基于層次分析法的漿砌石壩水利堤防施工風(fēng)險(xiǎn)識別研究

張 琳

(煙臺市城市水源工程運(yùn)行維護(hù)中心,山東 煙臺 264003)

0 引 言

隨著全球氣候變化和人類活動的不斷影響,水利堤防工程在保障人類生命財(cái)產(chǎn)安全和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面具有越來越重要的地位。作為水利工程中的重要組成部分,漿砌石壩的施工質(zhì)量和安全性關(guān)系到整個(gè)水利工程的穩(wěn)定性和功能性[1-3]。但在漿砌石壩的施工過程中,存在許多影響施工質(zhì)量和安全的風(fēng)險(xiǎn)因素,這些因素可能對工程造成嚴(yán)重的損失和影響。因此,對漿砌石壩施工中的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評估十分必要[4-5]。

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是一種定性和定量相結(jié)合的風(fēng)險(xiǎn)評估方法,它通過建立層次結(jié)構(gòu)模型,將復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行系統(tǒng)化的分解和比較,從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)險(xiǎn)因素的全面評估。在漿砌石壩施工中,AHP可以有效應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)因素評估,有助于更好地理解和控制施工過程中的風(fēng)險(xiǎn),優(yōu)化施工方案,提高施工質(zhì)量[6-7]。

本文通過文獻(xiàn)綜述和實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方式,梳理出現(xiàn)行漿砌石壩施工中存在的部分風(fēng)險(xiǎn)因素,并通過層次分析法對這些風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行系統(tǒng)化評估,以得出各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素的重要性。首先對漿砌石壩的施工工藝進(jìn)行研究,然后利用層次分析法對風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行探討,最后對漿砌石壩風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行試驗(yàn)分析。研究旨在為水利堤防工程的施工和管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。同時(shí),研究結(jié)果可為其他類似工程的風(fēng)險(xiǎn)評估提供參考和借鑒,推動水利工程領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。

1 水利堤防施工建設(shè)中漿砌石壩施工技術(shù)研究

1.1 水利工程中漿砌石壩的施工工藝研究

漿砌石壩是水利工程中常見的的重要構(gòu)筑物,由石塊和砂漿組成,具有較高的抗沖刷性能和抗?jié)B性能。漿砌石壩施工工藝的主要步驟為:壩基準(zhǔn)備、石材選擇、砂漿配制、石塊擺放、砂漿注漿、壩面修正、養(yǎng)護(hù)[8-9]。壩基準(zhǔn)備:首先要進(jìn)行壩基的準(zhǔn)備工作,包括清理壩基上的雜物、測量壩基高程和線形等,確保壩基的平整和堅(jiān)實(shí),以便后續(xù)施工工作。石材選擇:根據(jù)工程要求和現(xiàn)場情況,選擇合適的石材作為漿砌石壩的填料。石材應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和耐久性,并經(jīng)過篩選和清洗。砂漿配制:根據(jù)設(shè)計(jì)要求,配制出適宜的砂漿,一般采用水泥、細(xì)砂和適量的添加劑混合而成,砂漿的配制需要控制好水灰比和砂漿的流動性。石塊擺放:將石塊按照設(shè)計(jì)要求和施工圖紙的要求逐層擺放在壩基上,石塊應(yīng)緊密貼合,不得有空隙,同時(shí)要注意控制壩體的坡度和線形。砂漿注漿:在石塊之間和石塊與壩基之間進(jìn)行砂漿注漿,以填補(bǔ)石塊之間的縫隙,增加整體的穩(wěn)定性和密實(shí)度。注漿時(shí),要控制好注漿的壓力和漿液的流動性。壩面修正:在砂漿凝固后,對壩面進(jìn)行修正,使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求的坡度和線形。修正時(shí),可以采用機(jī)械或人工方式進(jìn)行。養(yǎng)護(hù):完成施工后,對漿砌石壩進(jìn)行養(yǎng)護(hù),保持砂漿的濕潤,促進(jìn)其硬化和強(qiáng)度的發(fā)展。養(yǎng)護(hù)時(shí)間一般為7～14天,具體根據(jù)砂漿的配方和環(huán)境條件確定。具體的工藝步驟還需根據(jù)每個(gè)具體工程的要求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,在施工過程中還需要注意安全措施,保證施工人員的安全。漿砌石壩的主要施工步驟見圖1。

圖1 水利工程中漿砌石壩的施工流程圖

漿砌石壩中施工重點(diǎn)是壩體的充填和灌漿,該工序主要分為3步進(jìn)行:第一道工序之間的間距為10m;第二道工序的孔距也為10m;第三道工序的孔距為6m。同時(shí),漿砌石壩上游排孔的孔距軸線為2.5m,下游的排孔孔距為0.5m,并在廊道上鉆2m的位置為終孔。整體充填的原則按照先疏后密、先下游后上游的要求,且灌漿前需要對灌漿位置進(jìn)行水流和氣流的轉(zhuǎn)換沖洗,沖洗時(shí)的壓力要求必須高于灌漿壓力的80%。當(dāng)沖洗出水為清水后,繼續(xù)沖洗30min,以保證灌漿質(zhì)量。沖洗結(jié)束后,利用的水泥為硅酸鹽水泥,若存在局部吃漿量較大的情況,需要對應(yīng)的先充填水泥砂漿,然后再灌填純水泥漿。

灌漿的壓力要求需要根據(jù)實(shí)際情況而定,并不是壓力較大,填充效果越好[10]。巖石深度與灌漿壓力的關(guān)系公式如下:

P=aD

(1)

式中:P為灌漿壓力,MPa;a為系數(shù),根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度進(jìn)行選擇,通常硬度較高的選擇0.08～0.1,硬度較低的選擇0.04～0.05;D為灌漿部分的灌漿深度。

具體灌漿位置的灌漿壓力公式如下:

P1=P2+MD1

(2)

式中:P1為具體的灌漿壓力,MPa;P2為該位置能夠承受的壓力,MPa,可通過查詢技術(shù)參數(shù)表得到;M為灌漿位置頂板所在巖石每加深1m,能夠允許增加的壓力,也可通過技術(shù)參數(shù)表查詢得到;D1為灌漿位置以上驗(yàn)證的厚度,m。

常用的不同灌漿深度與灌漿壓力的關(guān)系圖見圖2。

圖2 灌漿深度與灌漿壓力的關(guān)系圖

在完成漿砌石的充填和灌漿后,還需要對漿砌石壩工程進(jìn)行良好的養(yǎng)護(hù)。其常見的病害包括開裂、沖刷、脫落、滲漏等。開裂是由于漿砌石的自重和外力作用,容易發(fā)生裂縫,尤其在基床不均勻或地基沉降不均勻的情況下更容易出現(xiàn)。同時(shí),在水流不斷沖刷下,漿砌石表面的砂漿會被沖刷掉,使石塊之間的間隙增大,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。由于外力作用或材料老化等原因,漿砌石可能出現(xiàn)石塊脫落或砂漿剝落的情況,影響結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。漿砌石本身并不具備防水功能,若構(gòu)筑物需要具備防水功能,則需要進(jìn)行防水處理,否則會出現(xiàn)滲漏問題。

因此,為了防止這些病害的發(fā)生,通常需要對漿砌石進(jìn)行定期檢查維修,及時(shí)補(bǔ)充砂漿、處理裂縫、加固結(jié)構(gòu)等[11]。在施工過程中,需要注意選用優(yōu)質(zhì)的材料、正確的施工工藝和合理的設(shè)計(jì),以提高漿砌石的抗病害能力。

1.2 基于AHP漿砌石壩施工工程風(fēng)險(xiǎn)因素評估方法研究

為了有效評估施工工程的風(fēng)險(xiǎn),研究利用AHP對漿砌石壩施工工程的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評估。AHP(Analytic Hierarchy Process)是一種定性與定量相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策分析方法,廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)評估中。基于AHP方法,對漿砌石壩施工工程的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評估[12-14]。

首先,確定評估的準(zhǔn)則體系。漿砌石壩施工工程的風(fēng)險(xiǎn)因素可以從技術(shù)、管理、環(huán)境等多個(gè)方面進(jìn)行考慮。根據(jù)實(shí)際情況,可以將風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、施工管理風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和社會因素風(fēng)險(xiǎn)等4個(gè)方面。其次,建立層次結(jié)構(gòu)模型。層次結(jié)構(gòu)模型是AHP方法的核心,通過對各因素之間的層次關(guān)系進(jìn)行分析和判斷,確定因素之間的權(quán)重。在漿砌石壩施工工程中,施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)包括施工工藝的可行性、施工材料的質(zhì)量等因素。施工管理風(fēng)險(xiǎn)包括人員素質(zhì)、施工組織等因素。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)包括氣候條件、地質(zhì)條件等因素。社會因素風(fēng)險(xiǎn)包括社會影響、政策法規(guī)等因素。在層次結(jié)構(gòu)模型中,需要將這些因素進(jìn)行層次劃分,確定各自的重要性。然后,建立判斷矩陣。判斷矩陣是AHP方法中用于量化判斷的工具。通過專家對每個(gè)因素兩兩之間的比較,建立判斷矩陣,從而確定各因素之間的相對重要性。最后,通過計(jì)算得出各因素的權(quán)重,對漿砌石壩施工工程的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評估。根據(jù)各因素的權(quán)重,對施工過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判和評估,并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行防范和應(yīng)對。

該方法能夠?qū)⒁徊糠至炕嬖诶щy的定性問題,在以數(shù)據(jù)運(yùn)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量化研究。同時(shí)將一些定量與定性混合的問題結(jié)合成為整體,并對其進(jìn)行分析。以此為基礎(chǔ),對所作出的判斷進(jìn)行驗(yàn)證。見圖3。

圖3 基于AHP的風(fēng)險(xiǎn)因素識別評估層次結(jié)構(gòu)示意圖

在應(yīng)用傳統(tǒng)的層次分析法過程中,基于AHP的漿砌石壩施工工程風(fēng)險(xiǎn)因素評估方法,具有結(jié)構(gòu)化評估、綜合性評估、靈活性和適應(yīng)性、可視化分析以及溝通和共識等優(yōu)勢,可以提高風(fēng)險(xiǎn)評估的準(zhǔn)確性和決策的科學(xué)性。

2 基于AHP的漿砌石壩水利堤防施工風(fēng)險(xiǎn)因素識別性能分析

為了驗(yàn)證漿砌石壩施工前后的性能,研究對漿砌石壩灌漿前后的注水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果見表1。表1中,前兩個(gè)位置為灌漿前的試驗(yàn)結(jié)果,后兩個(gè)位置為灌漿后的試驗(yàn)結(jié)果。其中,滲透系數(shù)越小,表明漿砌石壩的滲透性能越好,防水效果越高。灌漿前后的吸水量變化可以反映灌漿處理的效果,即如果灌漿后的吸水量明顯減少,表明灌漿處理有效堵塞了石壩的孔隙或裂縫,提高了壩體的抗?jié)B性能。

表1 漿砌石壩灌漿前后的注水試驗(yàn)對比結(jié)果

由表1可知,灌漿前,兩個(gè)位置的 6個(gè)點(diǎn)位吸水量分別為7.6、6.8、3.5L/min和22.3、19.4、21.5L/min;灌漿后,兩個(gè)位置的6個(gè)點(diǎn)位吸水量分別為0.73、1.26、1.88L/min和0.78、1.24、1.91L/min。通過對比發(fā)現(xiàn),灌漿后吸水量和滲透系數(shù)呈顯著降低,表明漿砌石壩灌漿前后吸水量和滲透系數(shù)的變化也可以反映壩體的穩(wěn)定性。灌漿后的吸水量和滲透系數(shù)明顯減小,表明灌漿處理提高了壩體的穩(wěn)定性,減少了水的滲透和滲漏,降低了壩體可能發(fā)生的沖刷、滑動和滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。通過監(jiān)測和分析漿砌石壩灌漿前后吸水量和滲透系數(shù)的變化,可以評估灌漿處理的效果,并為灌漿工程的質(zhì)量控制和壩體穩(wěn)定性評估提供依據(jù)。

為了研究水位高度對漿砌石壩的影響,將水位高度作為對漿砌石壩的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行敏感性探究,試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 水位高度對漿砌石壩風(fēng)險(xiǎn)因素敏感性分析

由圖4可知,隨著水位高度的增加,漿砌石壩對風(fēng)險(xiǎn)因素的敏感性逐漸降低。表明當(dāng)水位上升時(shí),漿砌石壩對于某些風(fēng)險(xiǎn)因素的抵抗力會減弱。在水位較高的條件下,漿砌石壩的安全性降低,出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的概率增加。其原因主要是水位過高會導(dǎo)致壩體承受的壓力增大,這種額外的壓力會增加壩體崩塌或破裂的風(fēng)險(xiǎn)。此外,水位過高還會對壩體的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響,包括壩體材料的濕度增加、凍融破壞以及水流沖刷等,這些因素將進(jìn)一步降低壩體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,增加其發(fā)生損壞和破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

為了驗(yàn)證漿砌石水利堤防風(fēng)險(xiǎn)因素識別的準(zhǔn)確性和效率,在水利工程堤防風(fēng)險(xiǎn)因素?cái)?shù)據(jù)集中,將其與屬性層次模型(Attribute Hierarchical Mode, AHM)、網(wǎng)絡(luò)層次分析法(Analytic Network Process, ANP)進(jìn)行對比,結(jié)果見圖5。

圖5 3種方法的風(fēng)險(xiǎn)因素識別準(zhǔn)確率和效率對比結(jié)果

由圖5(a)可知,3種方法在水利堤防工程中的風(fēng)險(xiǎn)識別準(zhǔn)確率存在一定的差異,其中AHP、ANP與AHM的風(fēng)險(xiǎn)識別準(zhǔn)確率分別為89.06%、87.14%和88.27%。由圖5(b)可知,在水利堤防工程風(fēng)險(xiǎn)識別的效率中,3種方法雖然存在的差異較小,但AHP的識別效率高于其他兩種方法。AHP、ANP與AHM的風(fēng)險(xiǎn)識別效率分別為83.91%、81.63%和81.16%,表明研究構(gòu)建的方法具有一定的優(yōu)勢。

為了進(jìn)一步評估漿砌石壩在水利堤防施工中的應(yīng)用性能,研究利用基于AHP的漿砌石壩滲透系數(shù)預(yù)測值與真實(shí)值進(jìn)行對比,結(jié)果見圖6。

圖6 基于AHP的漿砌石壩滲透系數(shù)真實(shí)值與預(yù)測值對比結(jié)果

由圖6可知,漿砌石壩的滲透系數(shù)真實(shí)值與預(yù)測值之間存在較為明顯的差異,導(dǎo)致出現(xiàn)這種情況的原因?yàn)閹r石和土壤的非均質(zhì)性和自然條件變化的變化。其中,巖石和土壤的非均質(zhì)性導(dǎo)致滲透系數(shù)在不同位置和方向上有很大的差異。預(yù)測滲透系數(shù)時(shí),常常難以準(zhǔn)確地描述和考慮這種非均質(zhì)性,導(dǎo)致預(yù)測值與真實(shí)值之間存在差異。同時(shí),滲透系數(shù)受自然因素的影響較大,如水位變化、季節(jié)性氣候變化等都會對滲透系數(shù)產(chǎn)生影響。預(yù)測滲透系數(shù)時(shí),難以完全考慮這些變化,導(dǎo)致預(yù)測值與真實(shí)值之間存在差異。研究表明,基于AHP的漿砌石壩滲透系數(shù)真實(shí)值和預(yù)測值的對比,可以評估和改進(jìn)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性,優(yōu)化漿砌石壩的設(shè)計(jì)和施工,并提供指導(dǎo)決策的依據(jù)。

3 結(jié) 論

本文基于AHP的漿砌石壩施工工程在水利堤防工程中風(fēng)險(xiǎn)因素評估方法,通過構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)因素的評估方法,實(shí)現(xiàn)了對影響漿砌石壩施工工程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)因素的解析。通過專家評分等方式,對各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行兩兩比較,得出了層次因素的權(quán)重;通過綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)因素的影響程度,得到部分影響漿砌石壩在水利堤防工程中的風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生原因。結(jié)果表明,灌漿前6個(gè)點(diǎn)位的吸水量分別為7.6、6.8、3.5L/min和22.3、19.4、21.5L/min;灌漿后6個(gè)點(diǎn)位的吸水量分別為0.73、1.26、1.88L/min和0.78、1.24、1.91L/min。研究表明,該方法具有可操作性強(qiáng)、結(jié)果客觀準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),為水利堤防工程中漿砌石壩施工質(zhì)量的控制提供了有效的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。