基于改进的层次法的防渗方案优化分析

李建芳,赵茜瑶,李琛亮,魏金帅

(1.河南豫西水利勘测设计咨询有限公司,河南三门峡 472000;2.天津市水利勘测设计院,天津 300204;3.河海大学水利水电学院,江苏南京 210098)

基于改进的层次法的防渗方案优化分析

李建芳1,赵茜瑶2,李琛亮3,魏金帅3

(1.河南豫西水利勘测设计咨询有限公司,河南三门峡 472000;2.天津市水利勘测设计院,天津 300204;3.河海大学水利水电学院,江苏南京 210098)

黄壁庄水库副坝工程自投入运行以来,坝身及上游铺盖多次发生裂缝及踏坑;下游排水沟及减压井多次发生冒沙和管涌现象。采用一种改进的层次分析法,从可靠性、耐久性、施工条件、运行管理、经济因素及环境因素六个方面对河北省水利厅提出的四种防渗方案进行综合评价。结果表明,坝顶组合垂直防渗方案为最优防渗方案。

黄壁庄水库;副坝;改进的层次分析法;防渗方案;优化

1 工程概况

黄壁庄水库位于河北省鹿泉市黄壁庄镇附近的滹沱河干流上,距河北省省会石家庄市约30 km,是滹沱河中下游重要的、控制性的大(1)型水利枢纽工程,与上游28 km处的岗南水库联合控制流域面积23 400 km2。黄壁庄水库副坝为水中填土及辗压填筑的均质土坝,从0+027～7+071(中间包括电站重力坝136.5 m)全坝长6 907.3 m。副坝由马鞍山南麓开始,向南经石津渠电站重力坝、古贤村后折向西南,至马山村西。坝顶高程129.2 m,最大坝高19.2 m。坝顶设1.0 m高的浆砌石防浪墙,坝顶宽6 m,沥青混凝土路面。坝体上游坝坡碾压坝段平均坡度为 1∶3,水中填土段 1∶3 ～1∶4.5,干砌石护坡,下设反滤垫层。下游坝坡为 1∶2.75～1∶3.25,采用卵石护坡。副坝建筑在第四纪覆盖层二级阶地的前缘,坝基为25 m～60 m厚的土、砂、卵石层。坝前采用水平防渗,铺盖长400 m左右,厚1m～5 m。副坝是黄壁庄水库现有建筑物中存在问题最多、最严重、危险性最大的一座建筑物。存在的主要问题主要有四个方面[1]:①坝体施工质量差,②坝顶裂缝发展严重,③覆盖裂缝问题,④坝后存在的渗透破坏问题等。水库副坝一旦失事,石家庄市将遭到灭顶之灾,后果不堪设想。

针对副坝存在的问题,河北省水利厅勘测设计院提出四种综合处理方案:坝顶组合垂直防渗方案、坝顶垂直防渗方案、坝脚垂直防渗方案和水平防渗方案。但此四种防渗方案的评价与选择,常常是相互制约、相互矛盾的许多因素构成的复杂体系,如果用单一的指标(如可靠性)进行评价和选择有失客观[2]。本文运用改进的层次分析法[3-5](IAHP),从可靠性、耐久性、施工条件、运行管理、经济因素和环境因素六个方面,将定性分析与定量计算相结合,通过建立层次结构模型,最终选择最优防渗方案,准确、直观地反应各影响因素之间的相互关系[6]。

2 改进的层次分析法评定副坝防渗方案

2.1 建立递阶层次结构

从可靠性、耐久性、施工条件、运用管理、经济因素及环境影响六个大的方面,同时更加突出的考虑环境影响因素来分析采用坝顶组合垂直防渗方案的合理性及正确性。表1是河北省水利厅的各位专家结合黄壁庄水库的具体情况,综合各个方面的因素给定的副坝加固处理方案综合比较表,由此建立最优防渗方案评审系统的递阶层次结构,如图1所示。

图1 施工影响因素层次结构图

表1 副坝防渗方案综合比较表

指标的详细含义如下:

A1,可靠性:所采取的方案对坝基和坝体的防渗性好坏及能不能截断渗流。

A2,耐久性:所采取方案材料的使用年限。

A3,施工条件:所采取方案的施工难易程度、工期长短及对水库正常调度运用影响。

A4,运行管理:所采取方案今后的运行管理难易程度。

A5,经济因素:所采取方案的一次性投资额及维修管理费用。

A6,环境影响:所采取方案对周围环境的影响程度。

B1,施工难度:施工工艺的难易程度、工期长短等。

B2,项目多少:施工过程中项目的个数。

B3,管理难易度:施工完工后,管理部门的管理繁杂程度。

B4,寿命长短:所采取的工程措施的使用年限、使用期间有无更替现象等。B5,一次性投资:以亿为考虑单位。B6,维修费:使用期间的维修费用。

2.2 建立三标度判断矩阵

根据图1的递阶层次结构,参考副坝防渗方案综合比较表,自第一层至最底层逐层构造有关元素之间的两两比较判断矩阵,亦即:对于上一层某元素而言,在其下一层次上所有与它关联的元素中依次两两比较二者的重要关系,比较结果按“重要”“同等重要”“不重要”分别用“2”“1”“0”三种数值标度定量表示[7-8],由此得出的矩阵称作三标度判断矩阵,它表示了各元素之间相对于上一层某元素的重要关系。

(1)建立主指标层各元素A1～A6在总目标G前提下的判断矩阵G-A。

判断矩阵G-A如下:

具体做法是:先将矩阵左侧的指标A1依次与矩阵上边一排所列的指标A1～A6相对总目标G作两两比较,比较结果就用上述三标度数值表示,并填入矩阵第一行,接着相继用左列指标A2…A6重复进行前述比较,以完成矩阵的第二行至第六行。

(2)用同样的方法还需给出分层上各元素B1～B6相对于主指标层中相关元素下的三标度判断矩阵:A3-B、A4-B、A5-B。

(3)把位于对象层的四个投标方案C1、C2、C3、C4 分别相 对A1、A2、B1、B2、B3、B4、B5、B6、A6九个指标下作类似的三标度比较判断矩阵。

2.3 求出AHP间接判断矩阵

(1)用下式计算指标A1～A6的排序指数

式中:aij是矩阵G-A中的元素值。例如:r1=1+0+0+0+0+1=2,照此算得ri的各值列在矩阵G-A的右侧。

表2 基点比较元素相对重要程度标度数值

(2)用rmax表示最大排序指数,rmin表示最小排序指数,Amax表示rmax对应的那个指标,选取Amax与Amin作为基点比较元素,按表2定义的五标度数值给出这个基点的相对重要性程度dm,利用下面的变换公式求出反映各元素间相对重要性程度的AHP间接判断矩阵的元素。

变换公式:

利用上式算得矩阵G-A的AHP间接判断矩阵为:

用同样的方法,算出各个三标度判断矩阵的AHP间接矩阵。

2.4 由AHP间接判断矩阵计算权重

计算AHP间接判断矩阵,求出其最大特征值及其归一化向量(即各层元素的权重)如下,一致性指标

其中:λmax为AHP间接判断矩阵的最大特征值;n为间接判断矩阵的维数。当一致性指标CI≤0.1时,认为间接判断矩阵符合一致性要求。

2.5 防渗方案综合评价

按照上文的方法求出主指标层对总指标G的权重(WA)j和分指标层(B层)对A层的权重(WB)iAj(i=1,2,…,6;j=3,4,5),还需计算出B层指标对总目标G的综合权重(ZB)i,用下式计算:

计算结果列于表3的右侧。

表3 计算B层元素对目标G的综合权重

最后,用类似的方法计算位于C层的四个施工方案的综合评价值(即C1、C2、C3、C4对总目标G的综合权重),见表4。

表4 施工方案对目标G的综合权重

于是最终的防渗方案的优先顺序为C1＞C2＞C4＞C3,可见坝顶组合垂直防渗方案是最优防渗方案。

3 结 论

(1)这种改进的层次分析法(IAHP)在防渗方案比选的过程中使专家或决策者更加容易的作出比较判断,提高了判断矩阵的一致性。

(2)本文采用改进的层次分析法,从可靠性、耐久性、施工条件、运行管理、经济因素和环境因素六个方面对黄壁庄水库副坝四种防渗方案进行优化对比分析,最终优化选出坝顶组合垂直防渗方案为最终方案,结果符合实际情况。

[1]河北水利水电勘测设计研究院.黄壁庄水库除险加固工程可行性研究报告[R].1997.

[2]白俊文,侍克斌.用改进的层次分析法(AHP)进行坝基防渗方案的优选[J].水利与建筑工程学报,2004,2(4):11-13.

[3]杨 敏.改进的层次分析法用于评定最优工程方案[J].系统工程理论与实践,1992,(11):23-30.

[4]Thomas Lsaaty.The Analytical Hierarchy Process,Mograw-Hill,Newyork,1980.

[5]许树伯.层次分析法原理及其应用[M].天津:天津大学出版社,1988.

[6]聂志龙,刘永强,方国华.层次分析法在爆破安全管理中的应用[J].爆破,2007,24(4):85-88.

[7]左 军.层次分析法中判断矩阵的间接给出法[J].系统工程,1988,(11):58-65.

[8]仲伟娟,魏长勇.大伙房水库除险加固工程主溢洪道围堰施工优化方案的研究[J],吉林水利,2006,(7):56-57.

Optimal Analyses of Anti-seepage Schemes Based on Improved Analytic Hierarchy Process

LI Jian-fang1,ZHAO Xi-yao2,LI Chen-liang3,WEI Jin-shuai3
(1.He'nan Yuxi Water Conservancy Survey-design and Consulting Co.,Ltd.,Sanmenxia,He'nan472000,China;2.Tianjin Investigation andDesign Institute of Water Conservancy,Tianjin300204,China;3.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China)

Since the secondary dam of Huangbizhuang Reservoir has been put into operation,the dam and upstream apron have happened cracks and tread-pit phenomena many times,and the sand boil and piping phenomena have occurred near the downstream drain and relief well.So four feasible anti-seepage schemes are proposed by Hebei Province Water Conservancy Department.Here,an improved AHP are adopted to comprehensively evaluate the schemes in aspects of reliability,durability,construction conditions,operation management,economic factors and environmental factors.The result shows that the crest-combined vertical anti-seepage scheme is an optimal anti-seepage scheme.

Huangbizhuang Reservoir;secondary dam;improved analytic hierarchy process(AHP);anti-seepage scheme;optimization

TV698.2+33

A

1672—1144(2012)05—0168—04

2012-04-15

2012-05-20

李建芳(1981—),女(汉族),山西省朔州市人,主要从事水工结构及水利建设项目管理工作。