四系全新統陸相沖積層，褐黃色，飽和，稍密，透水性中等。根據工程類比經驗，承載力特征值的經驗值fk=180 kPa～210 kPa。

(3)層：第四系全新海相堆積層，呈透鏡體狀，厚2.5 m～3.5 m，淺黃色～褐黃色，飽和，軟塑，透水性較差，分布連續廣泛，層位較穩定，層頂高程-2.43 m～-7.82 m，層厚為10.21 m～22.8 m。

(4-1)層：第四系海陸交互堆積層，主要由褐黃色夾灰白色粘土，土質較均勻，粘性較好，見局部夾有砂層。根據孔隙比和液性指標關系式查得承載力經驗值為fu=150 kPa～200 kPa。

(4-2)層：第四系海陸交互堆積層，磨圓度及分選性中，中粗砂充填，砂質較純凈，局部夾粉細砂及粉質粘土透鏡體。大部分級配不良，少量為級配良好砂，根據工程類比經驗，承載力特征值的經驗值fk=200 kPa～250 kPa。

2.3 施工方案的初步篩選

石馬河流域地區淤泥、淤泥質地基的常用處理方法有預壓加固法、換填墊層法、振沖法、水泥土攪拌法、高壓噴射注漿法等。由于本工程閘址下部廣泛分布有淤泥、淤泥質土層，層底埋深達8 m～12 m，因此，首先不考慮采用換填墊層法和振沖法。真空聯合堆載預壓是預壓加固法的一種，是處理軟弱地基的一種較好的方法，根據當地的工程經驗，處理后的地基承載力可提高2.3～2.5倍左右，但加固時間較長，一般需要6個月?？紤]本工程建設的實際情況，攔河水閘圍堰工程、地基處理、基礎和閘體結構等建設內容需要在一個枯水期(9月～翌年5月)完成，故不適合本工程的軟土地基的處理，也不考慮[8]。

因此，經過篩選，初步提出水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁和預制樁等3個方案進行對比。

3 馬灘水閘改擴建工程地基建設的評估決策過程分析

3.1 計算水泥土攪拌樁的價值系數

3.1.1 轉換成水泥攪拌法的評語隸屬度的評價矩陣

根據專家評語隸屬度變換表和專家評價表，將4位專家對馬灘水閘地基處理采用水泥土攪拌樁方案的評語轉為評語隸屬度的評價矩陣。以專家1為例，將專家1評語轉換成：

R1=

0000.250.50.25000000.250.50.25000000.330.670000.250.50.250000.250.50.2500000.250.50.2500000000.330.670000.250.50.2500000.250.50.2500000.250.50.2500000.250.50.250000.250.50.25000000.250.50.2500000.250.50.2500000.250.50.250

(6)

3.1.2 計算水泥土攪拌樁的總體功能評價的評語隸屬度G

根據公式(2)和評價因素權重值子集A=(0.0857，0.0574，0.1056，0.0354，0.0572，0.053，0.1124，0.0824，0.009，0.0456，0.0782，0.0537，0.0534，0.0587，0.0542)，計算專家對馬灘水閘地基處理采用水泥土攪拌樁的總體功能評價的評語隸屬度G。以專家1為例，有：

G1=A·R1

=0.08570.05740.10560.03540.05720.0530.11240.08240.0090.04560.07820.05370.05340.05870.0542·0000.250.50.25000000.250.50.25000000.330.670000.250.50.250000.250.50.2500000.250.50.2500000000.330.670000.250.50.2500000.250.50.2500000.250.50.2500000.250.50.250000.250.50.25000000.250.50.2500000.250.50.2500000.250.50.250

=(0 0 0.0403 0.2185 0.3346 0.2453 0.1614)

(7)

重復上述過程，依次得到專家2、專家3、專家4的評語隸屬G2=(0，0.0576，0.1607，0.2700，0.3221，0.1897)，G3=(0，0.0089，0.1184，0.3129，0.3441，0.1782，0.0376)，G4=(0，0.01324，0.3824，0.3676，0.1176，0)。

3.1.3 計算水泥土攪拌樁的總體功能評價系數F

根據公式(3)，計算功能評價系數F：

F1=G1DT

=1.2512

(8)

重復上述過程，依次得到專家2、專家3、專家4對馬灘水閘采用水泥土攪拌樁的總體功能評價系數F2=1.4542，F3=0.9746，F4=0.5015。

3.1.4 計算水泥土攪拌法的價值系數V

根據初步估算，以馬灘水閘的一個閘段(26 m×18 m)為單位進行計算，水泥土攪拌樁為79.1萬元(總樁數12500 m)，高壓旋噴樁為142.54萬元(總樁數2654 m)，預制樁為112萬元(預制管樁1851 m，預制混凝土板樁1458 m)。

因此，水泥土攪拌法的成本評價系數C=79.1/(79.1+142.54+112)=0.237。則4位專家對馬灘水閘地基處理采用水泥土攪拌法的價值系數見表3。

表3 馬灘水閘地基處理采用水泥土攪拌法的價值系數評價表

取四個專家的平均值：(5.1699+5.8077+2.7576+1.9165)/4=4.41，則馬灘水閘地基處理采用水泥土攪拌法的價值系數V水泥土攪樁為4.41。

3.2 計算高壓旋噴法的價值系數

參照水泥土攪拌樁價值系數的計算步驟，得到4個專家對馬灘水閘地基處理采用高壓旋噴樁的價值系數[9]，見表4。

表4 馬灘水閘地基處理采用高壓旋噴樁的價值系數評價表

取四個專家的平均值：(5.903+5.903+2.7108+1.2545)/4=3.9428，則馬灘水閘地基處理采用高壓旋噴法的價值系數V高壓旋噴為3.9428。

3.3 計算預制樁法的價值系數

參照水泥土攪拌法價值系數的計算步驟，得到4個專家對馬灘水閘地基處理采用預制樁的價值系數，見表5。

表5 馬灘水閘地基處理采用預制樁的價值系數評價表

取4個專家的平均值為(5.27146.1571+2.3617+2.274)/4=4.016，則馬灘水閘地基處理采用預制樁法的價值系數V預制樁為4.016。

3.4 對比分析，選擇優選方案

根據上述計算結果可知，馬灘水閘地基處理采用水泥土攪拌法的價值系數最大。根據評估模型，水泥土攪拌法優于高壓旋噴法和預制樁法[10]。而實際上，建設方最后也是選擇水泥土攪拌法作為該工程的地基處理方案。同時，根據近幾年橋閘運行管理單位的反映，橋閘整體情況較好。

4 結語

水閘地基處理是關系到水閘工程成敗的一項關鍵性工作。針對目前水閘改擴建工程地基處理方案選擇時憑個人經驗決策，缺乏一定的系統性、科學性、可操作性這一現象，本文提出基于價值工程的多目標層次模糊評價模型，為決策者在選擇不同地基處理方案時，提供了一種更加有效的輔助決策評估工具。