基于模糊综合评价分析的灌区渠道结构型式优化设计

周富强

(新疆瑞昶设计院有限公司，乌鲁木齐 830000)

1 灌区概况

麻扎灌区位于伊宁县麻扎乡、青年农场、维吾尔玉其温乡等境内，灌溉水源为博尔博松河，P=75%保证率下可供水量为3 526.85×104m3，灌区有效灌溉面积为0.347×104hm2。灌区干渠主要修建于20世纪50年代，干渠全长40 km，工程建设之初为土渠，工程建设标准低，经常发生滑坡和坍塌，渗漏十分严重，水资源利用率低下。20世纪90年代，对泄洪建筑物及其部分渠道进行过维修改造，但经过40多年运行，渠道两岸淘刷、坍塌、冻胀破坏已经十分严重，渠道多数地段已不能正常运行，对灌区进行全面改造迫在眉睫。

本次改造干渠总长度为13.8 km，支渠总长度31.388 km，配套渠系建筑物77座，其中农桥8座，节制分水闸32座，渡槽3座，过洪建筑物34座。为选择最佳的渠道结构型式，对不同断面型式的支渠渠道进行设计分析，以期为工程实践提供理论支撑。

2 渠道结构型式设计分析

2.1 结构型式设计

支渠渠道结构型式共设计3种，分别为梯形断面渠道、矩形断面渠道和U形断面渠道[1-4]。渠道渠底比降均为0.000 5，糙率均为0.015。梯形断面渠道底宽0.3 m，渠深0.4 m，边坡系数1.14；矩形断面渠道底宽0.33 m，渠深0.4 m；U形断面渠道半径为0.15 m，渠深0.4 m。衬砌混凝土强度为C25，抗冻等级为F200，防渗等级为W6。3种渠道断面结构示意见图1。

图1 渠道断面结构型式

2.2 工程造价分析

按每公里的工程量和造价进行分析，分别计算3种渠道断面下的土方开挖及外运量、粗砂垫层量、C25混凝土量、钢筋工程量、模板工程量、伸缩缝工程量等，并通过每种工程量的单价计算工程总造价，结果见表1。从表1中可以看到，在3种渠道断面型式中，矩形渠道的总造价最高，其次为U形渠道，造价最低的为梯形渠道。

表1 3种断面渠道造价分析

2.3 施工进度分析

采用横道图法对3种渠道型式下每公里施工时间进行分析，结果见图2。从图2中可知，梯形渠道由于断面构造较为复杂，因此每公里施工周期需要332.3 h；矩形渠道每公里施工周期为102.5 h；U形渠道每公里施工周期为63.2 h。从施工进度上来讲，U形>矩形>梯形。

图2 每公里施工进度分析结果

2.4 抗冻胀分析

灌区渠基土大多为低液限黏土，根据《水工建筑物抗冻张设计规范》(GB/T 50662-2011)中相关设计规定，对3种结构型式下渠道的冻胀量进行分析，结果见图3。从图3中可知，3种断面型式下，矩形断面渠道的冻胀量最大，坡面和底面的冻胀量分别为4.79和4.61 cm；其次为梯形断面渠道的冻胀量，坡面和底面冻胀量分别为4.18和4.14 cm；U形渠道的冻胀量最小，坡面和底面冻胀量分别为4.06和4.08 cm。3种断面渠道相比，U形渠道的抗冻性能最好，矩形渠道的抗冻性最差。

图3 不同断面型式冻胀量分析

3 渠道结构型式优选

3.1 模糊综合评价过程

模糊综合评价法(Fuzzy Comprehensive Evaluation，简称FCE)是一种应用于评价因素具有复杂性、评价对象层次性、偏激标准中存在模糊性或者评价影响因素存在模糊不确定、难以定量化表达的问题评价中[5-8]。模糊综合评价法的一般步骤为：①确定评价因素集A；②确定进行评价的对象集B；③通过灰色关联度系数求解建立隶属度矩阵C；④利用层次分析法确定权重值D；⑤根据评估矩阵和权重值结果，计算得到结果向量E=D*C；⑥根据结果向量E对评价对象进行评价。

本文评价对象为梯形断面渠道、矩形断面渠道和U形断面渠道，在选择最佳渠道结构型式时，需要对防渗效果、使用寿命长短、工程投资、抗冻胀性、管理维护、施工进度、水流条件等进行综合考虑。由于在设计时3种断面结构型式均采用相同标号混凝土作为衬砌材料，因此在防渗效果、使用寿命、管理维护等因素上的差别是十分微小的，对于模糊综合评价的影响可以忽略不计，故最终确定将工程投资、施工进度以及抗冻性3个因素作为评价因素集A=[投资，施工进度，抗冻性]。由于工程投资是定量的，故以上文分析得到的工程投资额作为评价指标数值，然后再对施工进度和冻胀量进行模糊打分，打分数值0～1。数值越大，表明施工进度越慢，抗冻性越差，结果见表2。

表2 各个因素评价指标数值

将3种渠道结构型式中造价最低、施工进度最好以及抗冻性最好的指标数值组成最优指标集，并将其代入3种渠道结构型式的评价矩阵中形成隶属度矩阵C，对隶属度矩阵C进行归一化处理，再根据灰色关联度系数求得隶属度矩阵C为：

(1)

将其中一个评价因素作为基准，列出其他因素相对于该因素的重要程度的比例标度，在确定3种因素的比例标度时，分别根据相同重要、稍微重要、明显重要、强烈重要、绝对重要这5种重要程度进行取值，取值分别为1,3,5,7,9，从而计算得到不同权重值排列方式(a3>a2>a1,a3>a1>a2,a1>a2>a3,a1>a3>a2,a2>a1>a3,a2>a3>a1)下的权重值：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3.2 评价结果

将每种重要程度在不同排列方式下的结果向量E汇总，见表3。从表3中可知，对于麻扎灌区，最好的渠道结构型式为U形渠道，U形渠道结构在不同工况下的结果向量E均是最大的；除了U形渠道结构型式，当考虑抗冻性优先时，梯形渠道结构型式要好于矩形渠道结构型式；当考虑施工进度优先时，矩形渠道结构型式要好于梯形渠道结构型式；当考虑工程投资优先、其次考虑抗冻胀性时，梯形渠道结构型式要好于矩形渠道结构型式；当优先考虑工程投资、其次考虑施工进度时，矩形渠道结构型式要好于梯形渠道结构型式。

表2 结果向量E汇总表

4 结 语

以麻扎灌区农田灌溉渠道改造工程为例，设计了梯形、矩形和U形3种断面结构型式的渠道，对3种渠道进行了对比分析，结论如下：

1)在3种渠道结构型式中，工程投资从大到小依次为：矩形>U形>梯形；每公里施工时间从大到小依次为：梯形>矩形>U形；U形渠道的抗冻性能最好，矩形渠道的抗冻性最差。

2)基于模糊评价分析法，将工程投资、施工进度、抗冻胀性作为评价因素，再分别利用层次分析法和灰色关联度系数法计算评价因素权重和判断矩阵，通过权重和判断矩阵得出结构向量，结果表明最优的渠道结构型式为U形渠道。

3)除了U形渠道，当优先考虑抗冻胀性或者优先考虑工程投资、其次考虑抗冻胀性时，应选择梯形结构型式；当优先考虑施工进度或者优先考虑工程投资、其次考虑施工进度时，应选择矩形渠道。