水利水电工程中生态护坡比选方法研究

摘 要：本文针对水利水电工程建设过程中生态护坡方式的选择问题，结合层次分析法和灰色关联度法，提出了一种考虑生态护坡稳定性、造价、施工以及生态效益等多方面因素的生态护坡比选方法，并对实际工程案例进行分析。研究表明建立的生态护坡评价方法在实际工程中能对指标进行量化分析，具有很好的适用性；同时案例分析结果表明在此工程护坡方案中，生态混凝土护坡计算所得关联度评价指标为0.612，远高于另外2种方式，即采用生态混凝土护坡时的效益最佳。本文研究结果对相关工作具有一定现实意义。

关键词：水利工程；生态护坡；比选方法；灰色关联度法

中图分类号：TV 861 " " " " " " " 文献标志码：A

随着我国经济的发展，工程建设的目的不再只是满足自身需求，而是要考虑经济发展和环境保护间的密切联系。在水利水电工程中，使用生态护坡能在满足边坡自身稳定性和防洪需求的同时兼具生态效益，并与周围环境进行物质交换，实现动态平衡和可持续发展。众多专家学者对生态护坡进行了丰富的研究，刘俊熠[1]对水利工程河道生态护坡施工要点进行了深入研究；张丽娟[2]对水利水电工程中生态护坡的设计进行了研究；姚璐等[3]对3种生态护坡新技术进行了深入研究，并对其未来的应用前景进行展望。欧徽彬[4]对生态堤防设计在水利工程中的应用情况进行了分析。本文在前人的研究基础上，阐述了生态护坡的功能，并对现阶段常用护坡形式进行分析，对水利水电工程建设中生态护坡比选方法进行了深入研究，最后提出综合各因素的生态护坡比选方法，研究结果可给后续大型工程生态护坡比选工作提供一定参考。

1 生态护坡形式比选方法

1.1 灰色关联度法

灰色关联度法能对前期规划和假设的对象与实际对象间的契合度进行表述，其主要特点是通过规划与实际对象间的接近程度并进行排列，具有计算方法简单、对信息要求不高、受主观因素影响较小和准确度高等特点[5]。而水利水电工程生态护坡方式比选过程是对众多不确定性因素进行评价，因此灰色关联度法能很好地适用于这个过程。灰色关联度法的计算步骤如下。构建“参考序列”：假设分析对象中第i个单位的所有指标（共m项）的实际序列如公式（1）所示。

xi=（xi1，xi2，...xim），（i=1，2，...，n） （1）

式中；xim为第i个单位的第m项指标；xi为第i各单位的所有指标的实际序列。

公式（1）对应的参考序列如公式（2）～公式（4）所示。

x0=（x01，x02，...，x0m） " " " （2）

正向指标：x0j=max（xij/i=1，2，...n） " " （3）

逆向指标：x0j=min（xij/i=1，2，...n） " " "（4）

式中：x0为参考序列（同是继续序列一致，共m项）；x0j为均质化处理，第i个单位的指标均值，正向指标取最大值，逆向指标取最小值。

指标无量纲化处理。计算第i个单位中第y项指标与参考序列相比的关联系数如公式（5）所示。

（5）

式中：ξi（y）为关联系数；Δmin、Δmax分别为最大值与最小值；Δiy为绝对误差；ρ通常取0.5。

计算关联度γi如公式（6）所示。并综合计算结果进行评价排序。

（6）

式中：γi为关联度；Wy为权重。

经计算得出，若γi越大，则表示与最佳目标值越接近。

1.2 指标权重赋值方法

在运用灰色关联度法对生态护坡方案进行比选的过程中，需要采用层析分析法构建层析判断矩阵对指标权重进行赋值，具体赋值方法如下[6]。

层析分析法层析结构图如图1所示，根据图1，层析结构构造比较矩阵，可根据标度要求采用九分位数值标度值明确指标的重要程度，建立判断矩阵如公式（7）所示。

A={aij} " " " （7）

式中：A为判断矩阵；aij为第i项准则中第j项子准则的九分位数值标度值。

将所建立的权重矩阵元素相乘，得出公式（8）。

Mi=∏bij，i=1，2，...，n " " " " （8）

式中：Mi为权重矩阵乘积；bij为权重矩阵值。

计算Mi的n次方根，如公式（9）所示。

（9）

对矩阵W=[w1，w2….，wn]T进行归一计算，如公式（10）所示。

（10）

式中：为归一化计算后的W=[w1，w2….，wn]T。

对上式求取最大特征根，如公式（11）所示。

（11）

式中：λmax为矩阵的最大特征根。

由于层析分析法在对指标进行权重赋值的过程中可能存在不合理现象，因此采用层析分析法需要对所建立的判断矩阵的一致性进行检验，当一致性检验满足需求时说明建立的判断矩阵具有实际意义，若不通过一致性检验则说明建立判断矩阵不合理，不满足一致性要求，需要重新建立权重矩阵[7]。一致性检验公式如公式（12）所示。

（12）

式中：CR为一致性检验指标值；RI为平均随机一致性指标，取值见表1；n为判断矩阵阶数。

计算所得CR=0认为一致，当CRlt;0.1时认为满足一致性要求。

2 生态护坡比选评价流程

2.1 生态护坡比选评价流程

当对生态护坡方式进行比选时，首先，需要针对实际情况建立比选指标体系模型，并计算各指标权重。其次，利用灰色关联度法计算指标值的关联度，最后，根据指标值关联度对生态护坡方式进行比选。具体比选流程如图2所示[8]。

2.2 生态护坡比选内容

2.2.1 结构稳定性

生态护坡作为一种边坡形式，要满足结构稳定性要求，边坡稳定性主要包括结构稳定性、抗冲刷性和防洪排涝等方面要求，因此结构稳定性、抗冲刷性和防洪排涝是边坡稳定性比选指标中的重要组成部分。边坡结构稳定性指标是生态护坡比选中十分重要的指标，在生态护坡边坡稳定性评价的过程中，不同类型的生态护坡采用的评价标准不相同，但均须满足相关规范要求。在生态护坡比选的过程中，由于结构和材料性质不同，针对同一建设位置，不同形式护坡在稳定性的各方面有一定差异。因此在比选过程中要仔细把握稳定性分析中的要点，对稳定性指标进行全面考虑。

2.2.2 造价

生态护坡的造价问题主要分为3个部分：建设造价、维护造价和运行年限。其中建设造价主要包括人工费用、机械使用费用和料费等部分，可通过查询相关定额得出这部分费用，不同形式生态护坡在建设和维护的过程中采用的人、财和机使用数量和时间不同，因此有一定的差异。维护造价部分产生的费用除去维护过程中产生的人、财和机使用费用外，不同形式生态护坡维护频率不同产生的费用也有一定差异，同样是比选过程中造价部分需要考虑的重要因素之一。使用年限问题也是决定生态护坡造价的一个重要因素，而使用年限主要取决于护坡原材料材质好坏、尺寸大小、材料准备以及护坡所在河道的地质条件等因素。有关造价部分指标评价主要取决于各形式护坡造价的高低。

2.2.3 施工

施工过程中的主要指标包括施工和维护难度、施工过程对环境的影响、进度以及原材料等部分。其中，施工及维护难度主要取决于施工过程采用的工法、施工环境以及外部因素等，维护难度主要取决于原材料的性质、维护难度以及维修成本。施工过程对环境的影响主要包括施工过程中采用的工法对环境的影响程度和施工完成后对环境的恢复速度和恢复程度等方面。施工进度的不同主要取决于护坡形式的不同，相同条件下工期最短的为纯植被型护坡，工期最长的为工程生态综合性护坡。原材料主要取决于原材料获取的难易程度，例如原材运距和价格等。

2.2.4 生态效果

生态效果是生态护坡最显著的特点，其包括的指标较多，主要有透水性、涵水性、水土保持效果、生物多样性、可持续性、亲水性以及盖度等指标。其中，主要用结构体渗透系数表征透水性和涵水性，由水土流失量判定水土保持效果，盖度为植物覆盖坡面的比例，其中＜55%为盖度差；55%～65%为较差，65%～75%为中等；75%～85%为较好；85%～100%为盖度好。

3 案例分析

3.1 工程简介

某河道治理工程全程为56.14km，河道沿线地势起伏较小，河道沿线沟渠纵横，存在较多农田和村庄。工程建设区域第四系发育较为齐全，以河湖沉积相为主，并有一定的海陆过度沉积相，建设场地内不存在断裂构造。在此工程河道治理的过程中存在一高坎岸坡，岸坡高度为7.5m，岸度比为1∶0.15，岸坡为均值土坡，土体抗剪强度参数见表2。

在确定坡面生态护坡选择方式的过程中，结合项目实际需求和工程地质条件、生态环境建设需求等方面选择生态植被护坡、生态混凝土护坡以及土工格栅固土种植基护坡3种生态护坡方式参与比选。

3.2 确定指标权重

在工程中，根据上文所述生态护坡比选内容，选择结构特性、工程经济、施工难度以及生态效益4个方面作为权重分布方案的主要指标层，并根据各类中的重点内容进行细化，得到12项准则层指标，指标分类方法见表3。

表3中权重列为准则层在指标层中的权重分配，权重列复制方案为定量指标，例如稳定性系数、施工投入和运维成本等根据工程实际计算值进行权重赋值；定性指标，例如生物多样性和建筑材料获取难度等，通过咨询相关专家和工程参与人员进行权重赋值。表3中总权重排序列首先是根据指标层对工程建设的重要性对其进行权重赋值，其次结合各指标层内部准则层的具体权重值，计算准则层相对整体而言的权重赋值。建立层次总排序后，按照上述内容对其进行一致性检验，最后求出结果CR＜0.10，说明建立权重赋值方法通过合理性论证。

3.3 生态护坡比选结果

根据表3建立的护坡比选方案总体权重分布表结合工程案例，分别对工程生态植被护坡（形式A）、生态混凝土护坡（形式B）以及土工格栅固土种植基护坡（形式C）这3种护坡类型进行比选。通过对定性指标的量化和定量指标比选，经层次分析法确定判断矩阵后，根据灰色关联度法计算的综合评价结果见表4。

关联度评价指标值越大，对应的生态护坡性能越好，根据表4，生态混凝土护坡（形式B）的关联度评价指标最大，为0.612，其次是生态植被护坡（形式A），关联度评价指标为0.513，土工格栅固土种植基护坡（形式C）最小，关联度评价指标为0.382。根据计算结果可知，选择生态混凝土护坡方式的方案性能最好。

4 结论

本文对水利水电工程中有关生态护坡内容进行深入分析，并提出生态护坡比选方法，研究结果如下：1）采用层次分析法和灰色关联度法作为生态护坡比选方法，并结合水利水电工程生态护坡比选方法的重点内容，研究给出生态护坡比选方法的核心计算思想。2）将工程实际作为研究对象，进一步论证层次分析法和灰色关联度法在水利水电工程生态护坡比选中的实际应用情况，结果表明此方法具有很好的适用性，同时提出了生态护坡方案。本文研究结果可为后续水利水电工程生态护坡比选工作提供一定借鉴。

参考文献

[1]刘俊熠.水利工程河道生态护坡施工要点[J].科技资讯，2022，20（2）：98-100.

[2]张丽娟.水利工程护坡生态化设计[J].黑龙江科学，2020，11（4）：120-121.

[3]姚璐，朱震东，王璐.水利工程岸坡生态防护新技术的应用与展望[J].水利技术监督，2020（5）：227-229.

[4]欧徽彬.生态堤防设计在水利工程中的应用探讨[J].工程技术研究，2020，5（6）：235-236.

[5]孙桂芳，孙志超.水利工程中的河道生态护坡施工技术[J].中国新技术新产品，2021（7）：122-124.

[6]肖阳，扆嘉利.水利工程中河道生态护坡施工技术探究[J].人民黄河，2020，42（增刊2）：176-177.

[7]侯丽姗.河道生态护坡治理工程受土质稳定性影响探析[J].黑龙江水利科技，2019，47（1）：84-86，197.

[8]王鹏.大型河道整治工程生态护坡型式综合比选及应用[D].扬州：扬州大学，2022.