水闸地基防渗方案优选中多目标模糊层次算法的应用研究

郭爱枫

(朝阳市引白入朝供水工程建设管理局，辽宁 朝阳 122000)

水闸的安全稳定运行的重要影响因素为其地基的防渗处理，在水闸工程设计时通常首先需要对其地基防渗方案进行优先，确定最优的防渗方案。在防渗方案优选中其关键要素为其防渗稳定性设计指标，而在保障水闸安全运行下还要重点考虑其工程造价影响。近些年来，国内对于水闸地基防渗方案优选取得一定研究成果，但这些研究成果中对于水闸地基防渗方案优选往往仅考虑其稳定性影响因子，而对于其工程造价影响研究还较少。为提高水闸地基防渗方案设计的科学性，以辽河盘山闸为具体实例，采用多目标模糊层次算法对其除险加固工程中地基防渗方案进行优选。研究成果对于水利工程地基防渗方案优选方法具有参考价值。

1 研究方法

多目标模糊层次算法对水闸各防渗方案影响因素进行聚类后对其不同方案评价矩阵进行计算：

xm×n=(xij)m×n(i=1，2，…m；j=1，2，…n)

(1)

式中，xij—不同防渗方案下水闸地基防渗性能影响评估指标的特征值。

由于各方案下其防渗性能评估指标特征值量纲的差异性，对各指标特征值进行标准化处理，首先对各评估指标特征进行正向排序：

(2)

在评估指标特征值正向排序的基础上对其进行反向排序：

(3)

在指标特征值排序基础上计算不同防渗方案各平指标之间的隶属度矩阵：

Rm×n=(rij)m×n

(4)

按照指标聚类分析成果对各防渗方案下评估指标特征值之间的相对隶属度矩阵进行计算：

UC×n=(uj)c×n

(5)

式中，U—不同评估指标特征值之间的相对隶属度；C—不同防渗方案；n—评估指标总数；u—各评估指标之间的隶属度；c—防渗方案类别。

对评估指标隶属度值进行约束条件的设置：

(6)

在相对隶属度计算基础上建立模糊评估方程：

Sm×c=(si)m×c

(7)

式中，S—不同防渗方案下目标层模糊评估综合值；m—目标层总数；s—各防渗方案下的目标层模糊评估值。

在此基础上对各评估指标权向量进行计算：

w=(w1，w2，…wm)=(wi)

(8)

各指标权向量累积值满足以下条件：

(9)

在对各评估指标进行权向量计算后，建立多目标综合评估方程：

(10)

式中，f—综合评估值；p、a—多目标模糊层次算法准则层参数。

2 工程实例应用

以盘山闸除险加固工程为具体实例，盘山闸位于辽河的最下游，其设计标准的下泄流量为6800m3/s，其拦河闸共有14个下泄孔，正常挡水位为4.5m，盘山闸运行期已达到20年，亟需开展除险加固工作。目前，盘山站除险加固中闸基防渗方案主要设计为3套，分别为土工膜水平和垂向处理、粘土铺盖式，各类防渗方案优缺点不同，防渗效果也有所差异，分别从不同方案下闸基土层粘性、稳定性能、防渗密度、可靠性等方面进行方案对比，优先适合于盘山闸闸基防渗处理的最优方案。

2.1 影响评估指标的选定

在采用多目标层次优选算法对各防渗方案进行优选时，首选需要确定其方案对比评估的指标，结合专家经验方法对水闸闸基防渗处理的5个关键技术指标进行确定，并结合评估指标特征值计算方法，对各类指标的特征值进行计算，结果见表1。

表1 闸基防渗方案下评估指标特征值

从盘山闸防渗方案下评估指标特征值可看出，对于闸基防渗可靠性指标而言土工膜水平处理方案具有最大的特征值，分别为0.4852和0.4877。土工膜垂向处理方案下其对于闸基土层粘性影响程度最低，为0.1781，且闸基的稳定性系数相比于土工膜水平处理和粘土铺盖方式下均相对较低。从闸基防渗密度指标特征值分析可看出，粘土铺盖方式下其防渗密度特征最低，为0.1845，土工膜水平处理方式下的闸基防渗密度最高为0.3928。

2.2 评估指标隶属度的计算

在对水闸闸基防渗处理方案不同评估指标特征值分析基础上，结合指标隶属度计算方法对不同方案下各指标不同隶属度等级下的指标隶属度进行计算，结果见表2。

表2 水闸不同防渗方案下不同隶属度等级下的隶属度

从水闸不同防渗方案下不同隶属度等级下的指标隶属度分析结果可看出，对于土工膜水平处理方案而言其闸基防渗技术可靠性各隶属度等级下指标隶属度均为0.1466，其他指标隶属度对应不同隶属度等级均有所差异。对于土工膜垂向处理防渗方案而言，闸基防渗技术可靠性指标不同隶属等级下的隶属度最低，闸基土层粘性指标相比于其他指标，对于土工膜垂向处理方案而言其不同等级隶属度最高。从粘土铺盖式各特征指标不同隶属度分析可看出，对于该闸基防渗方案而言，和其他两种防渗方案一致，其闸基防渗技术可靠性指标隶属度均低于其他指标。

2.3 不同防渗方案优选分析

采用多目标模糊层次算法对不同防渗方案进行优先，目标函数中约束条件为各防渗方案下不同指标的隶属度，首先建立水闸闸基不同防渗方案的隶属函数，通过建立的隶属函数对各方案下的最大评价度进行计算，水闸闸基防渗方案评价度最大的为其最优方案，不同防渗方案下的最大评价度计算结果见表3，如图1所示。

图1 不同隶属度等级下各防渗方案评价结果

表3 不同隶属度等级下各防渗方案最大评价度计算结果

从不同隶属度等级下各防渗方案最大评价度计算结果可看出，土工膜水平处理最大评价度为0.5504，高于其他两种水闸闸基防渗处理方案下的最大评价度，为盘山闸最优防渗处理方案。对于隶属度Ⅰ等级而言，粘土铺盖方式下的评价度为0.32771，高于土工膜垂向和水平处理方式下的评价度，从不同隶属度等级下各方案评估指标隶属度函数值可看出，对于Ⅰ级隶属度而言，闸基防渗密度是其关键评估指标。在隶属度Ⅱ等级下，土工膜水平处理方案评价度为0.90265，高于其他两种方案下的评估度，对于Ⅱ级隶属度而言，闸基土层粘性是其关键评估指标。Ⅲ级隶属度下土工膜垂向防渗方案的评价度为1.03480，高于其他两种防渗方案，在Ⅲ级隶属度下水闸闸基稳定性系数是其关键评估指标。Ⅳ级隶属度下土工膜垂向处理方案评价度也同样高于其他两种防渗方案，对于Ⅳ级隶属度而言，闸基防渗密度是其关键评估指标。在Ⅴ级隶属度下土工膜水平处理方案下的评价度最高为0.53248，对于Ⅴ级隶属度而言闸基稳定系数是其评估关键指标。

3 结语

(1)土工膜水平处理防渗方案的的综合评价度最高，对于北方地区水闸闸基而言，为最优的防渗方案。

(2)对于水闸闸基防渗而言，闸基防渗密度在不同隶属度等级下隶属度相比较高，是其防渗方案优选关键评估指标。

(3)本文防渗方案优选评估关联的工程造价指标还较少，在后续研究中应增加经济效益评估指标进行分析。