基于模糊綜合評價分析的灌區(qū)渠道結構型式優(yōu)化設計

周富強

(新疆瑞昶設計院有限公司，烏魯木齊 830000)

1 灌區(qū)概況

麻扎灌區(qū)位于伊寧縣麻扎鄉(xiāng)、青年農場、維吾爾玉其溫鄉(xiāng)等境內，灌溉水源為博爾博松河，P=75%保證率下可供水量為3 526.85×104m3，灌區(qū)有效灌溉面積為0.347×104hm2。灌區(qū)干渠主要修建于20世紀50年代，干渠全長40 km，工程建設之初為土渠，工程建設標準低，經(jīng)常發(fā)生滑坡和坍塌，滲漏十分嚴重，水資源利用率低下。20世紀90年代，對泄洪建筑物及其部分渠道進行過維修改造，但經(jīng)過40多年運行，渠道兩岸淘刷、坍塌、凍脹破壞已經(jīng)十分嚴重，渠道多數(shù)地段已不能正常運行，對灌區(qū)進行全面改造迫在眉睫。

本次改造干渠總長度為13.8 km，支渠總長度31.388 km，配套渠系建筑物77座，其中農橋8座，節(jié)制分水閘32座，渡槽3座，過洪建筑物34座。為選擇最佳的渠道結構型式，對不同斷面型式的支渠渠道進行設計分析，以期為工程實踐提供理論支撐。

2 渠道結構型式設計分析

2.1 結構型式設計

支渠渠道結構型式共設計3種，分別為梯形斷面渠道、矩形斷面渠道和U形斷面渠道[1-4]。渠道渠底比降均為0.000 5，糙率均為0.015。梯形斷面渠道底寬0.3 m，渠深0.4 m，邊坡系數(shù)1.14；矩形斷面渠道底寬0.33 m，渠深0.4 m；U形斷面渠道半徑為0.15 m，渠深0.4 m。襯砌混凝土強度為C25，抗凍等級為F200，防滲等級為W6。3種渠道斷面結構示意見圖1。

圖1 渠道斷面結構型式

2.2 工程造價分析

按每公里的工程量和造價進行分析，分別計算3種渠道斷面下的土方開挖及外運量、粗砂墊層量、C25混凝土量、鋼筋工程量、模板工程量、伸縮縫工程量等，并通過每種工程量的單價計算工程總造價，結果見表1。從表1中可以看到，在3種渠道斷面型式中，矩形渠道的總造價最高，其次為U形渠道，造價最低的為梯形渠道。

表1 3種斷面渠道造價分析

2.3 施工進度分析

采用橫道圖法對3種渠道型式下每公里施工時間進行分析，結果見圖2。從圖2中可知，梯形渠道由于斷面構造較為復雜，因此每公里施工周期需要332.3 h；矩形渠道每公里施工周期為102.5 h；U形渠道每公里施工周期為63.2 h。從施工進度上來講，U形>矩形>梯形。

圖2 每公里施工進度分析結果

2.4 抗凍脹分析

灌區(qū)渠基土大多為低液限黏土，根據(jù)《水工建筑物抗凍張設計規(guī)范》(GB/T 50662-2011)中相關設計規(guī)定，對3種結構型式下渠道的凍脹量進行分析，結果見圖3。從圖3中可知，3種斷面型式下，矩形斷面渠道的凍脹量最大，坡面和底面的凍脹量分別為4.79和4.61 cm；其次為梯形斷面渠道的凍脹量，坡面和底面凍脹量分別為4.18和4.14 cm；U形渠道的凍脹量最小，坡面和底面凍脹量分別為4.06和4.08 cm。3種斷面渠道相比，U形渠道的抗凍性能最好，矩形渠道的抗凍性最差。

圖3 不同斷面型式凍脹量分析

3 渠道結構型式優(yōu)選

3.1 模糊綜合評價過程

模糊綜合評價法(Fuzzy Comprehensive Evaluation，簡稱FCE)是一種應用于評價因素具有復雜性、評價對象層次性、偏激標準中存在模糊性或者評價影響因素存在模糊不確定、難以定量化表達的問題評價中[5-8]。模糊綜合評價法的一般步驟為：①確定評價因素集A；②確定進行評價的對象集B；③通過灰色關聯(lián)度系數(shù)求解建立隸屬度矩陣C；④利用層次分析法確定權重值D；⑤根據(jù)評估矩陣和權重值結果，計算得到結果向量E=D*C；⑥根據(jù)結果向量E對評價對象進行評價。

本文評價對象為梯形斷面渠道、矩形斷面渠道和U形斷面渠道，在選擇最佳渠道結構型式時，需要對防滲效果、使用壽命長短、工程投資、抗凍脹性、管理維護、施工進度、水流條件等進行綜合考慮。由于在設計時3種斷面結構型式均采用相同標號混凝土作為襯砌材料，因此在防滲效果、使用壽命、管理維護等因素上的差別是十分微小的，對于模糊綜合評價的影響可以忽略不計，故最終確定將工程投資、施工進度以及抗凍性3個因素作為評價因素集A=[投資，施工進度，抗凍性]。由于工程投資是定量的，故以上文分析得到的工程投資額作為評價指標數(shù)值，然后再對施工進度和凍脹量進行模糊打分，打分數(shù)值0～1。數(shù)值越大，表明施工進度越慢，抗凍性越差，結果見表2。

表2 各個因素評價指標數(shù)值

將3種渠道結構型式中造價最低、施工進度最好以及抗凍性最好的指標數(shù)值組成最優(yōu)指標集，并將其代入3種渠道結構型式的評價矩陣中形成隸屬度矩陣C，對隸屬度矩陣C進行歸一化處理，再根據(jù)灰色關聯(lián)度系數(shù)求得隸屬度矩陣C為：

(1)

將其中一個評價因素作為基準，列出其他因素相對于該因素的重要程度的比例標度，在確定3種因素的比例標度時，分別根據(jù)相同重要、稍微重要、明顯重要、強烈重要、絕對重要這5種重要程度進行取值，取值分別為1,3,5,7,9，從而計算得到不同權重值排列方式(a3>a2>a1,a3>a1>a2,a1>a2>a3,a1>a3>a2,a2>a1>a3,a2>a3>a1)下的權重值：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3.2 評價結果

將每種重要程度在不同排列方式下的結果向量E匯總，見表3。從表3中可知，對于麻扎灌區(qū)，最好的渠道結構型式為U形渠道，U形渠道結構在不同工況下的結果向量E均是最大的；除了U形渠道結構型式，當考慮抗凍性優(yōu)先時，梯形渠道結構型式要好于矩形渠道結構型式；當考慮施工進度優(yōu)先時，矩形渠道結構型式要好于梯形渠道結構型式；當考慮工程投資優(yōu)先、其次考慮抗凍脹性時，梯形渠道結構型式要好于矩形渠道結構型式；當優(yōu)先考慮工程投資、其次考慮施工進度時，矩形渠道結構型式要好于梯形渠道結構型式。

表2 結果向量E匯總表

4 結 語

以麻扎灌區(qū)農田灌溉渠道改造工程為例，設計了梯形、矩形和U形3種斷面結構型式的渠道，對3種渠道進行了對比分析，結論如下：

1)在3種渠道結構型式中，工程投資從大到小依次為：矩形>U形>梯形；每公里施工時間從大到小依次為：梯形>矩形>U形；U形渠道的抗凍性能最好，矩形渠道的抗凍性最差。

2)基于模糊評價分析法，將工程投資、施工進度、抗凍脹性作為評價因素，再分別利用層次分析法和灰色關聯(lián)度系數(shù)法計算評價因素權重和判斷矩陣，通過權重和判斷矩陣得出結構向量，結果表明最優(yōu)的渠道結構型式為U形渠道。

3)除了U形渠道，當優(yōu)先考慮抗凍脹性或者優(yōu)先考慮工程投資、其次考慮抗凍脹性時，應選擇梯形結構型式；當優(yōu)先考慮施工進度或者優(yōu)先考慮工程投資、其次考慮施工進度時，應選擇矩形渠道。