水利水電工程中生態護坡比選方法研究

摘 要：本文針對水利水電工程建設過程中生態護坡方式的選擇問題，結合層次分析法和灰色關聯度法，提出了一種考慮生態護坡穩定性、造價、施工以及生態效益等多方面因素的生態護坡比選方法，并對實際工程案例進行分析。研究表明建立的生態護坡評價方法在實際工程中能對指標進行量化分析，具有很好的適用性；同時案例分析結果表明在此工程護坡方案中，生態混凝土護坡計算所得關聯度評價指標為0.612，遠高于另外2種方式，即采用生態混凝土護坡時的效益最佳。本文研究結果對相關工作具有一定現實意義。

關鍵詞：水利工程；生態護坡；比選方法；灰色關聯度法

中圖分類號：TV 861 " " " " " " " 文獻標志碼：A

隨著我國經濟的發展，工程建設的目的不再只是滿足自身需求，而是要考慮經濟發展和環境保護間的密切聯系。在水利水電工程中，使用生態護坡能在滿足邊坡自身穩定性和防洪需求的同時兼具生態效益，并與周圍環境進行物質交換，實現動態平衡和可持續發展。眾多專家學者對生態護坡進行了豐富的研究，劉俊熠[1]對水利工程河道生態護坡施工要點進行了深入研究；張麗娟[2]對水利水電工程中生態護坡的設計進行了研究；姚璐等[3]對3種生態護坡新技術進行了深入研究，并對其未來的應用前景進行展望。歐徽彬[4]對生態堤防設計在水利工程中的應用情況進行了分析。本文在前人的研究基礎上，闡述了生態護坡的功能，并對現階段常用護坡形式進行分析，對水利水電工程建設中生態護坡比選方法進行了深入研究，最后提出綜合各因素的生態護坡比選方法，研究結果可給后續大型工程生態護坡比選工作提供一定參考。

1 生態護坡形式比選方法

1.1 灰色關聯度法

灰色關聯度法能對前期規劃和假設的對象與實際對象間的契合度進行表述，其主要特點是通過規劃與實際對象間的接近程度并進行排列，具有計算方法簡單、對信息要求不高、受主觀因素影響較小和準確度高等特點[5]。而水利水電工程生態護坡方式比選過程是對眾多不確定性因素進行評價，因此灰色關聯度法能很好地適用于這個過程。灰色關聯度法的計算步驟如下。構建“參考序列”：假設分析對象中第i個單位的所有指標（共m項）的實際序列如公式（1）所示。

xi=（xi1，xi2，...xim），（i=1，2，...，n） （1）

式中；xim為第i個單位的第m項指標；xi為第i各單位的所有指標的實際序列。

公式（1）對應的參考序列如公式（2）～公式（4）所示。

x0=（x01，x02，...，x0m） " " " （2）

正向指標：x0j=max（xij/i=1，2，...n） " " （3）

逆向指標：x0j=min（xij/i=1，2，...n） " " "（4）

式中：x0為參考序列（同是繼續序列一致，共m項）；x0j為均質化處理，第i個單位的指標均值，正向指標取最大值，逆向指標取最小值。

指標無量綱化處理。計算第i個單位中第y項指標與參考序列相比的關聯系數如公式（5）所示。

（5）

式中：ξi（y）為關聯系數；Δmin、Δmax分別為最大值與最小值；Δiy為絕對誤差；ρ通常取0.5。

計算關聯度γi如公式（6）所示。并綜合計算結果進行評價排序。

（6）

式中：γi為關聯度；Wy為權重。

經計算得出，若γi越大，則表示與最佳目標值越接近。

1.2 指標權重賦值方法

在運用灰色關聯度法對生態護坡方案進行比選的過程中，需要采用層析分析法構建層析判斷矩陣對指標權重進行賦值，具體賦值方法如下[6]。

層析分析法層析結構圖如圖1所示，根據圖1，層析結構構造比較矩陣，可根據標度要求采用九分位數值標度值明確指標的重要程度，建立判斷矩陣如公式（7）所示。

A={aij} " " " （7）

式中：A為判斷矩陣；aij為第i項準則中第j項子準則的九分位數值標度值。

將所建立的權重矩陣元素相乘，得出公式（8）。

Mi=∏bij，i=1，2，...，n " " " " （8）

式中：Mi為權重矩陣乘積；bij為權重矩陣值。

計算Mi的n次方根，如公式（9）所示。

（9）

對矩陣W=[w1，w2….，wn]T進行歸一計算，如公式（10）所示。

（10）

式中：為歸一化計算后的W=[w1，w2….，wn]T。

對上式求取最大特征根，如公式（11）所示。

（11）

式中：λmax為矩陣的最大特征根。

由于層析分析法在對指標進行權重賦值的過程中可能存在不合理現象，因此采用層析分析法需要對所建立的判斷矩陣的一致性進行檢驗，當一致性檢驗滿足需求時說明建立的判斷矩陣具有實際意義，若不通過一致性檢驗則說明建立判斷矩陣不合理，不滿足一致性要求，需要重新建立權重矩陣[7]。一致性檢驗公式如公式（12）所示。

（12）

式中：CR為一致性檢驗指標值；RI為平均隨機一致性指標，取值見表1；n為判斷矩陣階數。

計算所得CR=0認為一致，當CRlt;0.1時認為滿足一致性要求。

2 生態護坡比選評價流程

2.1 生態護坡比選評價流程

當對生態護坡方式進行比選時，首先，需要針對實際情況建立比選指標體系模型，并計算各指標權重。其次，利用灰色關聯度法計算指標值的關聯度，最后，根據指標值關聯度對生態護坡方式進行比選。具體比選流程如圖2所示[8]。

2.2 生態護坡比選內容

2.2.1 結構穩定性

生態護坡作為一種邊坡形式，要滿足結構穩定性要求，邊坡穩定性主要包括結構穩定性、抗沖刷性和防洪排澇等方面要求，因此結構穩定性、抗沖刷性和防洪排澇是邊坡穩定性比選指標中的重要組成部分。邊坡結構穩定性指標是生態護坡比選中十分重要的指標，在生態護坡邊坡穩定性評價的過程中，不同類型的生態護坡采用的評價標準不相同，但均須滿足相關規范要求。在生態護坡比選的過程中，由于結構和材料性質不同，針對同一建設位置，不同形式護坡在穩定性的各方面有一定差異。因此在比選過程中要仔細把握穩定性分析中的要點，對穩定性指標進行全面考慮。

2.2.2 造價

生態護坡的造價問題主要分為3個部分：建設造價、維護造價和運行年限。其中建設造價主要包括人工費用、機械使用費用和料費等部分，可通過查詢相關定額得出這部分費用，不同形式生態護坡在建設和維護的過程中采用的人、財和機使用數量和時間不同，因此有一定的差異。維護造價部分產生的費用除去維護過程中產生的人、財和機使用費用外，不同形式生態護坡維護頻率不同產生的費用也有一定差異，同樣是比選過程中造價部分需要考慮的重要因素之一。使用年限問題也是決定生態護坡造價的一個重要因素，而使用年限主要取決于護坡原材料材質好壞、尺寸大小、材料準備以及護坡所在河道的地質條件等因素。有關造價部分指標評價主要取決于各形式護坡造價的高低。

2.2.3 施工

施工過程中的主要指標包括施工和維護難度、施工過程對環境的影響、進度以及原材料等部分。其中，施工及維護難度主要取決于施工過程采用的工法、施工環境以及外部因素等，維護難度主要取決于原材料的性質、維護難度以及維修成本。施工過程對環境的影響主要包括施工過程中采用的工法對環境的影響程度和施工完成后對環境的恢復速度和恢復程度等方面。施工進度的不同主要取決于護坡形式的不同，相同條件下工期最短的為純植被型護坡，工期最長的為工程生態綜合性護坡。原材料主要取決于原材料獲取的難易程度，例如原材運距和價格等。

2.2.4 生態效果

生態效果是生態護坡最顯著的特點，其包括的指標較多，主要有透水性、涵水性、水土保持效果、生物多樣性、可持續性、親水性以及蓋度等指標。其中，主要用結構體滲透系數表征透水性和涵水性，由水土流失量判定水土保持效果，蓋度為植物覆蓋坡面的比例，其中＜55%為蓋度差；55%～65%為較差，65%～75%為中等；75%～85%為較好；85%～100%為蓋度好。

3 案例分析

3.1 工程簡介

某河道治理工程全程為56.14km，河道沿線地勢起伏較小，河道沿線溝渠縱橫，存在較多農田和村莊。工程建設區域第四系發育較為齊全，以河湖沉積相為主，并有一定的海陸過度沉積相，建設場地內不存在斷裂構造。在此工程河道治理的過程中存在一高坎岸坡，岸坡高度為7.5m，岸度比為1∶0.15，岸坡為均值土坡，土體抗剪強度參數見表2。

在確定坡面生態護坡選擇方式的過程中，結合項目實際需求和工程地質條件、生態環境建設需求等方面選擇生態植被護坡、生態混凝土護坡以及土工格柵固土種植基護坡3種生態護坡方式參與比選。

3.2 確定指標權重

在工程中，根據上文所述生態護坡比選內容，選擇結構特性、工程經濟、施工難度以及生態效益4個方面作為權重分布方案的主要指標層，并根據各類中的重點內容進行細化，得到12項準則層指標，指標分類方法見表3。

表3中權重列為準則層在指標層中的權重分配，權重列復制方案為定量指標，例如穩定性系數、施工投入和運維成本等根據工程實際計算值進行權重賦值；定性指標，例如生物多樣性和建筑材料獲取難度等，通過咨詢相關專家和工程參與人員進行權重賦值。表3中總權重排序列首先是根據指標層對工程建設的重要性對其進行權重賦值，其次結合各指標層內部準則層的具體權重值，計算準則層相對整體而言的權重賦值。建立層次總排序后，按照上述內容對其進行一致性檢驗，最后求出結果CR＜0.10，說明建立權重賦值方法通過合理性論證。

3.3 生態護坡比選結果

根據表3建立的護坡比選方案總體權重分布表結合工程案例，分別對工程生態植被護坡（形式A）、生態混凝土護坡（形式B）以及土工格柵固土種植基護坡（形式C）這3種護坡類型進行比選。通過對定性指標的量化和定量指標比選，經層次分析法確定判斷矩陣后，根據灰色關聯度法計算的綜合評價結果見表4。

關聯度評價指標值越大，對應的生態護坡性能越好，根據表4，生態混凝土護坡（形式B）的關聯度評價指標最大，為0.612，其次是生態植被護坡（形式A），關聯度評價指標為0.513，土工格柵固土種植基護坡（形式C）最小，關聯度評價指標為0.382。根據計算結果可知，選擇生態混凝土護坡方式的方案性能最好。

4 結論

本文對水利水電工程中有關生態護坡內容進行深入分析，并提出生態護坡比選方法，研究結果如下：1）采用層次分析法和灰色關聯度法作為生態護坡比選方法，并結合水利水電工程生態護坡比選方法的重點內容，研究給出生態護坡比選方法的核心計算思想。2）將工程實際作為研究對象，進一步論證層次分析法和灰色關聯度法在水利水電工程生態護坡比選中的實際應用情況，結果表明此方法具有很好的適用性，同時提出了生態護坡方案。本文研究結果可為后續水利水電工程生態護坡比選工作提供一定借鑒。

參考文獻

[1]劉俊熠.水利工程河道生態護坡施工要點[J].科技資訊，2022，20（2）：98-100.

[2]張麗娟.水利工程護坡生態化設計[J].黑龍江科學，2020，11（4）：120-121.

[3]姚璐，朱震東，王璐.水利工程岸坡生態防護新技術的應用與展望[J].水利技術監督，2020（5）：227-229.

[4]歐徽彬.生態堤防設計在水利工程中的應用探討[J].工程技術研究，2020，5（6）：235-236.

[5]孫桂芳，孫志超.水利工程中的河道生態護坡施工技術[J].中國新技術新產品，2021（7）：122-124.

[6]肖陽，扆嘉利.水利工程中河道生態護坡施工技術探究[J].人民黃河，2020，42（增刊2）：176-177.

[7]侯麗姍.河道生態護坡治理工程受土質穩定性影響探析[J].黑龍江水利科技，2019，47（1）：84-86，197.

[8]王鵬.大型河道整治工程生態護坡型式綜合比選及應用[D].揚州：揚州大學，2022.