基于多目标决策的病险水库大坝加固施工方案优化研究.pdf

第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,2023收稿日期 2022-09-04作者简介 魏 曼(1989-),女,山东乐陵人,工程师,研究方向为水工混凝土.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.10.029基于多目标决策的病险水库大坝加固施工方案优化研究魏 曼(乐陵市水利局,山东 乐陵 253600)摘 要为了更好地加固治理病险水库,针对加固方案决策,提出一种多目标决策方法,该方法引入 AHP-EM 组合赋权法。首先收集病险水库大坝加固方案的决策指标,采用 AHP-EM 组合赋权法进行组合权重赋予,以此来评价决策方案可行性。结果显示,在多方案评价中,从研究所选取的多个指标中选出最优方案,并对最优方案进行仿真和应用测试:仿真显示研究选取方案能够显著降低大坝孔隙压力,应用显示能够将大坝的垂直位移降低至 0.026m。研究表明,多目标决策能够选出病险水库大坝加固的最优施工方案,在病险水库大坝加固和长期治理中具有重要作用。关键词病险水库;多目标决策;AHP-EM 组合赋权法;加固中图分类号 TV511 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)10-0145-05Study on Optimization of Reinforcement Construction Scheme of Dangerous Reservoir Dam Based on Multi-Objective DecisionWEI Man(Leling Water Conservancy Bureau,Leling 253600,Shandong,China)Abstract:In order to better strengthen dangerous reservoirs,a multi-objective decision-making method for reinforcement scheme decision-making is proposed,in which AHP-EM combined weighting method is introduced.Firstly,the decision-making indexes of the dam reinforcement scheme of the dangerous reservoir are collected,and the AHP-EM combination weighting method is used to give the combination weighting to evaluate the feasibility of the decision-making scheme.The results show that in the evaluation of multiple schemes,the optimal scheme is selected from the multiple indicators selected by the research,and the optimal scheme is simulated and tested.The simulation shows that the scheme selected by the research can significantly reduce the pore pressure of the dam,and the application shows that the vertical displacement in the dam can be reduced to 0.026m.The above results show that the multi-objective decision-making can select the optimal construction scheme for dam reinforcement of dangerous reservoirs,and it is important in dam reinforcement and long-term treatment of dangerous reservoirs.Key words:dangerous reservoir;multi objective decision making;AHP-EM combined weighting method;reinforce541第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,20230 引 言作为一种自然灾害,洪灾一旦发生,将对周边的建筑和居民生产生活造成严重影响,同时也会造成巨大的经济损失,因此水坝的安全加固受到广泛关注。随着工程的运行及环境条件变化的影响,部分水坝逐渐开始老化、损坏,并且受洪涝灾害的影响,目前病险水库数量呈现逐年增加的趋势1-2。针对病险水库大坝加固问题,许多学者不断总结经验,提出了治理方案3。如汪在芹等4利用 CW 化学灌浆成套新技术对水库大坝进行加固,认为该技术不仅能够有效提升水库大坝的安全性,还能够产生巨大的经济和生态效益。SU H等5提出了利用预应力锚索的方式来提升水坝抗滑能力,并通过有限元分析,了解坝系的演变过程,同时验证了预应力锚索的有效性。上述文献研究结果显示,在加固方案制定中仍然存在指标选取不全面的问题。多目标决策作为当前指标选取中常用的方法,如何利用该方法来实现病险水库大坝的加固具有重要意义。因此,本文针对病险水库大坝加固施工方案的优化,引入多目标决策来获取更为全面和精准的指标,以期为病险水库大坝治理提供理论依据。1 病险水库大坝加固中的多目标决策应用1.1 病险水库大坝加固方案决策指标体系多目标决策是指多种决策方案产生矛盾后的重新选择和排序过程,采用多目标决策能够有效解决多目标之间存在的矛盾,同时能够解决各目标之间的不可公度性,因此被应用于多个领域6-7。病险水库大坝加固方案的决策在大多情况下会存在矛盾性,因此需要采用多目标决策来选择决策指标,构建决策指标体系,以便提出病险水库大坝加固的优化方案8。在病险水库大坝加固方案的决策指标体系构建过程中,将经济、技术和安全作为一级指标,通过查阅文献,其二级指标筛选见图 1。图 1 决策指标体系图 1 显示,病险水库大坝加固方案决策指标体系中的二级指标包括 2 个经济指标、4 个技术指标和 3 个安全指标。其中,经济指标可以通过成本和建设经济效益来评价;技术指标可以通过施工难度、质量把控、施工技术先进性以及施工工期来评价;安全指标可以通过环境危害、防渗质量以及施工安全来评价。各指标的重要性及其评价对象见表 1。表 1 决策指标重要性评价指标评价对象重要性评价(010)成本施工决策初期3.336建设经济效益方案决策4.057施工难度施工过程、工序搭接、操作5.165质量把控全工期决策4.284施工技术先进性施工人员、机械的先进性3.157施工工期工期长短、延误3.975环境危害施工废料的污染性5.094防渗质量大坝防渗能力7.157施工安全人员、机械、管理6.114 表 1 显示,成本指标是在大坝加固中的改扩建资金投入,是影响加固方案决策初期的重要指标。建设经济效益同样是方案决策中的重要指标,经济效益指标的评价结果决定了大坝加固中641魏 曼:基于多目标决策的病险水库大坝加固施工方案优化研究第 10 期的资金投入。施工难度评价贯穿于整个施工进程,施工难度评价是对工序之间的搭接、施工操作的难度评定,需要结合其他指标来进行决策。质量把控指标是一种风险指标,用以评价项目可控性,针对病险水库大坝的加固方案而言,质量把控指标是一个全工期决策指标9。施工技术先进性指标是对施工过程的技术评价,即评价施工人员、机械的先进性。工期指标的评价是对整个施工方案的进展和节奏把控,并在评价中考虑施工中的天气变化导致的工期延误。环境危害指标是评价大坝加固过程中所产生的废料等对环境的破坏性,环境问题作是人类长久发展所关注的问题,将其作为大坝加固中的重要评价指标具有重要意义10。防渗质量指标是大坝加固中的最重要指标,病险水库本身存在不牢固的情况,大坝加固方案是提升其整体质量的关键方案。施工安全评价指标是对施工中的人员、机械使用安全进行评估,是确保病险水库大坝加固正常运行的基础。1.2 病险水库大坝加固方案多目标决策模型病险水库大坝加固方案目标决策中的重要环节是对指标进行权重确定,以此来确定下层指标在上层指标中的重要程度。为了更客观地对大坝加固决策指标进行权重赋予,引入组合赋权法来进行权重确定。传统的组合赋权法难以兼顾主观和客观的一致性,因此研究中以层次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)和熵权法(Entropy method,EM)来确保决策结果的主观性和客观性结果偏差最小,提出 AHP-EM 优化组合赋权法。首先计算提出方案中所有指标的组合权重,公式如下:w=(w1,w2,.,w9)T(1)式中:w 为指标权重;T 为转置。采用组合赋权法,对单个指标进行权重赋予,在某一种赋权法下的指标权重向量表示如下:k=(k1,k2,.,k9)k=1,2,.,s(2)式中:k为在第 k 种赋权方法下的指标权重;s 为方案数量。此外,在当前状态下引入偏差函数,减少主客观赋权下的偏差,公式如下:f(k)=9i=1(wi-ki)2(3)式中:f(k)为偏差函数;ki为第 i 个指标在第 k种方案下的权重。建立线性组合权重最优化模型,公式如下:minZ=sk=1ni=1f(k)s.t.sk=1k=1(4)式中:k为组合权重。令组合权重的组合系数 =(1,2)T,得到计算病险水库大坝加固方案指标组合权重的联合方程,公式如下:19i=11i2+0.5=0229i=12i2-19i=11i2i+0.5=01+2=1(5)式中:为随机参数;1i为第 1 种赋权方法下的第 i 指标的权重;2i为第 2 种赋权方法下的第 i指标的权重。依据研究提出的指标选择和指标权重赋予方法,构建病险水库大坝加固方案的选择和优化流程,见图 2。图 2 病险水库大坝加固方案优化流程图 2 显示,首先针对病险水库大坝情况,采用文献查找法,查询针对性的加固方案,并总结当前研究中的大坝加固方案;其次选择加固方案决策中的决策指标,并分析各决策指标对病险水库大坝加固的干预对象和重要性程度;然后引入组合赋权法,为了减少主观和客观偏差过大带来的权重偏差,同时引入层次分析法和熵权法;最后对组合赋权法进行处理,构建病险水库大坝加固方案指标组合权重的联合方程,并利用该方程对各方案中的指标进行权重赋予。741第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,20232最优加固方案选择及方案应用测试 以某水库为研究对象,该水库于上世纪 70年代修建,主要以灌溉为主,同时具备防洪和养殖等综合功能,其承雨面积 55km2,大坝最高处43.0m。在长时间的运行中,大坝坝体存在渗漏问题,同时存在坝基渗漏病害。根据当前大坝情况,专家初步拟定 4 种加固方案,利用研究提出的 AHP-EM 组合赋权法多目标决策方法,对多个方案进行多目标决策,以期找出最优加固方案,见表 2。表 2 不同加固方案评价指 标坝体高压喷射灌浆和坝基帷幕灌浆(1)坝体劈裂灌浆和坝基帷幕灌浆(2)坝体防渗墙和坝基帷幕灌浆(3)坝脚开挖铺设土工膜、坝体压力充填灌浆和坝基帷幕灌浆(4)成本/万元84.6186.32111.07154.83建设经济效益/万元年-137.84.1242.6543.59施工难度/分92898584质量把控/分93928890施工技术先进性/分87888990施工工期/天109111148139环境危害/分90898991防渗质量/分84869189施工安全/分91919093 表 2 显示,在方案评价中,方案 4 的防渗质量指标分数略低于方案 3,但方案 4 的其余指标评分均高于方案 3;方案 1 与方案 2 的成本指标均低于 90 万元,但方案 2 的建设经济效益达到40 万元的净年值,而且方案 2 的工期较短,其余指标的评分整体高于其他方案。因此,研究中认为采用方案 2 更为有益。同时,将方案 2 应用于病险水库大坝的加固仿真模拟中,评价施工前后方案 2 与其他方案之间的差异,见图 3。图 3 不同方案的加固仿真结果 图 3 显示,选择该大坝的两个监测点进行评价可以发现,在方案实施前,不同监测点的孔隙水压力均随着时间的增加呈现增长趋势,并最终提升至 910Pa 以上。经过不同方案的加固干预,在监测点 1 处,所有方案均能有效降低大坝孔隙的水压力,其中方案 2 加固仿真模拟下的孔隙水压力最小,最大值仅为 901.3Pa,明显低于加固前的大坝孔隙水压力,同时低于其他方案下的孔隙水压力。最后,评价方案 2 在研究所选取的病险水库大坝加固中的应用效果,见图 4。841魏 曼:基于多目标决策的病险水库大坝加固施工方案优化研究第 10 期图 4 方案 2 下的垂直位移量变化 图 4 为大坝 7 个不同连续监测点的垂直位移情况。由图 4 可以看出,在方案实施前,该大坝的最大垂直位移量出现在监测点 6 处,该处位移量达到 0.110m。采用方案 2 对该大坝进行加固后,在方案 2 的影响下,各监测点的垂直位移量值均得到显著减少,其中在监测点 6 处的垂直位移量值降低至 0.026m。以上结果表明,针对病险水库大坝的加固,采用坝体劈裂灌浆和坝基帷幕灌浆能有效减少大坝的垂直位移量。3 结 论为了对病险水库大坝进行加固处理,本文提出了一种多目标决策方法,以此确定多方案中的最优方案。基于 AHP-EM 组合赋权的多目标决策,构建病险水库大坝加固方案决策指标体系,引入 AHP-EM 组合赋权来确定不同指标的权重,最终通过仿真模拟,验证了其有效性。结果显示,研究提出的多目标决策能够快速确定多方案中的最优方案,在比较方案之间的加固仿真中,多目标决策选择的最优方案下的大坝孔隙压力得到显著降低,最大值仅为 901.3Pa。在研究选取方案的实际应用中,大坝的垂直位移量得到显著降低,最大处从 0.110m 降低至 0.026m。以上结果表明,采用多目标决策能够有效选取病险水库大坝进行加固的最优方案,并且该最优方案能够显著提升大坝加固效果,对病险水库的长期治理具有重要意义。参考文献1 王正成,孙岩,毛海涛,等.不同除险加固方案下病险水库渗流特性研究J.中国安全生产科学技术,2022,18(3):175-183.2 韦强军,马福恒,李子阳,等.病险水库除险加固功能康复程度评估信息模型及应用J.水电能源科学,2019,37(8):47-50,21.3 吉瑞博,王志红,周中健,等.基于多决策变量协同设计的供水管网多目标优化模型研究J.给水排水,2019(3):125-131.4 汪在芹,廖灵敏,李珍,等.CW 系化学灌浆材料与技术及其在水库大坝除险加固中的应用J.长江科学院院报,2021,38(10):133-139,147.5 SU H,LI J,WEN Z.Bi-criteria stability evaluation approach of gravity dam with pre-stressed cable rein-forcementJ.Soft Computing,2022,26(6):2699-2719.6 马宏新,李卓,范光亚,等.某水库大坝防渗加固效果综合物探检测与分析评价J.南水北调与水利科技,2019,17(6):193-200.7 于欣廷,郭玉雪,许月萍.考虑大陆引水的海岛地区复杂水工程群多目标优化配置研究J.中国农村水利水电,2022(2):190-198.8 张珣,扶昭,林刚,等.基于碳排放约束的山东省沿海城镇带能源发展多目标优化决策J.科技导报,2020,38(11):89-97.9 尚静,唐德善,王美慧.基于 PSR-MODMIIM 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