基于 TOPSIS-GRA 水库大坝防渗加固施工方案综合评价

摘 要：本研究利用TOPSIS-GRA模型，对林皋水库大坝的4种防渗加固施工方案进行综合评价。通过构建包括成本效益、施工难度、预期耐久性、环境影响以及安全性能的多目标评价模型，系统比较了各方案的优劣。研究结果表明，方案一（设斜墙铺盖+重建防浪墙）在综合评价中表现最佳，其在安全性和环境影响方面得分较高，因此将其作为实施方案。本研究的方法论和结果可以为类似水利工程的方案评价和决策提供科学依据和实用工具，有助于优化施工方案选择，保证工程的成功实施和长期稳定性。

关键词：TOPSIS-GRA；水库大坝；防渗加固；施工方案

中图分类号：TV 87" " 文献标志码：A

水库大坝的安全性和稳定性是水利工程中的重要问题，特别是历史悠久且结构老化的大坝。因此，防渗加固是保证大坝功能和延长使用寿命的关键措施。本研究的目的是采用TOPSIS-GRA模型，对水库大坝的防渗加固施工方案进行综合评价，以选择最优的加固方案。通过分析不同方案在成本、施工难度、耐久性、环境影响和安全性能等方面的表现，本研究旨在提供一种科学、系统的方法学，辅助决策者在众多潜在方案中做出最合理的选择。

1 水库大坝防渗加固方案评价指标体系

1.1 指标体系选择

当构建水库大坝防渗加固施工方案评价指标体系时，必须精心选择反映方案综合效益的关键指标。通过综合考虑前述影响因素分析结果，建议制定一套平衡性与实用性兼具的评价框架[1]。该体系包括经济因素、工程质量、施工安全性、后期工程养护难度、技术先进性、工期以及环境影响七大类指标。在指标选择上，划分不要过于细致，减少计算工作量及不拖沓工程进度。同时，保证各指标能全面覆盖大坝除险加固的关键需求，并反映不同方案的优劣势。此外，考虑各指标间可能存在相互影响，须采用系统化方法保证评价的客观性和准确性，从而为决策者提供科学、合理的分析依据。工程指标体系如图1所示。

1.2 评价指标优化

在水库大坝防渗加固施工方案评价指标体系的优化过程中，采用李克特5级量表对初选的28个指标进行重要程度调查，以保证评价的科学性和实用性。调查通过线上线下相结合的方式，广泛征求水利行业技术从业者及学术界专家的意见。每项指标的重要性由参与者按照1至5分评定，其中1分为“极不关键”，5分为“非常重要”。共发放问卷150份，回收有效问卷132份，有效回收率达到88%。经过详细分析收集的数据，依据数据结果及专家建议对指标进行优化调整[2]。数据显示，高分值（4分及以上）指标对评价结果影响显著，应予以保留和重点考虑。而低分值（2分以下）的指标影响较小，建议从评价体系中剔除，以简化评价过程。此外，对分数接近中值的指标，进一步分析其相关性和冗余性，保证每个保留的指标都是必要且独立的，从而形成一个经过严格优化的评价指标体系，具体见表1。

2 水库大坝防渗加固施工方案多目标评价模型

2.1 改进的AHP-CRITIC组合赋权法

在水库大坝防渗加固施工方案多目标评价模型中，改进的AHP-CRITIC组合赋权法为决策者提供了一种科学有效的权重确定技术。该方法结合了层次分析法（AHP）的主观判断与客观赋权法CRITIC的计算精度，优化了评价模型的权重分配过程[3]。首先，通过AHP建立决策的层次结构，利用专家打分的方式确定准则层对目标层的相对重要性，计算局部权重。其次，采用CRITIC方法评估各指标间的冲突性和信息量，最后，通过指标的标准差及指标间的相关性计算每个指标的客观权重。CRITIC权重wi的计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：，cj为对所有指标信息量的总和；σi为指标i的标准差；rij为指标i和指标j的相关系数。通过加权平均法融合AHP和CRITIC的权重，得到最终的组合权重，如公式（2）所示。

wfindl，i=awAHP，i+（1-a）wCRITIC，i （2）

式中：α为预设的权重调整参数，通常根据实际情况设定，以平衡主观与客观赋权的影响；wAHP，i为指标i的AHP权重；wCRITIC，i为指标i的CRITIC权重。

2.2 TOPSIS-GRA模型构建

在水库大坝防渗加固施工方案的多目标评价模型中，TOPSIS-GRA模型构建是评价过程的核心。此模型融合了逼近理想解排序法（TOPSIS）与灰色关联分析（GRA）的优势，形成一种复合型决策分析工具，旨在处理多指标决策问题。TOPSIS法是通过确定每个方案与理想解和负理想解的距离来评估方案的相对优劣的[4]。理想解是所有属性最优值的集合，而负理想解是所有属性最劣值的集合。

TOPSIS模型的关键步骤：首先，对决策矩阵进行标准化处理，保证不同指标量纲的一致性。其次，计算各方案相对于理想解和负理想解的距离。距离的计算过程如公式（3）、公式（4）所示。

（3）

（4）

式中：D+和D−分别为方案i与理想解和负理想解的欧氏距离；wj为指标j的权重；xij为方案i在指标j上的值；xj-和xj+分别为指标j在所有方案中的最优值和最劣值。

最后，计算每个方案的相对贴近度，如公式（5）所示。

（5）

Ci的值越大，表明方案i与理想解的贴近程度越高，方案越优。

而GRA法则是通过计算方案与理想解在不同指标上的灰色关联度来评估方案的优劣。灰色关联度的计算过程如公式（6）所示。

（6）

式中：γ（x0，xi）为方案xi与理想方案x0的关联度；∆（x0，xi）为两者在指标j上的差异系数；ρ为分辨系数，通常取值为0～1。TOPSIS-GRA模型综合两种方法的优势，通过计算方案的相对贴近度和灰色关联度的加权平均，构建一个更全面的评价指标。

3 水库大坝防渗加固施工方案评价分析

3.1 工程概况

本文以林皋水库为研究对象，其具有独特的地理位置和历史背景。1968年10月开始兴建，于1970年5月主体工程告竣，1971年初全面竣工并正式投入使用。水库位于北洛河一级支流水河中游，坐落在林皋河汇入口下游200m处。主河槽30km，控制流域面积330km2。多年平均来水量达到1660万m³，水库兼具灌溉和防洪双重功能，属于中型水利枢纽工程。林皋水库的枢纽工程由3部分构成：大坝、溢洪道及防水设施。大坝本身是由碾压式均质土材料建成，按照原设计，坝顶高程为844.10m，最大坝高34.1m，坝顶全长450m，宽度为6m[5]。大坝上游坡面的坡比由上而下依次为1∶2.0、1∶2.75、1∶3.0，平均坡比为1∶2.51。下游坡面的坡比由上而下依次为1∶1.8、1∶2.45、1∶3.14，下游平均坡比为1∶2.38。坝顶上游侧还设有浆砌石防浪墙，墙体高1.2m，厚0.5m，防浪墙顶高程为845.30m。坝体坡面配有三道排水沟，间隔100m，坝体坡脚则配置有水平褥垫和排水棱体，棱体高度为2m。大坝基座设有一道梯形结合槽，位于坝轴线位置，槽底宽6.0m，开挖边坡为1∶1，槽深为10m。2020年3月，对水库的库容进行实地测量，结果显示有效库容为1488m³，死库容为0m³。库容曲线如图2所示。

3.2 水库大坝防渗加固施工方案

结合工程实际情况，针对右坝肩的防渗问题，本方案沿右岸防渗长度203m，通过斜墙铺盖和重建防浪墙来堵截渗漏通道进口。施工具体步骤包括拆除现状右岸浆砌石护坡，并改为钢筋混凝土结构。斜墙用现浇钢筋混凝土方式施工，墙体厚度为50cm，高程从840.92m降至837.00m，基底高程设为822.5m[6]。此外，护坡基础深入积淀面下1.0m，底宽2.5m，基底下方抛填2.0m厚块石，并每隔10m设置一道15mm宽的伸缩缝，填塞651型橡胶止水带及石油沥青聚氨酯，增强防渗效果。

基于大坝受力情况的详细分析提出该施工方案。通过计算水库水位高度为35m时的静水压力，得出静水压力P=ρgh=1000kg/m³×9.81m/s²×35m=343350Pa。此外，渗透压力取决于渗透水头和渗透系数。将渗透系数设为k=1×10-5m/s，渗透水头为30m，则渗透力Ps=ρwh=9.81kN/m³×30m=294.3kPa。

通过分析受力情况，利用TOPSIS-GRA模型进行综合评估，该方案在各评价维度上均表现出较高的得分，尤其在安全性能和环境影响方面得到了显著提升。

针对大坝右坝肩加固集中在切断中部潜在的渗漏通道问题，该方案的主要目标是通过上部的混凝土防渗墙和下部帷幕灌浆，来切断右坝肩中部的潜在渗漏通道。具体施工包括使用冲击钻进行钻孔，用渗透系数为2.61×10-9cm/s的C20.W8混凝土进行浇筑，形成高9m～14.5m的防渗墙，覆盖950m2。下部的帷幕灌浆采用双排布局，延伸至黄土塬方向20m。

通过计算大坝水库水位高度35m时的静水压力和渗透压力，结合TOPSIS-GRA模型，对成本效益、施工难度、预期耐久性、环境影响、安全性能等多维度指标进行优化评估，保证方案的科学性和系统性。

要针对溢洪道控制段的防渗加固，从坝岸结合部至溢洪道进口右岸坡角，总长约为183m。具体措施包括设置上部混凝土防渗墙和下部帷幕灌浆，有效封堵上游渗漏通道。此外，方案还调整溢洪道底板高程，将其从原高度下降1m～836.5m，以减轻上游坝坡的水压和冲刷作用，保护坝体结构，并在溢洪道进口增设四孔高5m、宽5m的闸门，以调节洪水调控能力。

当评价此方案时，通过详细计算大坝水库水位高度35m时的静水压力和渗透压力，结合多目标评价模型和关键评价指标进行深入分析，保证所提措施在技术和经济方面的可行性。

针对大坝实际情况，提出对溢洪道进口段、控制段及缓流段扩建，增强防渗功能，以应对潜在的结构优化需求和地质条件变化。方案涵盖下部帷幕灌浆和上部混凝土防渗墙的补强措施，特别针对上部黄土和新近系破碎钙质层，采用冲击钻进行钻孔并分段浇筑混凝土，形成稳固的防渗屏障。此次改造将溢洪道从原宽25m扩展至30m，以增加其泄洪能力，保证在极端天气条件下有效管理洪水流量。

当评价此方案的有效性时，通过计算大坝水库水位高度35m时的静水压力和渗透压力，结合TOPSIS-GRA模型，对成本效益、施工难度、预期耐久性、环境影响及安全性能进行系统评估，保证方案在技术和经济方面的可行性。

3.3 基于TOPSIS-GRA水库大坝防渗加固施工方案综合评价

针对本次研究的水库大坝实际情况，发现大坝受力情况主要包括静水压力与渗透压力等[7]。根据水库水位高度35m，对静水压力进行计算，P=ρgh=1000kg/m³×9.81m/s2×35m=

343350Pa。渗透压力取决于渗透水头和渗透系数，其中将渗透系数设置为k=1×10-5m/s，渗透水头为30m，则渗透力Ps=rwh=9.81kN/m³×30m=294.3kPa。为综合评价大坝的防渗加固施工方案，本文建立了包括成本效益、施工难度、预期耐久性、环境影响和安全性能在内的评价指标体系。通过数据标准化处理，保证各评价指标的一致性，并利用TOPSIS-GRA模型计算各方案与理想解和负理想解的距离，从而得到相对贴近度（Ci）。利用TOPSIS-GRA模型进行计算，基于方案一，设计理想解和负理想解分别为1和0，权重均为0.2，分辨系数ρ为0.5，根据公式（3）、公式（4），获得各方案与理想解在不同指标上的灰色关联度，并进一步评估各方案的优劣。

最终评价结果见表2。

通过TOPSIS-GRA模型结合大坝受力分析，方案一（设斜墙铺盖+重建防浪墙）在所有评价指标上表现最佳，特别是在安全性能和环境影响方面，因此推荐将其作为最优方案。该研究提供了科学、系统的评价方法，为类似水利工程的施工方案选择提供了有力支持。

4 结语

在本研究中，利用TOPSIS-GRA模型系统地评估了水库大坝防渗加固施工方案，针对林皋水库的具体案例，综合考虑了多个方案的成本效益、施工难度、预期耐久性、环境影响以及安全性能。分析结果揭示了各方案在综合性能上的优势与劣势，为决策者提供了科学、量化的评价依据。通过对比4种不同的防渗加固方案，发现在保障安全性和保证最小环境影响的同时，方案一（设斜墙铺盖+重建防浪墙）在满足所有评价指标上表现最为优异，因此将其推荐为最合适的施工方案。此项研究不仅加深了对水库大坝防渗施工方案评价的理解度，也为类似的土木工程项目提供了一种有效的评价工具和决策支持，保证了工程实施的科学性和可行性。

参考文献

[1]朱明洋.高喷灌浆技术在水库大坝防渗加固施工中的应用[J].中国科技投资，2021（12）：136-138.

[2]徐龙振.水利工程施工中堤坝渗漏原因以及防渗加固技术[J].地产，2023（7）：186-188.

[3]杨铃铃.防渗漏施工技术在房屋建筑工程中的应用探析[J].地产，2023（18）：223-225.

[4]刘目腾.建筑工程施工中的防水防渗施工技术[J].地产，2023（9）：210-212.

[5]李岩.建筑工程施工中的防水防渗施工技术[J].地产，2023（14）：209-211.

[6]刘志国，王冰洁.基于GRA-TOPSIS模型的青岛市制造业上市公司竞争力评价研究[J].青岛科技大学学报：社会科学版，2023，39（1）：31-36.

[7]刘科成，魏谭军，陈飞，等.多成分定量联合GRA及EW-TOPSIS法评价柴胡疏肝颗粒质量[J].中国药物警戒，2023（11）：1243-1248.