趙倩，常志朋

（1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011；2.奎屯農(nóng)七師勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），新疆奎屯833200）

1 工程概況

哈桑河西沉沙調(diào)節(jié)池位于昭蘇盆地西部，距離新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)四師七十六團(tuán)團(tuán)部約10.0 km，距伊寧市252 km。哈桑河西沉沙調(diào)節(jié)池工程大壩壩型為均質(zhì)土石壩，主要由大壩和放水建筑物組成。

哈桑河是特克斯河在中方北岸的一條支流，隸屬于新疆兵團(tuán)農(nóng)四師七十六團(tuán)和七十七團(tuán)。哈桑河源于中部天山蘇木拜山南麓哈薩克斯坦境內(nèi)，河長(zhǎng)66 km，從北向南流，注入特克斯河。

沉沙調(diào)節(jié)池工程為Ⅳ等小（1）型沉沙池，沉沙池興利池容330萬(wàn)m3，淤積池容29萬(wàn)m3，總池容359萬(wàn)m3。對(duì)應(yīng)正常蓄水位1825.00 m，死水位1814.06 m。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 壩軸線位置選擇

經(jīng)反復(fù)踏勘研究，根據(jù)庫(kù)容規(guī)模，綜合考慮壩軸地形地質(zhì)條件、工程布置及成庫(kù)條件等多方面因素，在哈桑河沖溝“Y”型口以下長(zhǎng)約1.0 km的河段內(nèi)選擇了壩址。壩址位于“Y”型沖溝，東西兩側(cè)溝交匯于下游0.4 km處。

由《農(nóng)四師76團(tuán)哈桑河西沉沙調(diào)節(jié)池工程可行性研究報(bào)告》方案比選可知，選定壩軸具有：地形條件有利于粘性土均質(zhì)土石壩布置、壩軸線短、壩體填筑工程量較少、投資少、蓄水位位置高、料場(chǎng)運(yùn)距近、施工工期較短等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 壩型方案

主要根據(jù)壩址區(qū)地形、地質(zhì)情況以及當(dāng)?shù)靥烊唤ㄖ牧蠗l件進(jìn)行壩型方案優(yōu)選，且本工程屬于Ⅳ等小（1）型工程，在壩型選擇中主要考慮采用均質(zhì)土石壩、粘土心墻壩、粘土斜墻壩以及均質(zhì)砂礫石壩等幾種壩型[1]。通過壩型設(shè)計(jì)優(yōu)化，在滿足壩體穩(wěn)定與應(yīng)力條件要求的情況下，各設(shè)計(jì)壩型方案成果如下。

（1）均質(zhì)土石壩方案——方案一

①壩頂寬度

考慮交通及施工要求，壩頂寬度5 m，樁號(hào)0+392處設(shè)置停車道，路面為砂礫石路面，厚30 cm，樁號(hào)0+000～0+392。上游側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土防浪墻，墻總高2.20 m。下游側(cè)設(shè)置路緣石，標(biāo)號(hào)C25，尺寸0.6 m×0.6 m×0.2 m，M10砂漿砌筑。壩頂采用向下游坡排水，路面橫向坡比2%。

②上、下游壩坡擬定

參考國(guó)內(nèi)外已建工程，結(jié)合本工程壩址區(qū)石料的物理力學(xué)性質(zhì)，經(jīng)工程類比和壩坡穩(wěn)定計(jì)算，初步擬定均質(zhì)土石壩上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡1∶2.25。

③壩頂高程

根據(jù)SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定計(jì)算壩頂（設(shè)置防浪墻），設(shè)計(jì)高程為1828.00 m，壩址最低建基高程為1806.75 m，因此最大壩高為20.25 m。

（2）粘土心墻壩方案——方案二

①壩頂寬度

考慮交通及施工要求，壩頂寬度5 m，其中，心墻頂寬3.0 m，反濾層及過渡層厚度均取0.8 m。砂礫石路面，厚30 cm，下游側(cè)設(shè)置路緣石。壩頂上游側(cè)設(shè)倒T形C25鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻總高2.2 m，壩頂至防浪墻頂1.0 m。

②上、下游壩坡擬定

參考國(guó)內(nèi)外已建工程，結(jié)合本工程壩址區(qū)石料的物理力學(xué)性質(zhì)，經(jīng)工程類比和壩坡穩(wěn)定計(jì)算，初步擬定均質(zhì)土石壩上游壩坡為1∶2.25，下游壩坡1∶2.0。

③壩頂高程

根據(jù)SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定計(jì)算壩頂（設(shè)置防浪墻），設(shè)計(jì)高程為1828.00 m。

（3）粘土斜墻壩方案——方案三

①壩頂寬度

考慮交通及施工要求，壩頂寬度5 m，其中，斜墻頂寬3.0 m，反濾層及過渡層厚度均取0.8 m。樁號(hào)0+392處設(shè)置停車道，路面為砂礫石路面，厚30 cm，樁號(hào)0+000～0+392。上游側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土防浪墻，墻總高2.20 m。下游側(cè)設(shè)置路緣石，標(biāo)號(hào)C25，尺寸0.6 m×0.6 m×0.2 m，M10砂漿砌筑。壩頂采用向下游坡排水，路面橫向坡比2%。

②上、下游壩坡擬定

參考國(guó)內(nèi)外已建工程，結(jié)合本工程壩址區(qū)石料的物理力學(xué)性質(zhì)，經(jīng)工程類比和壩坡穩(wěn)定計(jì)算，初步擬定均質(zhì)土石壩上游壩坡為1∶2.25，下游壩坡1∶2.0。

③壩頂高程

根據(jù)SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定計(jì)算壩頂（設(shè)置防浪墻），設(shè)計(jì)高程為1828.00 m。

（4）砂礫石土石壩方案——方案四

①壩頂寬度

考慮交通及施工要求，壩頂寬度5 m。樁號(hào)0+392處設(shè)置停車道，路面為瀝青路面，瀝青厚10 cm，樁號(hào)0+000～0+392。上游側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土防浪墻，墻總高2.20 m。下游側(cè)設(shè)置路緣石，標(biāo)號(hào)C25，尺寸0.6 m×0.6 m×0.2 m，M10砂漿砌筑。壩頂采用向下游坡排水，路面橫向坡比2%。

②上、下游壩坡擬定

參考國(guó)內(nèi)外已建工程，結(jié)合本工程壩址區(qū)石料的物理力學(xué)性質(zhì)，經(jīng)工程類比和壩坡穩(wěn)定計(jì)算，初步擬定均質(zhì)土石壩上游壩坡為1∶2.25，下游壩坡1∶2.0。壩前坡采用塑料薄膜作為防滲材料。

③壩頂高程

根據(jù)Sl274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定計(jì)算壩頂（設(shè)置防浪墻），設(shè)計(jì)高程為1828.00 m。

3 壩型設(shè)計(jì)方案優(yōu)選

上述4種壩型方案，都能使壩體的穩(wěn)定和應(yīng)力滿足要求，壩型方案的取舍同時(shí)取決于當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?、施工方案及施工期運(yùn)行管理的選擇。目前本工程的主要任務(wù)為引蓄灌溉、沉砂沖砂，解決七十六團(tuán)0.44萬(wàn)ha耕地干旱缺水的問題。為此，本設(shè)計(jì)將施工條件、工程投資、施工工期及施工期運(yùn)行管理（農(nóng)業(yè)供水）等方面作為評(píng)判準(zhǔn)則進(jìn)行合理壩型方案的優(yōu)選。

3.1 建立層次評(píng)價(jià)模型

這些因素中，除工程投資及施工工期可以量化外，施工條件與運(yùn)行管理均不能量化。在這種情況下，利用層次分析法[2，3]進(jìn)行壩型方案的選擇較為適宜。根據(jù)工程壩型方案建立層次評(píng)價(jià)模型[4～6]，如圖1。遞階層次的最上層為目標(biāo)層（A），即選擇合理的壩型方案；準(zhǔn)則層為選擇方案時(shí)所需考慮的四方面因素，即施工條件（B1）、工程造價(jià)（B2）、施工工期（B3）和運(yùn)行管理（B4）。根據(jù)前述論證的壩型方案，有均質(zhì)土石壩方案、粘土心墻壩方案、粘土斜墻壩方案以及均質(zhì)砂礫石壩方案作為備選壩型方案。

3.2 形成判斷矩陣

根據(jù)工程的具體要求，對(duì)壩型方案層次模型中同一層各個(gè)元素以上一層元素指定的準(zhǔn)則，按照相對(duì)重要性相互比較，比較的標(biāo)度見表1。

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Table 1:Judgment matrix scale and its meaning

這里列出目標(biāo)層（A）與準(zhǔn)則層（B）見表2，以及準(zhǔn)則層（B）與方案層（C）的比較判斷矩陣見表2～6。其中的定性衡量由管理單位與設(shè)計(jì)單位專家共同協(xié)商，然后采用兩兩對(duì)比確定準(zhǔn)則層及方案層的判斷矩陣。

表2 準(zhǔn)則判斷矩陣A-BTable 2:Criterion judgment matrix A-B

3.3 計(jì)算權(quán)重與一致性

各指標(biāo)的權(quán)重值見表2～6。通過以上計(jì)算可知各層次單排序CR＜0.1，所以各層次單排序具有滿意的一致性結(jié)果。

3.4 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

首先，將各層的成對(duì)比較矩陣數(shù)據(jù)按列進(jìn)行歸一化，然后每一行求和平均，得到每一層元素相對(duì)上層元素的權(quán)重向量，再由同一層的權(quán)重向量合并成為權(quán)重矩陣，最后計(jì)算得到壩型方案層次評(píng)價(jià)的總排序，詳見表7。

表3 施工條件判斷矩陣B1-CTable 3:Construction condition judgment matrix B1-C

表4 工程造價(jià)判斷矩陣B2-CTable 4:Project cost judgment matrix B2-C

表5 施工工期判斷矩陣B3-CTable 5:Construction period judgment matrix B3-C

表6 運(yùn)行管理判斷矩陣B4-CTable 6:Operation management judgment matrix B4-C

由于CR=0.0215＜0.1，所以總排序滿足一致性檢驗(yàn)，同時(shí)有上面計(jì)算得到的4種壩型方案的權(quán)重值ω（0.4045，0.2282，0.1816，0.1856），由此知道壩型方案C1為最終選擇的最優(yōu)方案。

表7 壩型方案層次總排序結(jié)果匯總表Table 7:Hierarchy ranking of the dam type schemes

3.5 分析討論

（1）由表2分析知道，施工條件（B1）、工程造價(jià)（B2）、施工工期（B3）和運(yùn)行管理（B4）的權(quán)重ω分別為0.141，0.2630，0.1411，0.4547，B4的權(quán)重最大，而B1與B3的權(quán)重最小，說明本次工程設(shè)計(jì)中，施工期的安全供水要求起決定作用，其次是工程造價(jià)。在滿足前者要求的前提下選擇施工及壩型方案。

（2）分析方案層（C）的4個(gè)方案權(quán)重中，均質(zhì)土石壩方案（C1）的權(quán)重為0.4045最大，說明該方案為最佳方案。其主要原因是該方案能保證施工期正常運(yùn)行管理方便、造價(jià)較低、需要的施工條件——壩體設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作量小等。

4 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)方案的論證比較過程中，首先根據(jù)哈桑河西沉沙調(diào)節(jié)池所處地理位置、工程水文、地質(zhì)以及天然建筑材料等條件，定性分析了各種可能壩型布置及其適應(yīng)性，在此基礎(chǔ)上主要選擇了4種壩型方案進(jìn)行比較討論。在進(jìn)一步的分析中，圍繞這些方案均能滿足壩體穩(wěn)定及應(yīng)力要求的實(shí)際情況，初步進(jìn)行壩體剖面設(shè)計(jì)。從工程造價(jià)分析，均質(zhì)土石壩方案最經(jīng)濟(jì)合理，但同時(shí)考慮運(yùn)行管理、施工條件及施工工期等因素時(shí)，特別是以保障施工期水庫(kù)供水為主要參考指標(biāo)時(shí)，本文嘗試用層次分析法對(duì)以上4種壩型進(jìn)行了優(yōu)選。

通過層次分析法比較優(yōu)選，哈桑河西沉沙調(diào)節(jié)池工程壩型設(shè)計(jì)選擇均質(zhì)土石壩方案，符合管理單位及設(shè)計(jì)單位的目標(biāo)要求，說明層次分析法在水利工程壩型設(shè)計(jì)方案比較中是一種切實(shí)有效的方法。目前，本工程正在施工中。

在水利工程壩型設(shè)計(jì)方案選擇中，工程造價(jià)并非唯一決定因素，需同時(shí)考慮施工條件、工程造價(jià)、施工工期及運(yùn)行管理等主要因素的影響。因此，對(duì)于壩型設(shè)計(jì)方案的選擇優(yōu)化中定量指標(biāo)與定性指標(biāo)同時(shí)存在的情況，用層次分析法分析定性與定量混合問題是一種有益的探索。■

[1]林昭.碾壓式土石壩設(shè)計(jì)[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.

[2]姜啟源，謝金星，葉俊，等.數(shù)學(xué)模型（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]許樹伯.層次分析法原理[M].天津：天津出版社，1988.

[4]常建娥，蔣太立.層次分析法確定權(quán)重的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)·信息與管理工程版，2007，29（1）:153～156.

[5]李艷紅,齊永國(guó).層次分析法在鐵路線路方案比選中的應(yīng)用[J].鐵路運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2009，3（9）：86～92.

[6]張潔,趙堅(jiān).層次分析法在帷幕灌漿效果評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2009，27（3）：124～146.