基于遞階層次結(jié)構(gòu)分析的溢洪道設(shè)計方案比選

毛曉超

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計院，江西 吉安 343000)

1 工程背景

某小型水庫始建于20世紀(jì)70年代，其功能以防洪和供水為主，兼有養(yǎng)殖、旅游等諸多綜合性功能。水庫控制流域面積約33.6km2，設(shè)計水位和校核水位分別為138.23和149.55m，設(shè)計庫容218.5萬m3，興利庫容155.4萬m3。由于該水庫設(shè)計建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，在長期運行之后病險問題比較突出。在2019年的全面檢查中發(fā)現(xiàn)，水庫大壩的壩頂高程較低，已經(jīng)難以滿足流域防洪的實際需求。此外，大壩為均質(zhì)土壩，迎水坡沒有砌護，存在多處坍塌現(xiàn)象，滲透穩(wěn)定性較差，存在一定的安全隱患。大壩泄洪建筑物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低，破損嚴(yán)重，下游消力池建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，沒有設(shè)計消能防沖設(shè)施。鑒于水庫病險問題比較突出，亟待進行除險加固。

2 溢洪道加固方案的初步設(shè)計

針對大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)低的問題，通常采用大壩壩體培高加固的思路。但是，某水庫的壩址區(qū)河谷較為寬闊，兩側(cè)的山體的坡度較小，如果采用上述加固思路，需要大幅增加壩軸線長度。據(jù)初步估算，在滿足設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)的條件下，大壩的壩軸線長需要從現(xiàn)有的221m大幅增加至398m。同時，大壩的外側(cè)壩腳組要向外側(cè)延展約13.5m。顯然，這種加固方式不僅大幅增加工程量，同時還需要大量征地，不利于工程的經(jīng)濟性和生態(tài)價值發(fā)揮[1]。基于此，擬采用改造溢洪道，加大暴雨洪水下瀉流量的方式提高大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合工程現(xiàn)狀和相關(guān)工程經(jīng)驗，提出如下3種溢洪道除險加固方案進行比選，以獲取最佳設(shè)計方案。

方案一：降低溢流堰堰頂高程。降低溢流堰高程可以顯著提升泄洪建筑物的過流能力。從當(dāng)前的工程經(jīng)驗來看，實現(xiàn)該思路的方式主要有3種：第一，保持原有堰頂高程不變，在溢流堰下方設(shè)置泄洪閘，增加過流能力；第二，采用開敞式溢洪道設(shè)計思路，同時降低底板高程；第三，在設(shè)置泄洪閘的同時降低底板高程[2]。由于背景工程為小型水庫，缺乏專業(yè)的管理部門和高素質(zhì)的管理人員，因此不便采用泄洪閘的方式進行溢洪道改造[3]。基于此，若采用方案一，應(yīng)該選擇降低底板高程的思路。根據(jù)水庫設(shè)計資料和防洪標(biāo)準(zhǔn)，需要將堰頂高程從原有設(shè)計高度降低1.75m，因此帶來的庫容損失大約為31.2萬m3。

方案二：加寬溢洪道。過流寬度是過流能力的重要影響因素，加寬水庫溢洪道可以有效提升水庫的最大泄流量[4]。另一方面，該方案技術(shù)簡單，安全系數(shù)高，而加寬開挖的土石方還可以用于大壩加固，具有一定的經(jīng)濟性優(yōu)勢。結(jié)合背景工程的設(shè)計資料進行測算，在溢洪道其他設(shè)計參數(shù)不變的情況下，要滿足水庫除險加固后的防洪標(biāo)準(zhǔn)，需要將控制段的寬度加寬40%左右。

方案三：改變溢洪道溢流堰堰型。背景工程目前采用的是寬頂堰。作為小型水庫最常用的的堰型，其具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)要求低、施工方便的優(yōu)勢。但是，其不足之處也十分明顯，主要是流量系數(shù)偏低，不利于水庫的大流量泄洪。因此，在水庫的除險加固設(shè)計中，可以放棄原有堰型，而采用WES堰型設(shè)計。WES堰雖然對施工技術(shù)有較高的要求，但是溢洪道的流量系數(shù)會因之大幅提升。由于當(dāng)前水工技術(shù)發(fā)展比較迅速，在技術(shù)層面并沒有較大障礙。同時，由于該堰型的前緣相對較短，工程量并不大。

3 溢洪道加固方案比選

3.1 遞階層次結(jié)構(gòu)

在工程技術(shù)領(lǐng)域，復(fù)雜問題往往涉及較多的影響因素，判斷指標(biāo)也較多。因此，在問題的解決過程中，可以采用層次化分解的方式，將復(fù)雜的工程問題分解為多個不同層次的構(gòu)成要素，然后對各個構(gòu)成要素之間的關(guān)系和特點進行分析，從而構(gòu)建相應(yīng)的層次分析結(jié)構(gòu)模型[6]。在層次分析結(jié)構(gòu)模型中，各個要素不僅會支配和影響下屬層次的各個要素，同時又會受到上一層次相關(guān)要素的約束和支配，上述自上而下的支配關(guān)系即為遞階層次。顯然，遞階層次過多，分析過程的復(fù)雜性將大幅提高，而過少則不利于準(zhǔn)確反映問題的實際。因此，在研究中一般分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案3個層次[7]。其中，目標(biāo)層反映的是問題分析的結(jié)果或需要達到的目標(biāo)，是遞階層次結(jié)構(gòu)的最高層。對本次研究而言，就是溢洪道除險加固的最優(yōu)方案；準(zhǔn)則層屬于實現(xiàn)研究目標(biāo)的中間環(huán)節(jié)，因此又被稱為中間層。對此次研究而言，選擇了工程投資、施工難度以及加固效益3個主要因素；方案層是實現(xiàn)目標(biāo)的具體措施或手段，為遞階結(jié)構(gòu)體系的最底層[8]。對本研究而言，為具體的設(shè)計方案。溢洪道加固最優(yōu)方案的遞階層次結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 遞階層次結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 判斷矩陣的構(gòu)建和計算

結(jié)合背景工程的實際情況，對前文提出的3種方案進行初步對比分析，各方案的優(yōu)勢和不足見表1。

表1 初選方案比較結(jié)果

由表1可知，在投資水平方面方案三為最優(yōu)方案，方案二投資水平最高；從施工技術(shù)維度來看，方案二為最優(yōu)方案，而方案一最差；從工程效益的層面來看，方案三為最佳方案，最差的是方案一。由此可見，3種方案各有優(yōu)劣，并不能通過簡單的分析獲得最佳方案，需要利用遞階層次結(jié)構(gòu)分析法進行進一步的對比研究。

在利用遞階層次結(jié)構(gòu)分析法進行分析時，首先需要構(gòu)造判斷矩陣。在判斷矩陣構(gòu)造完成之后，需要進行一致性檢驗，保證判斷結(jié)果相差不大。結(jié)合上文的分析結(jié)果，構(gòu)建起目標(biāo)層判斷矩陣，并利用MATLAB軟件對矩陣的特征向量W、最大特征值λmax、一致性指標(biāo)CI和一致性比率CR進行計算，計算結(jié)果見表2。

表2 目標(biāo)層判斷矩陣計算結(jié)果

由表2可知，λmax的值為3.1245，CI的值為0.0554；CR的值為0.0967<0.1。由此可見，構(gòu)建的目標(biāo)層判斷矩陣可以通過一致性檢驗，可以用于后續(xù)分析研究。

按照前文思路，分別構(gòu)建準(zhǔn)則層相對于方案層的判斷矩陣B1—C；B2—C；B3—C，并計算其W、λmax、CI和CR的值，結(jié)果見表3—5。

表3 準(zhǔn)則層判斷矩陣B1—C計算結(jié)果

表4 準(zhǔn)則層判斷矩陣B2—C計算結(jié)果

表5 準(zhǔn)則層判斷矩陣B3—C計算結(jié)果

由表中的計算結(jié)果可以看出，3個判斷矩陣的CR值分別為0.0166、0.0903和0.0027，其計算結(jié)果均顯著小于0.1，通過一致性檢驗，可以用于后續(xù)研究。

3.3 層次總排序的計算

根據(jù)前文構(gòu)建的判斷矩陣，計算獲取目標(biāo)層相對于方案層的權(quán)重，具體結(jié)果見表6。

由表6可知，相對于模型的目標(biāo)層A1，方案一C1、C2和C3的綜合得分別為0.1067、0.2358和0.5677。因此，方案三為背景工程溢洪道除險加固的最優(yōu)方案，建議在工程設(shè)計匯中采用。

表6 目標(biāo)層A1對方案層C的判斷矩陣計算結(jié)果

4 結(jié)語

遞階層次結(jié)構(gòu)分析法是作為一種多目標(biāo)決策方法，具有操作簡單、運用方便的優(yōu)勢，在工程設(shè)計研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本研究以某水庫除險加固工程溢洪道設(shè)計為背景，利用遞階層次結(jié)構(gòu)分析法，綜合考慮投資、施工和效益等方面的影響因素進行溢洪道設(shè)計方案比選研究，結(jié)果顯示改變溢洪道溢流堰堰型，采用WES堰型的方案為最佳方案。研究成果和方法不僅背景工程的除險加固工程設(shè)計具有指導(dǎo)意義，同時也可以為水閘、泵站、堤防等相關(guān)類似工程的設(shè)計和建設(shè)提供有益的方法和經(jīng)驗借鑒。當(dāng)然，在水庫除險加固設(shè)計過程中，大壩和溢洪道的關(guān)聯(lián)性較強，在后續(xù)的研究中還需要將兩者統(tǒng)籌考慮，獲得更為科學(xué)、合理的設(shè)計方案。