基于層次分析法的臺山核電新松水庫壩址篩選研究

魏海波

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

近年，隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，清潔能源被大量應(yīng)用和需求，進(jìn)而產(chǎn)生了大量的水庫工程，鑒于該類工程的重要性，有必要對其壩址進(jìn)行針對性的篩選優(yōu)化研究[1-2]。目前，已有大量學(xué)者開展了相應(yīng)研究，如陳強(qiáng)標(biāo)[3]、夏守寶[4]和甘澤[5]在對比壩址區(qū)各項(xiàng)工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，分析了不同壩址選擇的合理性，以確定合適的壩址位置；張曉明等[6]則在壩址影響因素篩選的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了壩址合理性的評價(jià)體系，有效指導(dǎo)了后期施工；劉斌等[7]在工程布置優(yōu)化基礎(chǔ)上，綜合考慮多種因素對壩址投資的影響，篩選了合理壩址；肖華波等[8]利用數(shù)值模擬評價(jià)了壩址岸坡穩(wěn)定性，進(jìn)而為壩址選擇提供了參考依據(jù)。上述研究均取得相應(yīng)成果，如驗(yàn)證了壩址篩選是多種因素綜合作用的結(jié)果，但上述研究多是側(cè)重于定性篩選壩址，缺乏定量評價(jià)研究。因此，該文以臺山核電站的附屬新松水庫為工程實(shí)例背景，利用層次分析法構(gòu)建壩址篩選評價(jià)體系，再通過計(jì)算得到不同壩址適宜性得分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壩址篩選的定量評價(jià)，以便更好指導(dǎo)后期決策。

1 基本原理

水庫壩址篩選思路為：首先，利用層次分析法構(gòu)建水庫壩址篩選評價(jià)體系；其次，分別利用1-9標(biāo)度法和模糊理論確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)值與隸屬度；最后，利用R=P×C模型實(shí)現(xiàn)評價(jià)指標(biāo)權(quán)值與隸屬度的疊加，進(jìn)而得到壩址適宜性評分，達(dá)到壩址篩選的目的[9-11]。結(jié)合上述思路，將評價(jià)過程的具體方法分述如下：

1) 壩址篩選體系的構(gòu)建

水庫壩址篩選是一個(gè)復(fù)雜的問題，不能用單一指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，需考慮多種因素的綜合效應(yīng)，而層次分析法可實(shí)現(xiàn)不同層次指標(biāo)的無量綱評價(jià)，進(jìn)而適用于水庫壩址篩選。其壩址篩選評價(jià)體系的構(gòu)建過程為：先結(jié)合工程實(shí)際，構(gòu)建出影響壩址篩選的一級指標(biāo)，該類指標(biāo)應(yīng)具有同等影響力，且互不干擾；其次，對各一級指標(biāo)再進(jìn)行細(xì)分，劃分出同等效應(yīng)的二級指標(biāo)，并以此類推，構(gòu)建出樹枝狀的壩址篩選評價(jià)體系。

2) 評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重求解

采用1-9標(biāo)度法確定同一等級指標(biāo)的相對權(quán)重值，其過程如下：

①構(gòu)建判斷矩陣

1-9標(biāo)度法是通過對比兩兩指標(biāo)間的相對重要性構(gòu)建判斷矩陣，其構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。通過構(gòu)建得到的判斷矩陣屬互反矩陣，且各元素間的重要性僅代表兩兩指標(biāo)間的關(guān)系，不具傳遞性。

表1 判斷矩陣的構(gòu)建原則

②一致性檢驗(yàn)及權(quán)重確定

如前所述，判斷矩陣是按兩兩指標(biāo)的重要性構(gòu)建，各指標(biāo)間的相對重要性可能不一致，進(jìn)而需對其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，即先求得最大特征值及其特征向量，求得判別指標(biāo)CI：

(1)

式中λmax為最大特征值；n為評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

將CI值與重要性標(biāo)度指標(biāo)RI值的比值作為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CR：

(2)

式中RI值可由表2求得，且CR值的判據(jù)為：若小于0.1，則說明判斷矩陣具有一致性，可以接受；反之，則需要重新構(gòu)建判斷矩陣，直至滿足上述條件。

表2 重要性標(biāo)度值

當(dāng)滿足一次性檢驗(yàn)后，歸一化處理最大特征值對應(yīng)的特征向量，所得歸一化值即為相應(yīng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

3) 評價(jià)指標(biāo)的隸屬度求解

利用模糊理論確定各評價(jià)指標(biāo)的隸屬度值，并將其實(shí)現(xiàn)方法確定為專家法，該方法可充分發(fā)揮專家工作經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)不確定因素的定量轉(zhuǎn)變；由于不同專家的資歷及經(jīng)驗(yàn)存在差異，一般資歷越老、工程經(jīng)驗(yàn)越豐富的專家，其隸屬度評價(jià)結(jié)果的可信度相對越高；反之，隸屬度評價(jià)結(jié)果的可信度相對較低。因此，有必要對不同專家的隸屬度值進(jìn)行折減區(qū)分，具體原則如表3所示。

表3 專家分類折減標(biāo)準(zhǔn)

4) 壩址適宜性等級劃分

根據(jù)前述指標(biāo)權(quán)重及隸屬度求解結(jié)果，采用P×C法實(shí)現(xiàn)兩者疊加，進(jìn)而求得壩址適宜度得分，并將得分進(jìn)行區(qū)間劃分，以確定壩址的適宜性，其相應(yīng)評分如表4所示。

通過表4的等級劃分，可將壩址篩選過程由定性評價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u價(jià)，且所得評價(jià)結(jié)果可根據(jù)相應(yīng)等級得到對應(yīng)的適宜性結(jié)果。

表4 壩址適宜性等級劃分

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

新松水庫為臺山核電站的附屬水庫，在完成核電站供水的同時(shí)，兼顧下游段居民的日常用水。根據(jù)現(xiàn)場勘察成果，壩區(qū)處于曹沖河出山口處的開闊地帶，以低丘陵山區(qū)地貌為主，夾有少量堆積平原及河流地貌；地形總體呈南西側(cè)、南東側(cè)高，北東側(cè)低，起伏較大。

壩區(qū)出露第四系地層較為豐富，主要以殘坡積層、沖洪積層為主，巖性為粉質(zhì)粘土、碎石土等，對大壩影響主要是在壩肩位置堆積，影響壩肩穩(wěn)定性，并可能誘發(fā)次生工程問題；基巖出露主要以泥盆系老虎頭組砂巖、泥巖為主，下覆燕山二至五期的侵入巖。同時(shí)，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，庫區(qū)近區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造主要呈北東向構(gòu)造，其次為北西向構(gòu)造，此外還有零星出露的東西向及南北向構(gòu)造，且構(gòu)造類型以斷裂構(gòu)造為主，未見較大的褶皺構(gòu)造。壩區(qū)內(nèi)水文條件較為豐富，其中，地表水以曹沖河為主，其支溝呈樹枝狀分布，河流流量受季節(jié)影響，但總體流量滿足設(shè)計(jì)要求；地下水以孔隙潛水和基巖裂隙水為主，前者主要賦存于第四系土層中，后者最主要賦存于塊狀巖類風(fēng)化帶中，其與地表水具有較為復(fù)雜的水力聯(lián)系。

2.2 壩址篩選體系的構(gòu)建

由于新松水庫主要是向核電站供水，其重要性不言而喻，很有必要對其壩址進(jìn)行優(yōu)化篩選，根據(jù)現(xiàn)場初步勘察，確定了兩處待選壩址，即上壩址和下壩址，兩地相距約250 m，且鑒于壩址篩選的影響因素較多，并非單一因素作用的結(jié)果，為實(shí)現(xiàn)綜合評價(jià)，該文利用層次分析法構(gòu)建其篩選體系，以合理評價(jià)兩處壩址的適宜性。

層次分析法構(gòu)建篩選評價(jià)體系過程中，地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等因素對壩址篩選具有同等影響力，因而將其設(shè)定為1級評價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合工程實(shí)際，將其影響過程及2級評價(jià)指標(biāo)分述如下。

1) 地形地貌因素

上、下壩址位于曹沖河中下游一帶，具同一地貌單元，均屬低山丘陵地貌，結(jié)合勘察成果，將兩地的具體地形地貌分述如下：

上壩址：河底高程為5～7 m，目前河面寬度約為35 m；設(shè)計(jì)正常蓄水位為48.2 m時(shí)，水面寬約183 m。左、右兩岸山體相對對稱，其中，左岸山體高程約為110 m，山體渾圓，邊坡較陡，坡度約為25°～35°；右岸山體高程約為120 m，有較多沖溝，大多邊坡較緩，坡度一般為20°～30°。

下壩址：河底高程為4～4.5 m，河面寬度約為20～25 m；設(shè)計(jì)正常蓄水位為45.8 m時(shí)，水面寬約194 m。左右兩岸山體不對稱，其中，左岸山體高程約為125 m，山體雄厚，局部出露基巖，邊坡較陡，坡度約為25°～35°；右岸有一段長約200 m、高程為60～70 m單薄的條形山連接壩體，最高峰約135 m，坡度一般為20°～30°。

根據(jù)上述，兩待選壩址的地形地貌條件具有明顯差異，結(jié)合其現(xiàn)場條件，將其二級評價(jià)指標(biāo)設(shè)定為：河谷形態(tài)、山體對稱性及河谷寬度，其三者均會一定程度上影響壩體長度及穩(wěn)定性，如兩側(cè)山體對稱性越好，同等條件下的壩體穩(wěn)定性越高；河谷寬度越寬，雖能保證庫容，但會增加壩體長度，進(jìn)而降低壩體穩(wěn)定性及增加造價(jià)。

2) 地層巖性因素

如前所述，兩待選壩址相距較近，進(jìn)而其下覆基巖情況相近，均具有相差不大的物理力學(xué)性質(zhì)，其地層差異主要體現(xiàn)在第四系覆土上。

上壩址：覆土厚度在13.1～38.0 m之間，最厚可達(dá)44.5 m；全風(fēng)化帶厚為12.3～43.4 m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚為0.6～17.9 m，局部缺失，弱風(fēng)化帶厚為22.5～27.5 m，部分鉆孔沒揭穿。

下壩址：覆土厚度一般在6.4～33.7 m之間；全風(fēng)化帶厚為5.1～33.7 m，局部缺失，強(qiáng)風(fēng)化帶厚為1.1～3.0 m，局部缺失，弱風(fēng)化帶厚為1.9～39.7 m，部分鉆孔沒揭穿。

地層巖性對壩址篩選影響較大，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，將其二級評價(jià)指標(biāo)設(shè)定為：地層巖性、覆土層厚度及風(fēng)化層厚度。三者對壩址篩選的影響主要體現(xiàn)在對壩體穩(wěn)定性的影響，若地層巖性越好，覆土層、風(fēng)化層厚度越薄，壩體穩(wěn)定性相對越好。

3) 地質(zhì)構(gòu)造因素

地質(zhì)構(gòu)造對壩址篩選影響重大，若壩址建于易發(fā)斷裂帶上，在蓄水誘發(fā)影響下，可能產(chǎn)生對壩體影響較大的地震，進(jìn)而影響其正常運(yùn)營。結(jié)合本次調(diào)查，壩區(qū)未見大規(guī)模的斷裂及褶皺通過，鉆孔揭露有小斷層、裂隙，且裂隙較為發(fā)育，其中，上壩址鉆孔揭露1條斷層構(gòu)造，產(chǎn)狀不明；下壩址鉆孔揭露有4條斷層，裂隙連通性不好。

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造的影響，將其2級指標(biāo)設(shè)定為斷層、節(jié)理裂隙及地震三個(gè)因素；同時(shí)，由于斷層及節(jié)理發(fā)育程度仍需進(jìn)一步評價(jià)，將斷層的3級指標(biāo)設(shè)定為條數(shù)、尺寸參數(shù)、充填情況及起伏度4個(gè)指標(biāo)；節(jié)理裂隙的3級指標(biāo)設(shè)定為條數(shù)、尺寸參數(shù)及起伏度3個(gè)指標(biāo)。

4) 水文條件因素

庫區(qū)修建，勢必改變局部區(qū)域范圍內(nèi)的水力聯(lián)系，進(jìn)而原有水文條件對壩址篩選具有重要影響，據(jù)本次勘察成果，河中、左岸土層多為弱透水層，巖石透水率均小于3Lu，且地表水對普通混凝土無腐蝕性，但上、下壩址具有一定差異。

上壩址：右岸土層多為中等透水層，下伏基巖大多小于3 Lu，部分大于3 Lu。

下壩址：右岸土層為弱透水層，下伏基巖都小于3 Lu。

根據(jù)水文條件的影響規(guī)律，將其2級指標(biāo)設(shè)定為透水性和腐蝕性。且結(jié)合透水性的局部特征，將其3級指標(biāo)設(shè)定為土層透水性和巖層透水性兩個(gè)指標(biāo)。

5) 工程地質(zhì)問題

庫區(qū)修建，勢必對壩區(qū)局部地形地貌造成局部改變，加之原有地質(zhì)條件，極有可能誘發(fā)次生工程地質(zhì)問題，因此，有必要對其穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)研究，結(jié)合其特點(diǎn)，將其2級指標(biāo)設(shè)定為壩基穩(wěn)定性問題、滲漏問題和邊坡穩(wěn)定性問題。

6) 后期施工因素

本次研究雖是壩址篩選的初步研究，無法確切計(jì)算壩體成本，但也可根據(jù)壩體初步位置及類型進(jìn)行初步判斷，可將其2級指標(biāo)設(shè)定為材料類型、材料運(yùn)距及施工難度等三個(gè)因素。同時(shí)，據(jù)初步勘察，下壩址壩型為堆石壩；上壩址壩型為混凝土重力壩，以此為依據(jù)，判斷后期施工因素對壩址篩選的影響。

根據(jù)前述影響因素分析，共計(jì)得到壩址篩選體系的1級指標(biāo)有6個(gè)，2級指標(biāo)17個(gè)，3級指標(biāo)9個(gè)，具體指標(biāo)可見表5。

2.3 壩址適宜性評價(jià)

根據(jù)前述基本原理，分別利用1-9標(biāo)度法和模糊理論確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)值和隸屬度，具體過程分述如下。

1) 權(quán)值求解計(jì)算

本文涉及指標(biāo)較多，限于篇幅，以地形地貌因素的3個(gè)2級指標(biāo)為例，詳述權(quán)重求解過程。根據(jù)1-9標(biāo)度法基本原理，得地形地貌因素2級指標(biāo)河谷形態(tài)、山體對稱性及河谷寬度的判斷矩陣為：

(3)

通過計(jì)算，得到上述矩陣最大特征值為3.05，對應(yīng)特征向量b=[0.218 0.520 0.826]，并求得其一致性比率CR=0.05<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)要求。因此，對特征向量b進(jìn)行歸一化處理，所得地形地貌因素3個(gè)2級指標(biāo)的權(quán)重如下：

[u1u2u3]=[0.139 0.333 0.528]。

類比上述計(jì)算過程，再對其他指標(biāo)的權(quán)值進(jìn)行計(jì)算，具體結(jié)果如表5所示。

表5 壩址篩選體系指標(biāo)權(quán)值計(jì)算結(jié)果

2) 隸屬度求解計(jì)算

根據(jù)模糊理論專家法求解各指標(biāo)在不同等級上的隸屬度值，并依據(jù)表3疊加處理，實(shí)現(xiàn)各影響因素的綜合隸屬度求解，結(jié)果如表6所示。

表6 壩址篩選體系指標(biāo)隸屬度計(jì)算結(jié)果

3) 壩址適宜性評價(jià)分析

根據(jù)上述評價(jià)指標(biāo)權(quán)值及隸屬度計(jì)算結(jié)果，可逐步計(jì)算各級指標(biāo)的適宜性，通過3級、2級指標(biāo)隸屬度及權(quán)值計(jì)算，可得到1級評價(jià)指標(biāo)的隸屬度值，進(jìn)而求得壩址適宜性得分。根據(jù)上述思路，將兩待選壩址的計(jì)算過程分述如下。

①上壩址適宜性計(jì)算

如前所述，以上壩址隸屬度及權(quán)值，計(jì)算得到上壩址1級指標(biāo)的隸屬度矩陣為：

(4)

根據(jù)前述矩陣計(jì)算，得到1級指標(biāo)對應(yīng)權(quán)值矩陣為：

再由矩陣A1和R1計(jì)算得到上壩址得分矩陣為：

最后，根據(jù)表4可得各適宜性等級條件下的得分向量E=[40 55 70 85 95]T，進(jìn)而可以求得上壩址的適宜性得分為：

F1=U1E=80.91分。

②下壩址適宜性計(jì)算

如前所述，以下壩址隸屬度及權(quán)值，計(jì)算得到下壩址1級指標(biāo)的隸屬度矩陣為：

(5)

根據(jù)前述矩陣計(jì)算，得到1級指標(biāo)對應(yīng)權(quán)值矩陣為：

再由矩陣A2和R2計(jì)算得到上壩址得分矩陣為：

最后，根據(jù)表4可得各適宜性等級條件下的得分向量E=[40 55 70 85 95]T，進(jìn)而可以求得上壩址的適宜性得分為：

F2=U2E=82.00分。

對比上、下壩址的適宜性得分可知，兩者均大于80分，說明兩壩址條件良好，適宜于壩址建設(shè)；且下壩址相對優(yōu)于上壩址，因此，推介下壩址為新松水庫的擬建壩址。

3 結(jié)語

通過層次分析法對新松水庫壩址適宜性的篩選研究，主要得出如下結(jié)論：

1) 水庫壩址篩選是一個(gè)系統(tǒng)工程，需結(jié)合多方面影響因素綜合確定，且層次分析法能有效實(shí)現(xiàn)壩址篩選的定量評價(jià)，進(jìn)而利用其構(gòu)建新松水庫壩址篩選的合理評價(jià)體系，以便為后期決策提供指導(dǎo)。

2) 通過層次分析法得出上、下壩址相對各有優(yōu)缺點(diǎn)，兩者壩址條件均相對良好，適宜于壩址建設(shè)；且下壩址相對優(yōu)于上壩址，因此，推介下壩址為新松水庫的擬建壩址。

3) 由于壩址所處區(qū)域條件的差異及壩址篩選階段的不同，其評價(jià)指標(biāo)也應(yīng)有所變化，本文模型推廣應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行針對性研究，以保證結(jié)果的可信度。

4) 由于本文是基于壩址地質(zhì)條件調(diào)查基礎(chǔ)上的壩址初選，在工程地質(zhì)問題、工程投資上缺乏定量研究，建議后續(xù)可進(jìn)一步細(xì)化工程投資效益比的對比分析，以便更加全面指導(dǎo)壩址篩選工作。