吳明浩

茂名市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 525000

摘要：水工設(shè)計(jì)方案受多種因素的影響，不僅要實(shí)現(xiàn)技術(shù)可靠，還要經(jīng)濟(jì)合理以及不對(duì)環(huán)境造成顯著影響，并且具有較好的社會(huì)效益和生態(tài)效益，這就要求設(shè)計(jì)人員在選擇方案時(shí)進(jìn)行多方面的對(duì)比分析，以確定綜合效果最優(yōu)的方案。

關(guān)鍵詞：水工設(shè)計(jì)；方案對(duì)比

水利工程技術(shù)難度大，工程投資多，對(duì)安全性要求高，對(duì)環(huán)境影響往往也比較顯著，所以在工程實(shí)施前必須開展大量的可行性研究和論證工作，以確保設(shè)計(jì)方法技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理。隨著國(guó)家對(duì)水利建設(shè)投入的增加，將會(huì)有更多的水利工程項(xiàng)目付諸實(shí)施，快速、合理地確定水工設(shè)計(jì)方案成為水利工程前期工作的重心，因此本文對(duì)水工設(shè)計(jì)方案比選進(jìn)行了分析。

1 水工設(shè)計(jì)方案對(duì)比的流程、影響因素與原則

1.1 水工設(shè)計(jì)方案對(duì)比的流程

水工設(shè)計(jì)方案一般經(jīng)過(guò)四個(gè)步驟，即方案計(jì)劃、方案制定、方案對(duì)比和方案確定[1]。方案計(jì)劃是指根據(jù)工程目標(biāo)任務(wù)，結(jié)合各種條件和因素，提出至少兩個(gè)方案供對(duì)比。方案制定是對(duì)各初步方案進(jìn)行一定深度的研究，分析各方案的建設(shè)條件和影響因素，對(duì)投資、工期等關(guān)鍵要素進(jìn)行估算，以便形成對(duì)比的基礎(chǔ)。方案對(duì)比就是從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)角度進(jìn)行全面比較，列出各方案的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。方案確定即根據(jù)各方案優(yōu)劣程度，綜合分析之后確定最優(yōu)方案。

1.2 水工設(shè)計(jì)方案的影響因素

盡管水工設(shè)計(jì)方案對(duì)比的流程看起來(lái)并不復(fù)雜，但因?yàn)榉桨傅拇_定是一個(gè)綜合性和技術(shù)性要求非常高的工作，在進(jìn)行對(duì)比的過(guò)程中存在一定程度的不確定性，更重要的是在初步方案中因?yàn)橥顿Y因素容易量化，所以常成為方案對(duì)比的決定性因素，經(jīng)濟(jì)因素當(dāng)然是重要的，但并非唯一重要的因素，例如環(huán)境因素、社會(huì)因素和技術(shù)因素也可能成為影響方案是否成功的重要因素。大量實(shí)踐業(yè)已證明，由于工程建設(shè)在環(huán)境敏感地區(qū)運(yùn)行伊始就爭(zhēng)議不斷，還有些工程因?yàn)檫x擇了行將淘汰的技術(shù)，使工程運(yùn)行效益差，這樣的例子不勝枚舉，因此應(yīng)根據(jù)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)盡可能全面地考慮，在方案形成階段多花些功夫才能為工程以后的實(shí)施打下良好基礎(chǔ)。

1.3 水工設(shè)計(jì)方案對(duì)比的原則

方案對(duì)比應(yīng)遵循一些基本原則，如實(shí)事求是、全面兼顧、統(tǒng)一基準(zhǔn)。任何方案都會(huì)有優(yōu)劣之分，如果一個(gè)方案明顯比其他方案優(yōu)勝就不需要對(duì)比了，而最易犯的錯(cuò)誤正是主觀上傾向于某個(gè)方案就會(huì)不自覺地突出該方案的優(yōu)點(diǎn)，壓抑乃至漠視其不足，這就談不上事實(shí)求是了。全面兼顧是要綜合各方面的因素，也就是在方案計(jì)劃、制定階段盡可能多地收集所有影響因素，然后再分析它們的主次關(guān)系，確定哪些是關(guān)鍵因素、控制因素或次要因素，這樣比較就有針對(duì)性并兼顧全面性。不同方案之間的比較應(yīng)該在同一基準(zhǔn)下進(jìn)行，這個(gè)基準(zhǔn)就是規(guī)劃指標(biāo)相同、設(shè)計(jì)深度相當(dāng)、各方案本身已經(jīng)過(guò)優(yōu)化等。例如不同的壩址方案應(yīng)該在庫(kù)水位、庫(kù)容等指標(biāo)一致的基礎(chǔ)上進(jìn)行比較。設(shè)計(jì)深度和方案優(yōu)化程度直接影響方案對(duì)比的結(jié)果，這些因素也必須在同一水準(zhǔn)下進(jìn)行比較，否則就會(huì)出現(xiàn)潛在的優(yōu)秀方案被一般性方案淘汰的結(jié)果。方案優(yōu)化在大型水利工程更具顯著的影響[2]。

2 水工設(shè)計(jì)方案對(duì)比案例

2.1 灌渠護(hù)坡設(shè)計(jì)方案對(duì)比

某灌渠設(shè)計(jì)流量為6.4m3/s，現(xiàn)提出3個(gè)護(hù)岸方案，即混凝土護(hù)坡、土質(zhì)護(hù)坡和生態(tài)護(hù)坡。方案對(duì)比從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)四個(gè)角度進(jìn)行，對(duì)于多目標(biāo)多層次的方案對(duì)比可采用專家評(píng)價(jià)法、運(yùn)籌學(xué)方法、數(shù)學(xué)方法和混合方法[3]?，F(xiàn)決定采用專家評(píng)價(jià)法并結(jié)合數(shù)學(xué)方法中的層次分析法（AHP）進(jìn)行對(duì)比。為了建立AHP層次模型，特邀請(qǐng)15位專家參與討論，并將其評(píng)價(jià)指標(biāo)分為兩個(gè)層次，第一個(gè)層次有4個(gè)指標(biāo)，它們是可靠性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響和社會(huì)影響，分別與技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)四個(gè)要素對(duì)應(yīng)。第一層指標(biāo)下面是第二層次指標(biāo)，如可靠性下面是整體設(shè)計(jì)可靠性、技術(shù)可靠性和工期可靠性，再如經(jīng)濟(jì)性下面是建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、經(jīng)濟(jì)壽命。這樣就能夠建立起層次比較的矩陣模型，并利用Matlab程序計(jì)算各個(gè)比較矩陣的權(quán)重，并利用權(quán)重計(jì)算結(jié)果確定了兩個(gè)層次所有指標(biāo)的權(quán)值。接下來(lái)再組織12位專家分別對(duì)混凝土護(hù)坡、土質(zhì)護(hù)坡和生態(tài)護(hù)坡進(jìn)行綜合評(píng)分。對(duì)于定性指標(biāo)的量化，按優(yōu)、良、中、差分級(jí)，并分別對(duì)應(yīng)100、80、60、40的分?jǐn)?shù)，定量指標(biāo)在原有指標(biāo)數(shù)值基礎(chǔ)上進(jìn)行無(wú)量綱和歸一化處理后轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)值。最后得分情況是混凝土護(hù)坡的綜合評(píng)分為79.32分，土質(zhì)護(hù)坡的綜合評(píng)分為78.44分，生態(tài)護(hù)坡的綜合評(píng)分為82.23分，最終選擇生態(tài)護(hù)坡方案。從這個(gè)例子中可以看到3個(gè)方案的評(píng)分差距并不是很大，尤其是混凝土護(hù)坡與土質(zhì)護(hù)坡的評(píng)分差距不足1分，這足以說(shuō)明采用合理的對(duì)比方法的重要性。

2.2防波堤結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比

華南某沿海地區(qū)建設(shè)防波堤和護(hù)岸，經(jīng)地質(zhì)勘探防波堤表層淤泥厚達(dá)10～12m，根據(jù)工程重要性和設(shè)計(jì)壽命，確定建筑物安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)。防波堤提出2個(gè)方案，A方案是透空樁基堤結(jié)構(gòu)，B方案是插入大圓筒堤結(jié)構(gòu)。A方案采用800mmPHC樁基，并設(shè)置為叉樁形式，要求樁尖透過(guò)粉砂層插入黏土層。施工方法是先開挖3.5～6m深的基槽，然后打樁至設(shè)計(jì)深度，樁間鋪設(shè)土工格柵和編織布，再拋填石塊，樁頂澆灌混凝土擋浪墻，擋墻外再設(shè)置混凝土擋浪板。B方案是插入8000mm圓筒，筒壁厚300mm。圓筒分兩節(jié)插入，上一節(jié)長(zhǎng)12m，重213t，下節(jié)長(zhǎng)10m，重178t，兩節(jié)圓筒之間采用凹凸榫連接。同A方案，沉筒前先挖6m深的基槽。安裝完圓筒，在兩側(cè)敷設(shè)土工格柵和編織布，再拋填石塊，圓筒頂部安裝混凝土蓋板，之上澆灌混凝土擋浪墻。A方案的優(yōu)點(diǎn)是施工容易，造價(jià)低，并且后期沉降較小，不足之處是打樁時(shí)容易偏移。B方案施工快速，且占地面積較小，但預(yù)制大圓筒工藝復(fù)雜，造價(jià)高。經(jīng)過(guò)對(duì)供材與施工條件的分析，得出A方案綜合性更好，故為推薦方案。

2.3碾壓土石壩的設(shè)計(jì)方案

某水利樞紐工程攔河壩采用碾壓土石壩。筑壩材料就在壩址附近，土料粘粒含量較高，而含水量較為適中。大壩碾壓控制標(biāo)準(zhǔn)采用干容重法，壓實(shí)參數(shù)包括土料含水量、鋪土厚度、碾壓設(shè)備重量、碾壓遍數(shù)等。筑壩前，先對(duì)各料場(chǎng)土料性能進(jìn)行全面檢測(cè)，并選擇有代表性的料場(chǎng)開展碾壓試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)獲取施工控制參數(shù)。但考慮到實(shí)際施工條件比試驗(yàn)條件更寬泛，所以壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)合格率應(yīng)比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)稍高些。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算并參照相似工程的經(jīng)驗(yàn)，初步選定了羊腳碾、氣胎碾和夯板作為碾壓機(jī)具，同時(shí)擬定了幾組碾壓參數(shù)。土料壓實(shí)含水量取塑限含水量的+2%、+0%及-2%三個(gè)參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)定的含水量、干密度，結(jié)合鋪土厚度、碾壓遍數(shù)，制作耐壓試驗(yàn)各參數(shù)關(guān)系曲線，由該曲線可確定設(shè)計(jì)干容重所對(duì)應(yīng)不同鋪土厚度的最佳碾壓遍數(shù)和最優(yōu)含水量。再經(jīng)過(guò)比較就能找到碾壓效果最好而又經(jīng)濟(jì)的碾壓參數(shù)。對(duì)于施工期間含水量偏高的問題可采用防雨排水、翻曬等辦法解決。

3 結(jié)語(yǔ)

優(yōu)秀的水工設(shè)計(jì)方案可以充分發(fā)揮水利工程的效能，并為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供最有效的支撐。然而優(yōu)秀的方案不是僅憑主觀熱情就能實(shí)現(xiàn)的，需要有科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，遵循合理的方法，特別是對(duì)各初選方案進(jìn)行全面的對(duì)比分析，從中選出技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廖聲海，楊正猛. 水利水電工程水工設(shè)計(jì)方案對(duì)比研究[J]. 黑龍江水利科技，2014（6）：159-160.

[2] 張紅武. 跨流域多水源引調(diào)水工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（8）：61-65.

[3] 王威威. 基于層次分析法的農(nóng)田水利建設(shè)方案優(yōu)化研究[D]. 鄭州：華北水利水電學(xué)院，2012.