基于多目標決策的病險水庫大壩加固施工方案優(yōu)化研究

魏 曼

(樂陵市水利局,山東 樂陵 253600)

0 引 言

作為一種自然災害,洪災一旦發(fā)生,將對周邊的建筑和居民生產(chǎn)生活造成嚴重影響,同時也會造成巨大的經(jīng)濟損失,因此水壩的安全加固受到廣泛關注。 隨著工程的運行及環(huán)境條件變化的影響,部分水壩逐漸開始老化、損壞,并且受洪澇災害的影響,目前病險水庫數(shù)量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢[1-2]。

針對病險水庫大壩加固問題,許多學者不斷總結(jié)經(jīng)驗,提出了治理方案[3]。 如汪在芹等[4]利用CW 化學灌漿成套新技術對水庫大壩進行加固,認為該技術不僅能夠有效提升水庫大壩的安全性,還能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和生態(tài)效益。 SU H等[5]提出了利用預應力錨索的方式來提升水壩抗滑能力,并通過有限元分析,了解壩系的演變過程,同時驗證了預應力錨索的有效性。

上述文獻研究結(jié)果顯示,在加固方案制定中仍然存在指標選取不全面的問題。 多目標決策作為當前指標選取中常用的方法,如何利用該方法來實現(xiàn)病險水庫大壩的加固具有重要意義。因此,本文針對病險水庫大壩加固施工方案的優(yōu)化,引入多目標決策來獲取更為全面和精準的指標,以期為病險水庫大壩治理提供理論依據(jù)。

1 病險水庫大壩加固中的多目標決策應用

1.1 病險水庫大壩加固方案決策指標體系

多目標決策是指多種決策方案產(chǎn)生矛盾后的重新選擇和排序過程,采用多目標決策能夠有效解決多目標之間存在的矛盾,同時能夠解決各目標之間的不可公度性,因此被應用于多個領域[6-7]。 病險水庫大壩加固方案的決策在大多情況下會存在矛盾性,因此需要采用多目標決策來選擇決策指標,構(gòu)建決策指標體系,以便提出病險水庫大壩加固的優(yōu)化方案[8]。 在病險水庫大壩加固方案的決策指標體系構(gòu)建過程中,將經(jīng)濟、技術和安全作為一級指標,通過查閱文獻,其二級指標篩選見圖1。

圖1 決策指標體系

圖1 顯示,病險水庫大壩加固方案決策指標體系中的二級指標包括2 個經(jīng)濟指標、4 個技術指標和3 個安全指標。 其中,經(jīng)濟指標可以通過成本和建設經(jīng)濟效益來評價;技術指標可以通過施工難度、質(zhì)量把控、施工技術先進性以及施工工期來評價;安全指標可以通過環(huán)境危害、防滲質(zhì)量以及施工安全來評價。 各指標的重要性及其評價對象見表1。

表1 決策指標重要性評價

表1 顯示,成本指標是在大壩加固中的改擴建資金投入,是影響加固方案決策初期的重要指標。 建設經(jīng)濟效益同樣是方案決策中的重要指標,經(jīng)濟效益指標的評價結(jié)果決定了大壩加固中的資金投入。 施工難度評價貫穿于整個施工進程,施工難度評價是對工序之間的搭接、施工操作的難度評定,需要結(jié)合其他指標來進行決策。質(zhì)量把控指標是一種風險指標,用以評價項目可控性,針對病險水庫大壩的加固方案而言,質(zhì)量把控指標是一個全工期決策指標[9]。 施工技術先進性指標是對施工過程的技術評價,即評價施工人員、機械的先進性。 工期指標的評價是對整個施工方案的進展和節(jié)奏把控,并在評價中考慮施工中的天氣變化導致的工期延誤。 環(huán)境危害指標是評價大壩加固過程中所產(chǎn)生的廢料等對環(huán)境的破壞性,環(huán)境問題作是人類長久發(fā)展所關注的問題,將其作為大壩加固中的重要評價指標具有重要意義[10]。 防滲質(zhì)量指標是大壩加固中的最重要指標,病險水庫本身存在不牢固的情況,大壩加固方案是提升其整體質(zhì)量的關鍵方案。 施工安全評價指標是對施工中的人員、機械使用安全進行評估,是確保病險水庫大壩加固正常運行的基礎。

1.2 病險水庫大壩加固方案多目標決策模型

病險水庫大壩加固方案目標決策中的重要環(huán)節(jié)是對指標進行權(quán)重確定,以此來確定下層指標在上層指標中的重要程度。 為了更客觀地對大壩加固決策指標進行權(quán)重賦予,引入組合賦權(quán)法來進行權(quán)重確定。 傳統(tǒng)的組合賦權(quán)法難以兼顧主觀和客觀的一致性,因此研究中以層次分析法(Analytic hierarchy process, AHP)和熵權(quán)法(Entropy method, EM)來確保決策結(jié)果的主觀性和客觀性結(jié)果偏差最小,提出AHP-EM 優(yōu)化組合賦權(quán)法。 首先計算提出方案中所有指標的組合權(quán)重,公式如下：

式中：w為指標權(quán)重;T為轉(zhuǎn)置。

采用組合賦權(quán)法,對單個指標進行權(quán)重賦予,在某一種賦權(quán)法下的指標權(quán)重向量表示如下：

式中：μk為在第k種賦權(quán)方法下的指標權(quán)重;s為方案數(shù)量。

此外,在當前狀態(tài)下引入偏差函數(shù),減少主客觀賦權(quán)下的偏差,公式如下：

式中：f(μk)為偏差函數(shù);μki為第i個指標在第k種方案下的權(quán)重。

建立線性組合權(quán)重最優(yōu)化模型,公式如下：

式中：αk為組合權(quán)重。

令組合權(quán)重的組合系數(shù)α=(α1,α2)T,得到計算病險水庫大壩加固方案指標組合權(quán)重的聯(lián)合方程,公式如下：

式中：λ為隨機參數(shù);μ1i為第1 種賦權(quán)方法下的第i指標的權(quán)重;μ2i為第2 種賦權(quán)方法下的第i指標的權(quán)重。

依據(jù)研究提出的指標選擇和指標權(quán)重賦予方法,構(gòu)建病險水庫大壩加固方案的選擇和優(yōu)化流程,見圖2。

圖2 病險水庫大壩加固方案優(yōu)化流程

圖2 顯示,首先針對病險水庫大壩情況,采用文獻查找法,查詢針對性的加固方案,并總結(jié)當前研究中的大壩加固方案;其次選擇加固方案決策中的決策指標,并分析各決策指標對病險水庫大壩加固的干預對象和重要性程度;然后引入組合賦權(quán)法,為了減少主觀和客觀偏差過大帶來的權(quán)重偏差,同時引入層次分析法和熵權(quán)法;最后對組合賦權(quán)法進行處理,構(gòu)建病險水庫大壩加固方案指標組合權(quán)重的聯(lián)合方程,并利用該方程對各方案中的指標進行權(quán)重賦予。

2 最優(yōu)加固方案選擇及方案應用測試

以某水庫為研究對象,該水庫于上世紀70年代修建,主要以灌溉為主,同時具備防洪和養(yǎng)殖等綜合功能,其承雨面積55km2,大壩最高處43.0m。 在長時間的運行中,大壩壩體存在滲漏問題,同時存在壩基滲漏病害。 根據(jù)當前大壩情況,專家初步擬定4 種加固方案,利用研究提出的AHP-EM 組合賦權(quán)法多目標決策方法,對多個方案進行多目標決策,以期找出最優(yōu)加固方案,見表2。

表2 不同加固方案評價

表2 顯示,在方案評價中,方案4 的防滲質(zhì)量指標分數(shù)略低于方案3,但方案4 的其余指標評分均高于方案3;方案1 與方案2 的成本指標均低于90 萬元,但方案2 的建設經(jīng)濟效益達到40 萬元的凈年值,而且方案2 的工期較短,其余指標的評分整體高于其他方案。 因此,研究中認為采用方案2 更為有益。

同時,將方案2 應用于病險水庫大壩的加固仿真模擬中,評價施工前后方案2 與其他方案之間的差異,見圖3。

圖3 不同方案的加固仿真結(jié)果

圖3 顯示,選擇該大壩的兩個監(jiān)測點進行評價可以發(fā)現(xiàn),在方案實施前,不同監(jiān)測點的孔隙水壓力均隨著時間的增加呈現(xiàn)增長趨勢,并最終提升至910Pa 以上。 經(jīng)過不同方案的加固干預,在監(jiān)測點1 處,所有方案均能有效降低大壩孔隙的水壓力,其中方案2 加固仿真模擬下的孔隙水壓力最小,最大值僅為901.3Pa,明顯低于加固前的大壩孔隙水壓力,同時低于其他方案下的孔隙水壓力。

最后,評價方案2 在研究所選取的病險水庫大壩加固中的應用效果,見圖4。

圖4 方案2 下的垂直位移量變化

圖4 為大壩7 個不同連續(xù)監(jiān)測點的垂直位移情況。 由圖4 可以看出,在方案實施前,該大壩的最大垂直位移量出現(xiàn)在監(jiān)測點6 處,該處位移量達到0.110m。 采用方案2 對該大壩進行加固后,在方案2 的影響下,各監(jiān)測點的垂直位移量值均得到顯著減少,其中在監(jiān)測點6 處的垂直位移量值降低至0.026m。 以上結(jié)果表明,針對病險水庫大壩的加固,采用壩體劈裂灌漿和壩基帷幕灌漿能有效減少大壩的垂直位移量。

3 結(jié) 論

為了對病險水庫大壩進行加固處理,本文提出了一種多目標決策方法,以此確定多方案中的最優(yōu)方案。 基于AHP-EM 組合賦權(quán)的多目標決策,構(gòu)建病險水庫大壩加固方案決策指標體系,引入AHP-EM 組合賦權(quán)來確定不同指標的權(quán)重,最終通過仿真模擬,驗證了其有效性。 結(jié)果顯示,研究提出的多目標決策能夠快速確定多方案中的最優(yōu)方案,在比較方案之間的加固仿真中,多目標決策選擇的最優(yōu)方案下的大壩孔隙壓力得到顯著降低,最大值僅為901.3Pa。 在研究選取方案的實際應用中,大壩的垂直位移量得到顯著降低,最大處從0.110m 降低至0.026m。 以上結(jié)果表明,采用多目標決策能夠有效選取病險水庫大壩進行加固的最優(yōu)方案,并且該最優(yōu)方案能夠顯著提升大壩加固效果,對病險水庫的長期治理具有重要意義。