基于層次分析法的硬石嶺水庫除險(xiǎn)加固效果評價(jià)研究

江曉莉

(貴溪市水利局，江西 貴溪 335400)

1 硬石嶺水庫工程概況

硬石嶺水庫位于江西省貴溪市鴻塘鎮(zhèn)，處信江水系硬石河上游，距鷹潭市約20 km。壩址以上控制流城面積42.2 km2，總庫容5265×104m3。主壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程為55.83～56.25 m。根據(jù)勘察成果報(bào)告，洞身段水平距離15～82 m圍巖主要為弱-微風(fēng)化巖體，屬軟巖-較軟巖，具弱-微透水性，具有較好的成洞條件，從局部圍巖的情況來看，顯然穩(wěn)定性不足，工程地質(zhì)分類屬Ⅲ類圍巖；出口地形相對平緩，分布有粉土質(zhì)礫，且有滲水現(xiàn)象，邊坡穩(wěn)定性較差。在主壩右側(cè)30.0 m處為灌溉發(fā)電隧洞，現(xiàn)由進(jìn)口閘室、洞身、調(diào)壓井組成，經(jīng)過測量已知全長為95.0 m，采用鋼筋混凝土圓形來建造洞身，內(nèi)徑和進(jìn)口底高程分別為1.60 m、38.20 m，縱坡i=1/500。本次除險(xiǎn)加固新建進(jìn)水渠7 m，進(jìn)口閘室10.8 m，洞身擴(kuò)挖至襯砌后內(nèi)徑1.8 m，襯砌厚度40 cm，由樁號K0+010.8-K0+087.4，洞身全長76.6 m。本方案主要施工項(xiàng)目包括：洞徑擴(kuò)挖及安全支護(hù)工程。

2 研究方法

2.1 建立評價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型

在對病險(xiǎn)水庫做出除險(xiǎn)加固方案優(yōu)化決策之前，須對除險(xiǎn)加固效果做出準(zhǔn)確科學(xué)評價(jià)[1-3]，比較常用和有效的評價(jià)方法層次分析法，該種方法能確定指標(biāo)權(quán)值[4]。除險(xiǎn)加固效果各要素之間的關(guān)系是復(fù)雜的[5]，要對其進(jìn)行全面的分析，需要與病險(xiǎn)水庫的實(shí)際情況相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上來構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。以張建華為代表的學(xué)者應(yīng)用協(xié)方差矩陣，在對Chol-esky分解求解時(shí)采用PF-EDA2分布估計(jì)法[6]；以張小飛為代表的學(xué)者在研究后，完成三級層次模糊綜合評價(jià)模型，在此基礎(chǔ)上來評價(jià)水電站安全問題，采用AHP法計(jì)算各因素權(quán)重[7]。姚澤陽等學(xué)者在研究時(shí)采用提綜合評價(jià)法，對加固工程效益分析時(shí)從可持續(xù)性發(fā)展、經(jīng)濟(jì)效益的角度展開探討[8]。通常計(jì)算各層指標(biāo)排序權(quán)重值時(shí)應(yīng)用層次分析法。但如果進(jìn)行判斷矩陣一致性檢驗(yàn)時(shí)這種方法操作難度較大，為解決此問題，有關(guān)學(xué)者提出基于遺傳理論的層次分析法，根據(jù)判斷矩陣含義進(jìn)行指標(biāo)函數(shù)的推求判斷矩陣一致性，該方法采用遺傳算法有易過早收斂等問題存在，這會(huì)對計(jì)算精度造成影響[9]。對層次結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行劃分，不同的層級由此而形成，同時(shí)還要完成評價(jià)體系的構(gòu)建，通過以上措施可以更加詳細(xì)的描述水庫加固效果。同時(shí)還要分析各因素間的關(guān)系，還要完成遞階層次構(gòu)建，指標(biāo)指的是層次中各因素。對問題進(jìn)行深入的研究，使其進(jìn)行層次化和條理化處理，所構(gòu)建出的結(jié)構(gòu)模型能夠把層次關(guān)系體現(xiàn)出來。

2.1.1 建立區(qū)間數(shù)兩兩比較判斷矩陣

學(xué)術(shù)界在研究了各層評估指標(biāo)時(shí)，所應(yīng)用是兩兩比較的方法[10]，分別完成了判斷矩陣的構(gòu)建。在一般情況下指標(biāo)數(shù)量被控制在9個(gè)以內(nèi)，如果元素過多則難以進(jìn)行兩兩比較。n(≤9)是某層評估指標(biāo)，A=(aij)n×n為區(qū)間數(shù)判斷矩陣，即：

(i,j=1,2,…,n)

(1)

式中：aij為1～9的比例標(biāo)度尺。

2.1.2 計(jì)算AHP判斷矩陣指標(biāo)的相對權(quán)重

(2)

(3)

2.1.3 計(jì)算各評估指標(biāo)的組合權(quán)重

為了把評估指標(biāo)組合權(quán)重確定下來而進(jìn)行計(jì)算，從其本質(zhì)來看，在各遞階層次結(jié)構(gòu)中，每一層次全部指標(biāo)與總目標(biāo)權(quán)重是相對的。對其實(shí)質(zhì)進(jìn)行探討，在每一層次中所有指標(biāo)的計(jì)算活動(dòng)是相對總目標(biāo)權(quán)重而進(jìn)行，如表1。

表1 各評估指標(biāo)的組合權(quán)重

2.2 確定底層評價(jià)指標(biāo)的評估值

底層所代表的是各層次分支最后一層，在對其評估指標(biāo)進(jìn)行劃分時(shí)要充分考慮到底層的特點(diǎn)，將其分為兩種指標(biāo)，其一為分量指標(biāo)，其二為定性指標(biāo)，分別對這兩種指標(biāo)進(jìn)行評估[12]。以定性指標(biāo)為例，其特點(diǎn)是非定量化和模糊性，能夠?qū)χ笜?biāo)進(jìn)行描述，可以將指標(biāo)簡單地劃分為不同等級，但并不會(huì)有數(shù)值性結(jié)果出現(xiàn)，所以在表示指標(biāo)時(shí)無法以精確數(shù)值來體現(xiàn)，本文所采用的是集值統(tǒng)一方法，要把定性指標(biāo)的取值范圍確定下來，設(shè)定為0～100，要在實(shí)際檢測的基礎(chǔ)上進(jìn)行，以多個(gè)專家的研究成果為參考，對于工程安全性要予以高度重視并結(jié)合實(shí)際調(diào)查結(jié)果，確定不同定性指標(biāo)的集值統(tǒng)計(jì)值。要注意的是集值統(tǒng)計(jì)值并非精確的數(shù)值，其值所表示的是一個(gè)范圍，如果專家對問題很有把握則所給出的范圍較小，如果沒有足夠的把握則給出的范圍較大。即使所針對的問題是相同，但不同專家會(huì)給出不同的范圍。即第i位專家在估計(jì)寫性指標(biāo)uj評價(jià)值區(qū)間時(shí)以[aij,bij]為范圍，通過計(jì)算把多位專家對某定性指標(biāo)評估值確定下來，見式(4)：

(4)

式中：G(uj)為隨機(jī)集樣本函數(shù)圖形重心位置，以此作為該指標(biāo)的評估值；n為專家的人數(shù)，wi為各專家的權(quán)重。定量指標(biāo)是可以量化的，為了確定量值，應(yīng)用一定的技術(shù)測量手段[13]。但要注意的是，不同的定量指標(biāo)的量綱是不同的，是不存在可比性的，在確定下來定量指標(biāo)評價(jià)值后需要對其進(jìn)行處理，所采用的是無量綱化的做法[14]。在對多指標(biāo)進(jìn)行綜合評估時(shí)，無量綱化屬于非常必要的步驟[15]。

綜合評價(jià)中底層評價(jià)指標(biāo)，把評價(jià)值確定下來，通過式(5)來完成遞推，把每層都要綜合起來，在經(jīng)過計(jì)算后把除底層以外的其他層次指標(biāo)確定下來，同時(shí)還要對總體評估結(jié)果做出界定。

(5)

式中：G為上一層指標(biāo)的評估得分；Fi為底層評估指標(biāo)的評價(jià)值；Ni為底層評估指標(biāo)的組合權(quán)重；n為底層評估指標(biāo)的數(shù)量。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 構(gòu)建評價(jià)體系

在選取指標(biāo)時(shí)要把水庫建設(shè)的真實(shí)情況反映出來，掌握基本構(gòu)成，在進(jìn)行此項(xiàng)工作時(shí)必然會(huì)關(guān)系到建筑物運(yùn)行的各方面，所以對評價(jià)指標(biāo)有著較高的要求，不但要有豐富的內(nèi)涵，還要具有較高的靈敏性，度量簡便，可以最大限度地把水庫真實(shí)情況反映出來[16]。本研究以貴溪市硬石嶺水庫為例，在評價(jià)水庫除險(xiǎn)加固效果時(shí)，所采用的是AHP法的區(qū)間特征根法。在構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系時(shí),做到全面性的同時(shí)還要兼顧系統(tǒng)性，以此作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)對水庫除險(xiǎn)加固效果做出準(zhǔn)確評價(jià)。在操作時(shí)不得違背系統(tǒng)性、代表性、可操作性、科學(xué)性的原則，在構(gòu)建加固效果評價(jià)體系時(shí)要從三個(gè)方面進(jìn)行，即除險(xiǎn)加固方案、功能指標(biāo)康復(fù)程度、除險(xiǎn)加固治理影響。

對貴溪市硬石嶺水庫安全狀況進(jìn)行綜合評價(jià)，要明確硬石嶺水庫工程地質(zhì)條件及基礎(chǔ)處理，并要明確硬石嶺水庫工程質(zhì)量現(xiàn)狀及運(yùn)行時(shí)期表現(xiàn)，分析硬石嶺水庫工程質(zhì)量隨著時(shí)間遷移的變化情況。根據(jù)當(dāng)?shù)厮臍庀筚Y料，對洪水的規(guī)律性進(jìn)行分析研究，恰當(dāng)、合理地進(jìn)行預(yù)估，并將水庫運(yùn)營期內(nèi)可能遇到的洪水、水庫抵御洪水抗風(fēng)險(xiǎn)能力復(fù)核出來，這對水庫的安全評價(jià)十分重要。水庫大壩滲流控制措施需充分復(fù)核，同時(shí)對實(shí)際滲流情況進(jìn)行復(fù)核。圖1為水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目評估指標(biāo)體系。

圖1 水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目評估指標(biāo)體系

3.2 指標(biāo)值確定

以評估指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，以貴溪市硬石嶺水庫作為研究樣本，充分考慮到水庫除險(xiǎn)加固這項(xiàng)工作的實(shí)際情況，確定指標(biāo)的重要度。在構(gòu)建水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目評估指標(biāo)體系的過程中，體系指標(biāo)是由四層組成，差別矩陣的數(shù)量確定為11組。為確定判別矩陣各評估指標(biāo)排序權(quán)重值，在推求時(shí)通過VB.NET程序來完成，并對判別矩陣的一致性水平進(jìn)行檢驗(yàn)，在對結(jié)果進(jìn)行對比時(shí)，可以采用兩種方法，其一為幾何平均法，其二為AHP法的區(qū)間特征根法，如表2。

表2 層次單排序權(quán)重值計(jì)算結(jié)果

3.3 硬石嶺水庫除險(xiǎn)加固效果分析

各層評估指標(biāo)要素總排序權(quán)重值的重要性已得到認(rèn)可，以此作為關(guān)鍵內(nèi)容要進(jìn)行深入探討，在進(jìn)行計(jì)算后把指標(biāo)權(quán)重值確定下來，在水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目評估體系中使其作用被發(fā)揮出來。在確定一致性函數(shù)指標(biāo)值時(shí)，結(jié)果未超過0.10，由此可以判斷，在除險(xiǎn)加固項(xiàng)目進(jìn)行評估時(shí)，最有效的方法是AHP法的區(qū)間特征根法。幾何平均法與AHP法的區(qū)間特征根法進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)研究采用的計(jì)算方法結(jié)果準(zhǔn)確，與幾何平均法的計(jì)算結(jié)果并無差異。AHP法的區(qū)間特征根法實(shí)用性較強(qiáng)，在 (0～1)范圍內(nèi)全局優(yōu)化搜索能夠快速進(jìn)行，結(jié)果不論是準(zhǔn)確性還是穩(wěn)定性都達(dá)到較高狀態(tài)。從AHP法的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：精確性和實(shí)用性較高，可操作性較強(qiáng)。在水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目評估時(shí)采用這種方法能夠達(dá)到更好的效果，對于同類型水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目評估具有較高的參考價(jià)值。

4 結(jié) 論

本研究以貴溪市硬石嶺水庫為研究對象，在實(shí)際操作時(shí)充分考慮到該水庫除險(xiǎn)加固效果評價(jià)工作，并對其性質(zhì)進(jìn)行了總結(jié)，在進(jìn)行判斷決策時(shí)把層次分析法應(yīng)用于其中，使其發(fā)揮出系統(tǒng)性、實(shí)用性、簡潔性，通過對水庫除險(xiǎn)加固效果評價(jià)的深入研究，得出如下結(jié)論：

(1)為了解決判斷矩陣在進(jìn)行一致檢驗(yàn)時(shí)所遇到的問題而使用了層次分析這種方法，把區(qū)間特征根法應(yīng)用于層次分析中來，在檢驗(yàn)矩陣一致性時(shí)要把指標(biāo)函數(shù)確定下來，這是通過指標(biāo)層次分析法來完成的。為了使檢驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，把難度降到最低，保證所獲取的評價(jià)結(jié)果的穩(wěn)定性更高，同時(shí)提升其精確性，要把求解全局最優(yōu)解的做法應(yīng)到檢驗(yàn)中來。

(2)在確定區(qū)間特征根時(shí)，有兩種方法的應(yīng)用是廣泛的，一種是幾何平均法，另一種是AHP法，兩種方法所獲取的重要性排序具有較高的吻合度。

(3)實(shí)踐工程表明，AHP法一致性函數(shù)指標(biāo)值為0.012，說明AHP法能更加客觀、全面地反映病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固效果，該方法具有運(yùn)算穩(wěn)定性、計(jì)算精度高，可為水庫除險(xiǎn)加固方案優(yōu)化決策提供參考。