價值工程及層次分析法在小型水庫除險加固中的運用

張有文，陳金輝，李建玲，秦 杰

(紅河州水利水電工程建設質量與安全監督站，云南 紅河 661100)

截至2017年12月31日，我國已建成的各類型水庫總數量約9.88萬座，其中小型水庫數量約9.41萬座，數量占比為95.24%，壩型以土石壩為主。我國超80%的水庫建設于20世紀50—70年代，受限于當時的經濟水平和技術條件，水庫大壩建設存在建設標準低、設計方案不盡合理、工程質量差、安全隱患多等問題，再加上后天管護不力等因素，導致我國水庫病險率較高。從以前潰壩的統計來看，在全部潰壩事件中小型水庫潰壩占絕大部分，土石壩潰決問題是我國大壩安全管理中首要值得重視的問題。由于先天不足、后天失養，小型水庫安全隱患依然突出，病險水庫是“十四五”時期防汛薄弱環節。進行大規模的水庫除險加固工作，是有力有效保障水庫安全的重要措施。[1- 5]

近些年來已對近7.2萬座病險水庫進行除險加固，但隨著歲月推移，仍有許多水庫陸續進入病險行列，加強對病險水庫加固已成當務之急[6]。水庫除險加固對社會經濟效益特別顯著，項目的資金來源與資金保障便是實施的關鍵[7]。然而，在水庫實施除險加固的過程中，項目資金是國家定額補助，受疫情影響地方財政困難，配套資金籌集滯后，導致項目資金難以足額按時到位保障項目實施。面對這種情況，往往就需要對水庫除險加固各項工程措施進行資金的優化配置分析，確定水利工程除險加固措施實施的優先級別。

1 價值工程及層次分析法

價值工程(value engineer，VE)又稱價值分析(value analysis，VA)，是綜合利用科學的方法、技術和工具，對一項產品、工程或服務進行的以價值為指導、功能分析為核心的系統分析和研究。價值工程的主要內容是處理好價值(V)、功能(F)和成本(C)三者之間的關系。價值工程的主要功能是對不同功能和成本組合及其運動趨勢和方向進行定性和定量分析與比較，即評價功能，同時也具有決策功能[8]。

價值工程的基本原理是評價并處理功能與費用的關系，并對評價指標進行量化分析，利用價值系數的大小對建設項目進行判斷。目前確定權重的方法分為主觀賦權法和客觀賦權法。主觀賦權法包括環比評分法、強制評分法；客觀賦權法包括層次分析法、多目標距離最大法。對于層次分析法(AHP)，還有更為改進和拓展的網絡層次分析法(ANP)。其中層次分析法(AHP)在分析決策問題時，通過把目的層、準則層和方案層進行條理化和層次化的梳理，構造遞階層次的分析結構模型，具有分析維度高，結構層次清晰且有序，計算較為方便，能夠降低權重確定的主觀性，適用于決策分析等優點。層次分析法是對定性問題定量分析，能解決多目標決策分析和復雜結構的決策問題的多準則決策方法[8- 11]。

2 價值工程分析對水庫除險加固工程優先級決策的作用

價值工程分析方法在水利工程建設項目的各個階段均有廣泛的運用，對方案比選、設計優化、項目決策等方面效果顯著、意義重大[12]。對于水庫工程除險加固工程實施優先級決策，運用層次分析法以及價值工程評價方法具有以下優點：各項工程措施均能相對獨立地對除險加固的目的產生作用，與層次分析法遞階有序的特點相吻合；層次結構分為目的層、準則層、方案層，與水庫除險加固的目的，功能準則、措施方案相吻合；相較于主觀賦權法，層次分析法用更高維度降低了權重確定的主觀性；層次分析法下的判斷矩陣較容易構建，同時分析方法簡便、靈活，決策功能實用，與用于項目實施順序優先級決策相適應；價值工程評價方法對項目實施優先級決策具有簡單明了，具有說服力的特點。

3 工程實例

3.1 工程現狀

3.1.1工程概況

水塘哨水庫位于開遠市羊街鄉臥龍谷村，是一座以農業灌溉為主的小(1)型水利工程。水塘哨水庫總庫容135.85萬m3，設計灌溉面積2500畝，實際灌溉面積500畝。工程等別為Ⅳ等，規模為小(1)型，主要建筑物大壩、輸水涵管、輸水(泄洪)隧洞為4級建筑物，其他次要建筑物為5級建筑物。大壩壩型為均質土壩，最大壩高20.3m，壩頂長151m，壩頂寬5.0m。

3.1.2除險加固意見

針對水塘哨水庫大壩存在的主要病險問題和大壩的安全鑒定結論，提出以下加固意見和建議：①對左壩體、左壩基及左壩肩進行防滲處理；②對壩體進行加固培厚處理，并增設倒濾體；③封堵輸水涵管，新建輸水(泄洪)設施；④增設樞紐區安全監測設施。

3.2 層次分析法計算步驟

通過建立遞階層次模型、構造判斷矩陣、計算單一準則下元素的相對權重、一致性檢驗、計算各層元素對目標層的合成權重[13- 14]。參考文獻[14]中的方法計算開遠市水哨塘水庫除險加固工程各項措施在決策分析中的綜合權重。

(1)水庫除險加固工程評價因子的確定

水庫除險加固工程評價可以從水庫除險加固功能對除險加固目的的重要性程度來考慮[15- 16]，從而為水庫除險加固工程措施的優化配置及分析提供依據。

(2)建立遞階層次結構模型

結合工程實際，將開遠市水哨塘水庫除險加固工程中的除險加固工程措施與功能準則分類分項梳理出來。共梳理出4項主要功能評價準則，5項主要除險加固工程措施。建立遞階層次結構模型如圖1所示。

圖1 開遠市水哨塘水庫除險加固工程遞階層次結構模型

(3)構造判斷矩陣

表1 判斷矩陣標度及含義

綜合水庫工程現狀、病險情況、大壩安全鑒定結論以及除險加固設計的具體工程措施等因素，模擬水庫除險加固工程措施(方案層)→除險加固功能(準則層)→除險加固目的(目標層)對遞階層次結構的重要性評分，按9分制標度法逐階進行評分。通過統計分析，形成各個層次的判斷矩陣見表2—6，并采用層次分析法計算得到各評價因子的權重。

表2 除險加固評價判斷矩陣

表3 不同措施防洪功能判斷矩陣

表4 不同措施輸水功能判斷矩陣

表5 不同措施防滲功能判斷矩陣

表6 不同措施堅固穩定功能判斷矩陣

(4)計算各層元素對目標層的合成權重及一致性檢驗

各層元素對目標層的合成權重見表7。

表7 各層元素對目標層的合成權重

進行目標總排序一致性檢驗：CR=0.0396<0.10滿足條件。

3.3 進行重要性決策權重值與投資權重值比較

圖2 開遠市水哨塘水庫除險加固工程價格比重與總權重對比圖

表8 價值工程法對功能項目的價值系數量化評價

3.4 綜合分析

3.4.1分析結論

以各項水庫除險加固工程措施功能評價系數(合成權重)、目標成本、成本系數和價值系數綜合分析，對該項目工程項目實施優先級決策順序有以下建議：

(1)由于新建水庫管理所、新建安全監測設施及水情測報系統投資較小，故挑出投資成本占比較大的其他三項工程措施，綜合可得實施順序的優先級為帷幕灌漿>新建左岸岸坡排水溝及壩腳排水體>新建輸水泄洪隧洞及涵管封堵。

(2)新建水庫管理所、新建安全監測設施成本低，價值系數高，故可在不影響工程施工的情況下同步優先施工。新建輸水泄洪隧洞及涵管封堵的簡化價值系數雖小于1，但實際價值系數并不小于1，其功能評價系數最高，價值系數卻最低，綜合分析在項目資金難以足額按時到位保障項目實施時，為充分發揮工程效益，其實施優先級別調整為最低。

3.4.2優化建議

(1)水庫除險加固工程措施在梳理時需為相對獨立的工程措施。如本工程中新建輸水泄洪隧洞及涵管封堵在此次除險加固工程措施中作為不可分割的工程措施，故不可單獨分列為兩項措施。

(2)建立遞階層次結構模型時，各層次元素要遞階且有序，元素內部相互獨立，同一層次中任意兩個元素之間不存在從屬和支配的關系，不相鄰的兩個層次中的任意兩個元素也不存在支配關系，且層次內部獨立[10]。

(3)每一層次中各元素支配的元素不宜過多，否則將對各元素對上一層次的元素相較評分時產生較大的思維困難[11]。

(4)9分制標度法作為層次分析權重計算方法常用方法，可以在進行各元素對上一層次相較評分時，先選出各元素中重要性程度相差最大的2個元素打9分，再根據相對的重要程度對剩余兩兩比較的元素在1～8分的標度打分，這樣可以使9分制標度法的評分精度更高。如對某層次所有元素對上一層次某個元素在9分制標度法下最高只打出5分，則相當于只使用了5分制標度法，造成比較時評分的重要性精度下降，從而最終合成權重的精度也隨之下降。

4 結語

在水庫除險加固工程中，往往由于資金缺乏，資金籌集困難等不可抗因素，造成制約水庫除險加固工程如期完整實施。此時，就需要在現有有限資金條件下，對工程項目分期或分年度實施，須對實施順序優先級別進行決策，最大程度地滿足當下的使用功能，提高工程價值，發揮工程效益，使資源得到優化配置。實施層次分析法以及價值工程評價方法對決策水利工程除險加固措施實施的優先順序具有模型和結構適應性，能發揮層次分析法和價值工程評價方法的優點，具有方法簡便、結構清晰、實用性強、結果直觀以及降低權重主觀性的特點。本文通過實例分析，為小型水庫除險加固工程措施的實施順序優先級別提供了建議，并為層級分析法提出分析重點和分析建議，對水庫除險加固工程實施資金優化配置分析具有借鑒意義。