基于层次分析法的浆砌石坝水利堤防施工风险识别研究

张 琳

(烟台市城市水源工程运行维护中心,山东 烟台 264003)

0 引 言

随着全球气候变化和人类活动的不断影响,水利堤防工程在保障人类生命财产安全和社会经济发展方面具有越来越重要的地位。作为水利工程中的重要组成部分,浆砌石坝的施工质量和安全性关系到整个水利工程的稳定性和功能性[1-3]。但在浆砌石坝的施工过程中,存在许多影响施工质量和安全的风险因素,这些因素可能对工程造成严重的损失和影响。因此,对浆砌石坝施工中的风险因素进行评估十分必要[4-5]。

层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是一种定性和定量相结合的风险评估方法,它通过建立层次结构模型,将复杂的风险因素进行系统化的分解和比较,从而实现对风险因素的全面评估。在浆砌石坝施工中,AHP可以有效应用于风险因素评估,有助于更好地理解和控制施工过程中的风险,优化施工方案,提高施工质量[6-7]。

本文通过文献综述和实地调查相结合的方式,梳理出现行浆砌石坝施工中存在的部分风险因素,并通过层次分析法对这些风险因素进行系统化评估,以得出各项风险因素的重要性。首先对浆砌石坝的施工工艺进行研究,然后利用层次分析法对风险因素进行探讨,最后对浆砌石坝风险因素进行试验分析。研究旨在为水利堤防工程的施工和管理提供科学依据和技术支持。同时,研究结果可为其他类似工程的风险评估提供参考和借鉴,推动水利工程领域的发展和进步。

1 水利堤防施工建设中浆砌石坝施工技术研究

1.1 水利工程中浆砌石坝的施工工艺研究

浆砌石坝是水利工程中常见的的重要构筑物,由石块和砂浆组成,具有较高的抗冲刷性能和抗渗性能。浆砌石坝施工工艺的主要步骤为:坝基准备、石材选择、砂浆配制、石块摆放、砂浆注浆、坝面修正、养护[8-9]。坝基准备:首先要进行坝基的准备工作,包括清理坝基上的杂物、测量坝基高程和线形等,确保坝基的平整和坚实,以便后续施工工作。石材选择:根据工程要求和现场情况,选择合适的石材作为浆砌石坝的填料。石材应具有一定的强度和耐久性,并经过筛选和清洗。砂浆配制:根据设计要求,配制出适宜的砂浆,一般采用水泥、细砂和适量的添加剂混合而成,砂浆的配制需要控制好水灰比和砂浆的流动性。石块摆放:将石块按照设计要求和施工图纸的要求逐层摆放在坝基上,石块应紧密贴合,不得有空隙,同时要注意控制坝体的坡度和线形。砂浆注浆:在石块之间和石块与坝基之间进行砂浆注浆,以填补石块之间的缝隙,增加整体的稳定性和密实度。注浆时,要控制好注浆的压力和浆液的流动性。坝面修正:在砂浆凝固后,对坝面进行修正,使其达到设计要求的坡度和线形。修正时,可以采用机械或人工方式进行。养护:完成施工后,对浆砌石坝进行养护,保持砂浆的湿润,促进其硬化和强度的发展。养护时间一般为7～14天,具体根据砂浆的配方和环境条件确定。具体的工艺步骤还需根据每个具体工程的要求进行调整和优化,在施工过程中还需要注意安全措施,保证施工人员的安全。浆砌石坝的主要施工步骤见图1。

图1 水利工程中浆砌石坝的施工流程图

浆砌石坝中施工重点是坝体的充填和灌浆,该工序主要分为3步进行:第一道工序之间的间距为10m;第二道工序的孔距也为10m;第三道工序的孔距为6m。同时,浆砌石坝上游排孔的孔距轴线为2.5m,下游的排孔孔距为0.5m,并在廊道上钻2m的位置为终孔。整体充填的原则按照先疏后密、先下游后上游的要求,且灌浆前需要对灌浆位置进行水流和气流的转换冲洗,冲洗时的压力要求必须高于灌浆压力的80%。当冲洗出水为清水后,继续冲洗30min,以保证灌浆质量。冲洗结束后,利用的水泥为硅酸盐水泥,若存在局部吃浆量较大的情况,需要对应的先充填水泥砂浆,然后再灌填纯水泥浆。

灌浆的压力要求需要根据实际情况而定,并不是压力较大,填充效果越好[10]。岩石深度与灌浆压力的关系公式如下:

P=aD

(1)

式中:P为灌浆压力,MPa;a为系数,根据岩石的坚硬程度进行选择,通常硬度较高的选择0.08～0.1,硬度较低的选择0.04～0.05;D为灌浆部分的灌浆深度。

具体灌浆位置的灌浆压力公式如下:

P1=P2+MD1

(2)

式中:P1为具体的灌浆压力,MPa;P2为该位置能够承受的压力,MPa,可通过查询技术参数表得到;M为灌浆位置顶板所在岩石每加深1m,能够允许增加的压力,也可通过技术参数表查询得到;D1为灌浆位置以上验证的厚度,m。

常用的不同灌浆深度与灌浆压力的关系图见图2。

图2 灌浆深度与灌浆压力的关系图

在完成浆砌石的充填和灌浆后,还需要对浆砌石坝工程进行良好的养护。其常见的病害包括开裂、冲刷、脱落、渗漏等。开裂是由于浆砌石的自重和外力作用,容易发生裂缝,尤其在基床不均匀或地基沉降不均匀的情况下更容易出现。同时,在水流不断冲刷下,浆砌石表面的砂浆会被冲刷掉,使石块之间的间隙增大,导致结构强度下降。由于外力作用或材料老化等原因,浆砌石可能出现石块脱落或砂浆剥落的情况,影响结构的完整性和稳定性。浆砌石本身并不具备防水功能,若构筑物需要具备防水功能,则需要进行防水处理,否则会出现渗漏问题。

因此,为了防止这些病害的发生,通常需要对浆砌石进行定期检查维修,及时补充砂浆、处理裂缝、加固结构等[11]。在施工过程中,需要注意选用优质的材料、正确的施工工艺和合理的设计,以提高浆砌石的抗病害能力。

1.2 基于AHP浆砌石坝施工工程风险因素评估方法研究

为了有效评估施工工程的风险,研究利用AHP对浆砌石坝施工工程的风险因素进行评估。AHP(Analytic Hierarchy Process)是一种定性与定量相结合的多准则决策分析方法,广泛应用于各领域的风险评估中。基于AHP方法,对浆砌石坝施工工程的风险因素进行评估[12-14]。

首先,确定评估的准则体系。浆砌石坝施工工程的风险因素可以从技术、管理、环境等多个方面进行考虑。根据实际情况,可以将风险因素划分为施工技术风险、施工管理风险、环境风险和社会因素风险等4个方面。其次,建立层次结构模型。层次结构模型是AHP方法的核心,通过对各因素之间的层次关系进行分析和判断,确定因素之间的权重。在浆砌石坝施工工程中,施工技术风险包括施工工艺的可行性、施工材料的质量等因素。施工管理风险包括人员素质、施工组织等因素。环境风险包括气候条件、地质条件等因素。社会因素风险包括社会影响、政策法规等因素。在层次结构模型中,需要将这些因素进行层次划分,确定各自的重要性。然后,建立判断矩阵。判断矩阵是AHP方法中用于量化判断的工具。通过专家对每个因素两两之间的比较,建立判断矩阵,从而确定各因素之间的相对重要性。最后,通过计算得出各因素的权重,对浆砌石坝施工工程的风险因素进行评估。根据各因素的权重,对施工过程中可能出现的风险进行预判和评估,并采取相应的措施进行防范和应对。

该方法能够将一部分量化存在困难的定性问题,在以数据运算的基础上进行定量化研究。同时将一些定量与定性混合的问题结合成为整体,并对其进行分析。以此为基础,对所作出的判断进行验证。见图3。

图3 基于AHP的风险因素识别评估层次结构示意图

在应用传统的层次分析法过程中,基于AHP的浆砌石坝施工工程风险因素评估方法,具有结构化评估、综合性评估、灵活性和适应性、可视化分析以及沟通和共识等优势,可以提高风险评估的准确性和决策的科学性。

2 基于AHP的浆砌石坝水利堤防施工风险因素识别性能分析

为了验证浆砌石坝施工前后的性能,研究对浆砌石坝灌浆前后的注水试验结果进行对比,结果见表1。表1中,前两个位置为灌浆前的试验结果,后两个位置为灌浆后的试验结果。其中,渗透系数越小,表明浆砌石坝的渗透性能越好,防水效果越高。灌浆前后的吸水量变化可以反映灌浆处理的效果,即如果灌浆后的吸水量明显减少,表明灌浆处理有效堵塞了石坝的孔隙或裂缝,提高了坝体的抗渗性能。

表1 浆砌石坝灌浆前后的注水试验对比结果

由表1可知,灌浆前,两个位置的 6个点位吸水量分别为7.6、6.8、3.5L/min和22.3、19.4、21.5L/min;灌浆后,两个位置的6个点位吸水量分别为0.73、1.26、1.88L/min和0.78、1.24、1.91L/min。通过对比发现,灌浆后吸水量和渗透系数呈显著降低,表明浆砌石坝灌浆前后吸水量和渗透系数的变化也可以反映坝体的稳定性。灌浆后的吸水量和渗透系数明显减小,表明灌浆处理提高了坝体的稳定性,减少了水的渗透和渗漏,降低了坝体可能发生的冲刷、滑动和渗透破坏的风险。通过监测和分析浆砌石坝灌浆前后吸水量和渗透系数的变化,可以评估灌浆处理的效果,并为灌浆工程的质量控制和坝体稳定性评估提供依据。

为了研究水位高度对浆砌石坝的影响,将水位高度作为对浆砌石坝的风险因素进行敏感性探究,试验结果见图4。

图4 水位高度对浆砌石坝风险因素敏感性分析

由图4可知,随着水位高度的增加,浆砌石坝对风险因素的敏感性逐渐降低。表明当水位上升时,浆砌石坝对于某些风险因素的抵抗力会减弱。在水位较高的条件下,浆砌石坝的安全性降低,出现风险的概率增加。其原因主要是水位过高会导致坝体承受的压力增大,这种额外的压力会增加坝体崩塌或破裂的风险。此外,水位过高还会对坝体的结构产生不利影响,包括坝体材料的湿度增加、冻融破坏以及水流冲刷等,这些因素将进一步降低坝体的结构稳定性,增加其发生损坏和破裂的风险。

为了验证浆砌石水利堤防风险因素识别的准确性和效率,在水利工程堤防风险因素数据集中,将其与属性层次模型(Attribute Hierarchical Mode, AHM)、网络层次分析法(Analytic Network Process, ANP)进行对比,结果见图5。

图5 3种方法的风险因素识别准确率和效率对比结果

由图5(a)可知,3种方法在水利堤防工程中的风险识别准确率存在一定的差异,其中AHP、ANP与AHM的风险识别准确率分别为89.06%、87.14%和88.27%。由图5(b)可知,在水利堤防工程风险识别的效率中,3种方法虽然存在的差异较小,但AHP的识别效率高于其他两种方法。AHP、ANP与AHM的风险识别效率分别为83.91%、81.63%和81.16%,表明研究构建的方法具有一定的优势。

为了进一步评估浆砌石坝在水利堤防施工中的应用性能,研究利用基于AHP的浆砌石坝渗透系数预测值与真实值进行对比,结果见图6。

图6 基于AHP的浆砌石坝渗透系数真实值与预测值对比结果

由图6可知,浆砌石坝的渗透系数真实值与预测值之间存在较为明显的差异,导致出现这种情况的原因为岩石和土壤的非均质性和自然条件变化的变化。其中,岩石和土壤的非均质性导致渗透系数在不同位置和方向上有很大的差异。预测渗透系数时,常常难以准确地描述和考虑这种非均质性,导致预测值与真实值之间存在差异。同时,渗透系数受自然因素的影响较大,如水位变化、季节性气候变化等都会对渗透系数产生影响。预测渗透系数时,难以完全考虑这些变化,导致预测值与真实值之间存在差异。研究表明,基于AHP的浆砌石坝渗透系数真实值和预测值的对比,可以评估和改进预测模型的准确性,优化浆砌石坝的设计和施工,并提供指导决策的依据。

3 结 论

本文基于AHP的浆砌石坝施工工程在水利堤防工程中风险因素评估方法,通过构建风险因素的评估方法,实现了对影响浆砌石坝施工工程质量风险因素的解析。通过专家评分等方式,对各风险因素进行两两比较,得出了层次因素的权重;通过综合考虑风险因素的影响程度,得到部分影响浆砌石坝在水利堤防工程中的风险因素产生原因。结果表明,灌浆前6个点位的吸水量分别为7.6、6.8、3.5L/min和22.3、19.4、21.5L/min;灌浆后6个点位的吸水量分别为0.73、1.26、1.88L/min和0.78、1.24、1.91L/min。研究表明,该方法具有可操作性强、结果客观准确的优点,为水利堤防工程中浆砌石坝施工质量的控制提供了有效的理论支持和实践指导。