張 琳

(煙臺市城市水源工程運行維護中心,山東 煙臺 264003)

0 引 言

隨著全球氣候變化和人類活動的不斷影響,水利堤防工程在保障人類生命財產安全和社會經濟發(fā)展方面具有越來越重要的地位。作為水利工程中的重要組成部分,漿砌石壩的施工質量和安全性關系到整個水利工程的穩(wěn)定性和功能性[1-3]。但在漿砌石壩的施工過程中,存在許多影響施工質量和安全的風險因素,這些因素可能對工程造成嚴重的損失和影響。因此,對漿砌石壩施工中的風險因素進行評估十分必要[4-5]。

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是一種定性和定量相結合的風險評估方法,它通過建立層次結構模型,將復雜的風險因素進行系統(tǒng)化的分解和比較,從而實現(xiàn)對風險因素的全面評估。在漿砌石壩施工中,AHP可以有效應用于風險因素評估,有助于更好地理解和控制施工過程中的風險,優(yōu)化施工方案,提高施工質量[6-7]。

本文通過文獻綜述和實地調查相結合的方式,梳理出現(xiàn)行漿砌石壩施工中存在的部分風險因素,并通過層次分析法對這些風險因素進行系統(tǒng)化評估,以得出各項風險因素的重要性。首先對漿砌石壩的施工工藝進行研究,然后利用層次分析法對風險因素進行探討,最后對漿砌石壩風險因素進行試驗分析。研究旨在為水利堤防工程的施工和管理提供科學依據(jù)和技術支持。同時,研究結果可為其他類似工程的風險評估提供參考和借鑒,推動水利工程領域的發(fā)展和進步。

1 水利堤防施工建設中漿砌石壩施工技術研究

1.1 水利工程中漿砌石壩的施工工藝研究

漿砌石壩是水利工程中常見的的重要構筑物,由石塊和砂漿組成,具有較高的抗沖刷性能和抗?jié)B性能。漿砌石壩施工工藝的主要步驟為:壩基準備、石材選擇、砂漿配制、石塊擺放、砂漿注漿、壩面修正、養(yǎng)護[8-9]。壩基準備:首先要進行壩基的準備工作,包括清理壩基上的雜物、測量壩基高程和線形等,確保壩基的平整和堅實,以便后續(xù)施工工作。石材選擇:根據(jù)工程要求和現(xiàn)場情況,選擇合適的石材作為漿砌石壩的填料。石材應具有一定的強度和耐久性,并經過篩選和清洗。砂漿配制:根據(jù)設計要求,配制出適宜的砂漿,一般采用水泥、細砂和適量的添加劑混合而成,砂漿的配制需要控制好水灰比和砂漿的流動性。石塊擺放:將石塊按照設計要求和施工圖紙的要求逐層擺放在壩基上,石塊應緊密貼合,不得有空隙,同時要注意控制壩體的坡度和線形。砂漿注漿:在石塊之間和石塊與壩基之間進行砂漿注漿,以填補石塊之間的縫隙,增加整體的穩(wěn)定性和密實度。注漿時,要控制好注漿的壓力和漿液的流動性。壩面修正:在砂漿凝固后,對壩面進行修正,使其達到設計要求的坡度和線形。修正時,可以采用機械或人工方式進行。養(yǎng)護:完成施工后,對漿砌石壩進行養(yǎng)護,保持砂漿的濕潤,促進其硬化和強度的發(fā)展。養(yǎng)護時間一般為7～14天,具體根據(jù)砂漿的配方和環(huán)境條件確定。具體的工藝步驟還需根據(jù)每個具體工程的要求進行調整和優(yōu)化,在施工過程中還需要注意安全措施,保證施工人員的安全。漿砌石壩的主要施工步驟見圖1。

圖1 水利工程中漿砌石壩的施工流程圖

漿砌石壩中施工重點是壩體的充填和灌漿,該工序主要分為3步進行:第一道工序之間的間距為10m;第二道工序的孔距也為10m;第三道工序的孔距為6m。同時,漿砌石壩上游排孔的孔距軸線為2.5m,下游的排孔孔距為0.5m,并在廊道上鉆2m的位置為終孔。整體充填的原則按照先疏后密、先下游后上游的要求,且灌漿前需要對灌漿位置進行水流和氣流的轉換沖洗,沖洗時的壓力要求必須高于灌漿壓力的80%。當沖洗出水為清水后,繼續(xù)沖洗30min,以保證灌漿質量。沖洗結束后,利用的水泥為硅酸鹽水泥,若存在局部吃漿量較大的情況,需要對應的先充填水泥砂漿,然后再灌填純水泥漿。

灌漿的壓力要求需要根據(jù)實際情況而定,并不是壓力較大,填充效果越好[10]。巖石深度與灌漿壓力的關系公式如下:

P=aD

(1)

式中:P為灌漿壓力,MPa;a為系數(shù),根據(jù)巖石的堅硬程度進行選擇,通常硬度較高的選擇0.08～0.1,硬度較低的選擇0.04～0.05;D為灌漿部分的灌漿深度。

具體灌漿位置的灌漿壓力公式如下:

P1=P2+MD1

(2)

式中:P1為具體的灌漿壓力,MPa;P2為該位置能夠承受的壓力,MPa,可通過查詢技術參數(shù)表得到;M為灌漿位置頂板所在巖石每加深1m,能夠允許增加的壓力,也可通過技術參數(shù)表查詢得到;D1為灌漿位置以上驗證的厚度,m。

常用的不同灌漿深度與灌漿壓力的關系圖見圖2。

圖2 灌漿深度與灌漿壓力的關系圖

在完成漿砌石的充填和灌漿后,還需要對漿砌石壩工程進行良好的養(yǎng)護。其常見的病害包括開裂、沖刷、脫落、滲漏等。開裂是由于漿砌石的自重和外力作用,容易發(fā)生裂縫,尤其在基床不均勻或地基沉降不均勻的情況下更容易出現(xiàn)。同時,在水流不斷沖刷下,漿砌石表面的砂漿會被沖刷掉,使石塊之間的間隙增大,導致結構強度下降。由于外力作用或材料老化等原因,漿砌石可能出現(xiàn)石塊脫落或砂漿剝落的情況,影響結構的完整性和穩(wěn)定性。漿砌石本身并不具備防水功能,若構筑物需要具備防水功能,則需要進行防水處理,否則會出現(xiàn)滲漏問題。

因此,為了防止這些病害的發(fā)生,通常需要對漿砌石進行定期檢查維修,及時補充砂漿、處理裂縫、加固結構等[11]。在施工過程中,需要注意選用優(yōu)質的材料、正確的施工工藝和合理的設計,以提高漿砌石的抗病害能力。

1.2 基于AHP漿砌石壩施工工程風險因素評估方法研究

為了有效評估施工工程的風險,研究利用AHP對漿砌石壩施工工程的風險因素進行評估。AHP(Analytic Hierarchy Process)是一種定性與定量相結合的多準則決策分析方法,廣泛應用于各領域的風險評估中?；贏HP方法,對漿砌石壩施工工程的風險因素進行評估[12-14]。

首先,確定評估的準則體系。漿砌石壩施工工程的風險因素可以從技術、管理、環(huán)境等多個方面進行考慮。根據(jù)實際情況,可以將風險因素劃分為施工技術風險、施工管理風險、環(huán)境風險和社會因素風險等4個方面。其次,建立層次結構模型。層次結構模型是AHP方法的核心,通過對各因素之間的層次關系進行分析和判斷,確定因素之間的權重。在漿砌石壩施工工程中,施工技術風險包括施工工藝的可行性、施工材料的質量等因素。施工管理風險包括人員素質、施工組織等因素。環(huán)境風險包括氣候條件、地質條件等因素。社會因素風險包括社會影響、政策法規(guī)等因素。在層次結構模型中,需要將這些因素進行層次劃分,確定各自的重要性。然后,建立判斷矩陣。判斷矩陣是AHP方法中用于量化判斷的工具。通過專家對每個因素兩兩之間的比較,建立判斷矩陣,從而確定各因素之間的相對重要性。最后,通過計算得出各因素的權重,對漿砌石壩施工工程的風險因素進行評估。根據(jù)各因素的權重,對施工過程中可能出現(xiàn)的風險進行預判和評估,并采取相應的措施進行防范和應對。

該方法能夠將一部分量化存在困難的定性問題,在以數(shù)據(jù)運算的基礎上進行定量化研究。同時將一些定量與定性混合的問題結合成為整體,并對其進行分析。以此為基礎,對所作出的判斷進行驗證。見圖3。

圖3 基于AHP的風險因素識別評估層次結構示意圖

在應用傳統(tǒng)的層次分析法過程中,基于AHP的漿砌石壩施工工程風險因素評估方法,具有結構化評估、綜合性評估、靈活性和適應性、可視化分析以及溝通和共識等優(yōu)勢,可以提高風險評估的準確性和決策的科學性。

2 基于AHP的漿砌石壩水利堤防施工風險因素識別性能分析

為了驗證漿砌石壩施工前后的性能,研究對漿砌石壩灌漿前后的注水試驗結果進行對比,結果見表1。表1中,前兩個位置為灌漿前的試驗結果,后兩個位置為灌漿后的試驗結果。其中,滲透系數(shù)越小,表明漿砌石壩的滲透性能越好,防水效果越高。灌漿前后的吸水量變化可以反映灌漿處理的效果,即如果灌漿后的吸水量明顯減少,表明灌漿處理有效堵塞了石壩的孔隙或裂縫,提高了壩體的抗?jié)B性能。

表1 漿砌石壩灌漿前后的注水試驗對比結果

由表1可知,灌漿前,兩個位置的 6個點位吸水量分別為7.6、6.8、3.5L/min和22.3、19.4、21.5L/min;灌漿后,兩個位置的6個點位吸水量分別為0.73、1.26、1.88L/min和0.78、1.24、1.91L/min。通過對比發(fā)現(xiàn),灌漿后吸水量和滲透系數(shù)呈顯著降低,表明漿砌石壩灌漿前后吸水量和滲透系數(shù)的變化也可以反映壩體的穩(wěn)定性。灌漿后的吸水量和滲透系數(shù)明顯減小,表明灌漿處理提高了壩體的穩(wěn)定性,減少了水的滲透和滲漏,降低了壩體可能發(fā)生的沖刷、滑動和滲透破壞的風險。通過監(jiān)測和分析漿砌石壩灌漿前后吸水量和滲透系數(shù)的變化,可以評估灌漿處理的效果,并為灌漿工程的質量控制和壩體穩(wěn)定性評估提供依據(jù)。

為了研究水位高度對漿砌石壩的影響,將水位高度作為對漿砌石壩的風險因素進行敏感性探究,試驗結果見圖4。

圖4 水位高度對漿砌石壩風險因素敏感性分析

由圖4可知,隨著水位高度的增加,漿砌石壩對風險因素的敏感性逐漸降低。表明當水位上升時,漿砌石壩對于某些風險因素的抵抗力會減弱。在水位較高的條件下,漿砌石壩的安全性降低,出現(xiàn)風險的概率增加。其原因主要是水位過高會導致壩體承受的壓力增大,這種額外的壓力會增加壩體崩塌或破裂的風險。此外,水位過高還會對壩體的結構產生不利影響,包括壩體材料的濕度增加、凍融破壞以及水流沖刷等,這些因素將進一步降低壩體的結構穩(wěn)定性,增加其發(fā)生損壞和破裂的風險。

為了驗證漿砌石水利堤防風險因素識別的準確性和效率,在水利工程堤防風險因素數(shù)據(jù)集中,將其與屬性層次模型(Attribute Hierarchical Mode, AHM)、網(wǎng)絡層次分析法(Analytic Network Process, ANP)進行對比,結果見圖5。

圖5 3種方法的風險因素識別準確率和效率對比結果

由圖5(a)可知,3種方法在水利堤防工程中的風險識別準確率存在一定的差異,其中AHP、ANP與AHM的風險識別準確率分別為89.06%、87.14%和88.27%。由圖5(b)可知,在水利堤防工程風險識別的效率中,3種方法雖然存在的差異較小,但AHP的識別效率高于其他兩種方法。AHP、ANP與AHM的風險識別效率分別為83.91%、81.63%和81.16%,表明研究構建的方法具有一定的優(yōu)勢。

為了進一步評估漿砌石壩在水利堤防施工中的應用性能,研究利用基于AHP的漿砌石壩滲透系數(shù)預測值與真實值進行對比,結果見圖6。

圖6 基于AHP的漿砌石壩滲透系數(shù)真實值與預測值對比結果

由圖6可知,漿砌石壩的滲透系數(shù)真實值與預測值之間存在較為明顯的差異,導致出現(xiàn)這種情況的原因為巖石和土壤的非均質性和自然條件變化的變化。其中,巖石和土壤的非均質性導致滲透系數(shù)在不同位置和方向上有很大的差異。預測滲透系數(shù)時,常常難以準確地描述和考慮這種非均質性,導致預測值與真實值之間存在差異。同時,滲透系數(shù)受自然因素的影響較大,如水位變化、季節(jié)性氣候變化等都會對滲透系數(shù)產生影響。預測滲透系數(shù)時,難以完全考慮這些變化,導致預測值與真實值之間存在差異。研究表明,基于AHP的漿砌石壩滲透系數(shù)真實值和預測值的對比,可以評估和改進預測模型的準確性,優(yōu)化漿砌石壩的設計和施工,并提供指導決策的依據(jù)。

3 結 論

本文基于AHP的漿砌石壩施工工程在水利堤防工程中風險因素評估方法,通過構建風險因素的評估方法,實現(xiàn)了對影響漿砌石壩施工工程質量風險因素的解析。通過專家評分等方式,對各風險因素進行兩兩比較,得出了層次因素的權重;通過綜合考慮風險因素的影響程度,得到部分影響漿砌石壩在水利堤防工程中的風險因素產生原因。結果表明,灌漿前6個點位的吸水量分別為7.6、6.8、3.5L/min和22.3、19.4、21.5L/min;灌漿后6個點位的吸水量分別為0.73、1.26、1.88L/min和0.78、1.24、1.91L/min。研究表明,該方法具有可操作性強、結果客觀準確的優(yōu)點,為水利堤防工程中漿砌石壩施工質量的控制提供了有效的理論支持和實踐指導。