馬利軍，王紅雨,2，姚自凱，麥文慧，李楷奕

(1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2. 寧夏大學(xué)教育部節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021)

農(nóng)田水利工程中，各級(jí)排水溝道是灌排系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著農(nóng)田排水、泄洪、排澇、排污、降低地下水位、保證作物正常生長(zhǎng)等重任[1-2]。寧夏引(揚(yáng))黃灌區(qū)農(nóng)田排水溝道受土壤質(zhì)地、地層條件以及地下水位高、干濕與凍融交替循環(huán)作用等影響，排水溝滑塌破壞成為制約寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。排水溝固坡方案的選擇不但對(duì)工程建設(shè)的質(zhì)量、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)豐收、經(jīng)濟(jì)效益有著直接而重要的影響，還關(guān)系到灌區(qū)防汛排澇安全和生態(tài)環(huán)境改善等重大問題[3-4]。目前灌區(qū)排水溝邊坡治理固坡方案主要有柳樁草土護(hù)坡、干砌石護(hù)坡、格賓石籠護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡等。每種方法都有各自的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的排水溝固坡方案比選，多采用列表對(duì)比的方式進(jìn)行分析，將各方案優(yōu)缺點(diǎn)一一列舉，最后得出最優(yōu)方案。然而排水溝邊坡滑移、坍塌形成條件、誘發(fā)原因、變形破壞機(jī)理和幾何邊界條件往往具有復(fù)雜性和不確定性，固坡方案選取是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如何對(duì)邊坡固坡方案進(jìn)行一個(gè)客觀、科學(xué)的評(píng)價(jià)，尋求一種經(jīng)濟(jì)適宜的排水溝邊坡固坡方案，已成為西北干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)田水利配套改造工程中亟待解決的突出問題。本文運(yùn)用系統(tǒng)工程思想，應(yīng)用層次分析法(AHP)的基本原理，建立評(píng)估模型，提出了排水溝道邊坡固坡方案評(píng)判體系，并將此方法應(yīng)用于寧夏引黃灌區(qū)溝道治理方案的優(yōu)選。

1 層次分析法基本原理

層次分析法是一種科學(xué)的決策方法，簡(jiǎn)稱AHP法，被美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty教授提出，AHP是在多目標(biāo)、多準(zhǔn)則的條件下，對(duì)多種方案進(jìn)行選擇與判斷的一種簡(jiǎn)潔而有力的工具，具有決策手段合理、應(yīng)用方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。它將復(fù)雜的問題層次化，應(yīng)用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)工具結(jié)合運(yùn)籌思想將復(fù)雜的問題分解為各個(gè)組成因素，把定性與定量問題相互融合，對(duì)決策對(duì)象進(jìn)行優(yōu)劣排序。該法應(yīng)用廣泛，典型的一個(gè)領(lǐng)域是用于邊坡處理方案的評(píng)估與選擇[5-10]。

1.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)問題的性質(zhì)和達(dá)成目標(biāo)，對(duì)問題進(jìn)行剖析，按各因素隸屬關(guān)系、相互關(guān)聯(lián)程度及重要性等級(jí)，從最高層(目標(biāo))開始，通過中間層(準(zhǔn)則)，到最低層(方案)為止，建立自上而下的遞階層次結(jié)構(gòu)[11]。

1.2 構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣作為層次分析法的基礎(chǔ)，為最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。通過相對(duì)重要性比例標(biāo)度(1—9)，進(jìn)行各因素之間對(duì)于上層元素相對(duì)重要性的成對(duì)比較，建立兩兩相對(duì)重要性判斷矩陣[12-13]。

1.3 層次單排序

計(jì)算判斷矩陣B每一行元素的乘積Mi:

(1)

(2)

(3)

由上述計(jì)算得到的新矩陣W=[W1，W2，…Wn]T即為所求特征向量，得出同層次元素排序權(quán)重值。

1.4 求解判斷矩陣最大特征值并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣的最大特征值計(jì)算公式如下：

(4)

一致性檢驗(yàn)的目的是測(cè)試評(píng)判結(jié)果的可靠性，利用判斷矩陣的最大特征值λmax和n做差與n-1的比值作為度量判斷矩陣偏離一致性的指標(biāo)(CI)，即：

(5)

式中n——判斷矩陣的階數(shù)。

引入相對(duì)一致性概念，用隨機(jī)一致性比率CR檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性是否通過，當(dāng)CR=CI/RI<0.1時(shí)，即認(rèn)為一致性檢驗(yàn)滿意。

1.5 層次總排序

(6)

一致性檢驗(yàn)：

(7)

當(dāng)CR<0.10時(shí)，表明該層次總排序的結(jié)果具有滿意的一致性。

2 方案比選

2.1 工程概況

該工程為寧夏青銅峽河西灌區(qū)邵崗鎮(zhèn)東方紅村營(yíng)橋三隊(duì)第三排水溝邊坡治理工程，溝道水流為東西走向。地貌類型由山地、丘陵、洪積平原、黃河沖積平原等多種類型構(gòu)成，以黃河沖積平原、河灘地為主，工程位于黃河Ⅱ級(jí)階地上，土壤類型主要為灌淤土，溝道邊坡受流砂層及干濕與凍融交替循環(huán)作用等影響，排水溝邊坡常發(fā)生局部坍塌、滑移等破壞。

2.2 固坡模式方案簡(jiǎn)介

根據(jù)寧夏引黃灌區(qū)溝道邊坡治理的實(shí)際情況，灌區(qū)內(nèi)多采用柳樁草土護(hù)坡、干砌石護(hù)坡、格賓石籠護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡等方式進(jìn)行邊坡坍塌滑移破壞的治理，土工袋[14-15]護(hù)坡方案是由課題組提出的新型溝道邊坡固坡模式，已在青銅峽河西灌區(qū)溝道治理工程中應(yīng)用。本文將上述5種固坡方案進(jìn)行比選。

2.2.1柳樁草土護(hù)坡

柳樁草土護(hù)坡是利用柳木樁、竹板與稻草相結(jié)合對(duì)排水溝邊坡進(jìn)行砌護(hù)。沿溝道水流方向，距離溝道坡腳處0.5 m，每隔0.3 m設(shè)置長(zhǎng)度為1.8 m柳樁，緊貼柳樁自頂部向下延至0.5 m處鋪設(shè)長(zhǎng)度為0.6 m的竹板，將稻草捆成長(zhǎng)為0.5 m，寬為0.3的把，作為墊層，自上而下，分層鋪設(shè)，相鄰各層之間采用錯(cuò)縫搭接。詳細(xì)構(gòu)造見圖1a。

2.2.2干砌石護(hù)坡

在溝坡兩側(cè)采用片石或卵石干砌體，厚度40 mm，坡度一般采用 1.0∶1.5～1.0∶2.0，砌體背部鋪設(shè)土工布做為反慮，砌石體與土工布之前設(shè)20 mm厚素土墊層，起到過水濾土、穩(wěn)固砌石體及防止土工布損壞等作用。坡腳設(shè)500 mm×1000 mm×1000 mm 2層土工格柵石籠大腳基礎(chǔ)，減少土體對(duì)襯砌石體的推動(dòng)壓迫力。詳細(xì)構(gòu)造見圖1b。

2.2.3格賓石籠護(hù)坡

格賓石籠護(hù)坡是一種采用干砌石和鉛絲籠結(jié)合的護(hù)坡型式。溝道兩側(cè)邊坡面層采用0.3 m厚格賓石墊砌護(hù)，砌體背部鋪設(shè)土工布作為反濾，坡腳設(shè)500 mm×1000 mm×1000 mm鉛絲籠塊石基礎(chǔ)，保護(hù)溝坡穩(wěn)定。詳細(xì)構(gòu)造見圖1c。

2.2.4漿砌石護(hù)坡

漿砌石護(hù)坡是一種用砂漿做填充物，并起到粘結(jié)作用的施工方法，沿溝道水流方向每2.5 m埋設(shè)一處排水管，砌護(hù)每6 m設(shè)置一道伸縮縫，板縫之間采用C20細(xì)石混凝土填筑并回填密實(shí)。詳細(xì)構(gòu)造見圖1d。

2.2.5土工袋護(hù)坡

沿溝道水流方向，在距離溝道坡腳處0.7 m，每隔40 cm打入長(zhǎng)度為2.0 m的木樁，木樁頂距溝底40 cm，緊貼柳樁鋪設(shè)竹板，竹板長(zhǎng)度為60 cm，木樁后鋪砌3層寬度為70 cm，高度為15 cm的土工袋，形成木樁支擋土工袋基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)之上，采用錯(cuò)縫搭接方式進(jìn)行砌護(hù)。袋體采用人工鋪設(shè)，袋子之間保留約4～8 cm的間隙，相鄰?fù)凉ごg的縫隙用土料回填，鋪設(shè)完一個(gè)袋層后，空隙部分填土并夯實(shí)。土工袋之間用特定的聯(lián)接扣呈三角形結(jié)構(gòu)搭接。詳細(xì)構(gòu)造見圖1e。

2.3 排水溝道邊坡治理方案層次結(jié)構(gòu)模型的建立

排水溝固坡方案評(píng)判的評(píng)價(jià)指標(biāo)和影響因素有很多，各地區(qū)各項(xiàng)目之間受地質(zhì)、水文條件及施工技術(shù)的不同，指標(biāo)的選擇也存在差異，在分析過程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)與技術(shù)是方案優(yōu)選需重點(diǎn)考慮的兩大指標(biāo)，環(huán)境指標(biāo)相對(duì)次之。結(jié)合寧夏引黃灌區(qū)排水溝治理工程實(shí)際并咨詢相關(guān)專家，運(yùn)用系統(tǒng)工程學(xué)及多目標(biāo)層次原理，將不同因素劃分為不同層次，建立了寧夏引黃灌區(qū)排水溝固坡模式方案評(píng)判體系層次結(jié)構(gòu)模型(圖2)，農(nóng)田排水溝固坡模式優(yōu)選專家評(píng)分內(nèi)容見表1。

a)柳樁草土護(hù)坡

b)干砌石護(hù)坡

c)格賓石籠護(hù)坡

d)漿砌石護(hù)坡

e)土工袋護(hù)坡

圖2 引黃灌區(qū)排水溝固坡方案評(píng)判體系層次結(jié)構(gòu)模型

表1 農(nóng)田排水溝固坡模優(yōu)選專家評(píng)分內(nèi)容

2.4 計(jì)算過程與分析

為保證判斷矩陣的真實(shí)性與客觀性，邀請(qǐng)區(qū)內(nèi)專家共8名(高校、研究院、勘測(cè)設(shè)計(jì)院及中層技術(shù)管理人員各2名)，根據(jù)其重要性，專家按照1—9進(jìn)行打分，依據(jù)層次分析法基本原理，計(jì)算其權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

a) 對(duì)于合理選擇排水溝道邊坡固坡模式這個(gè)總目標(biāo)而言，能切實(shí)解決排水溝坍塌滑移問題是溝道邊坡治理和方案選擇的首要任務(wù)，故建立如下判斷矩陣，見表2。

表2 Z-A層判斷矩陣

b) 對(duì)于子目標(biāo)層，準(zhǔn)則層各因素相對(duì)重要性判斷矩陣見表3—5。λmax=3.0183,CI=0.0091,RI=0.58,CR=0.0157<0.1，滿足一致性要求。

表3 A1-B 層判斷矩陣

1、2階矩陣總是具有完全的一致性，滿足要求。

表4 A2-B層判斷矩陣

λmax=5.4333,CI=0.1083,RI=1.12,CR=0.0967<0.1，滿足一致性要求。

表5 A3-B層判斷矩陣

c) 對(duì)于準(zhǔn)則層，按上述方法，各影響因素層次總排序結(jié)果見表6。

表6 影響因素總排序

d) 方案層中5種固坡模式的層次總排序見表7。

表7 排水溝固坡方案總排序

3 結(jié)果分析

a) 從影響因素總排序的結(jié)果可知，技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)排水溝道邊坡固坡模式的選擇影響最大。

b) 從影響因素總排序的結(jié)果可知，工程安全對(duì)固坡方案的選擇影響最大。

c) 由表6固坡方案總排序可知，格賓石籠固坡方案權(quán)重最大為0.278，土工袋護(hù)坡方案相對(duì)次之，權(quán)重為0.220。

d) 從環(huán)境單因素角度來看，土工袋護(hù)坡的權(quán)重最大，權(quán)重為0.543，高出其他方案26.5%～50.2%。

4 結(jié)論

基于層次分析法建立了引黃灌區(qū)農(nóng)田排水溝邊坡治理優(yōu)選模型，復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題被解決。

a) 各方案從優(yōu)至劣依次為格賓石籠>土工袋>柳樁草土>漿砌石>干砌石。從河道整治的現(xiàn)代理念出發(fā)，在綜合權(quán)重相差不大的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用環(huán)境友好型方案。綜合考慮，最終采用土工袋對(duì)流砂地段進(jìn)行砌護(hù)。

b) 該法對(duì)問題進(jìn)行決策時(shí)，評(píng)判者往往不是一個(gè)人，有時(shí)會(huì)是一個(gè)龐大的專家團(tuán)，能夠克服工程方案決策時(shí)個(gè)人的片面和隨意性。

c) 層次分析法實(shí)際操作簡(jiǎn)單，便于在排水溝道邊坡治理方案優(yōu)選及類似工程問題中推廣。

d) 本文提出的排水溝固坡優(yōu)選模型尚處在初步研究階段，還存在一些不足之處，如：每種固坡模式的適用條件不同，溝道邊坡治理要考慮的因素很多，需針對(duì)不同級(jí)別、土質(zhì)、地下水位的溝道因地制宜地采取合理的治理措施，不能一概而論，不加選擇地采取一種治理模式，往往應(yīng)采取多種模式相結(jié)合的方案，這樣，工程治理方案才會(huì)有的放矢，反之，勢(shì)必造成治理效果不佳、工程投資增加等弊端。