山区库岸路基防护结构物设置选型的模糊多属性决策方法
公路交通技术2011年12月第6期TechnologyofHighwayandTransportDec．2011No．6山区库岸路基防护结构物设置选型的模糊多属性决策方法阎宗岭，贺铭，栗海涛，王操(1．国家山区公路工程技术研究中心，重庆400067；2．重庆交通大学土木工程学院，重庆400074；3．云南省公路科学技术研究院，昆明650005；4．中铁二院工程集团有限责任公司贵阳设计研究院，贵阳550002)摘要：针对影响库岸公路路基防护与支挡结构稳定的各种因素具有随机性、不确定性等特征，运用非线性科学的模糊多属性决策方法进行山区库岸公路路基防护与支挡结构的优化选型，对防护与支挡结构的经济性、防护效果、使用寿命、施工可行性等进行模糊多属性决策，筛选出最优防护与支挡结构方案，使设计方案更加合理。关键词：库岸路基；防护与支挡结构；模糊多属性决策；权值；非线性优化文章编号：1009—6477(2011)06—0001—05中图分类号：U416．1文献标识码：AFuzzyMultiattributeDecisionMakingMethodsforSetupandTypeSelectionofProtectiveStructuresofRoadbedsatReservoirBankinMountainousAreaYANZongling，HEMing，LIHaitao，WANGCaoAbstract：Aimingatfeaturesofrandomnessanduncertainty，etc．ofvariousfactorsinfluencingstabilityofprotectiveandretainingstructuresofroadbedsatreservoirbank，thispaperutilizesnon—linearscientificfuzzymuhiattributedecisionmakingmethodstooptimizeselectionoftypesofprotectiveandretainingstructuresofhighwayroadbedsatreservoirbankinmountainousarea，carriesoutfuzzymultiattributedecisionmakingmethodsforeconomy，protectiveeffect，servicelifeandfeasibilityofconstruction，etc．ofprotectiveandretainingstructures，andscreenstheoptimalschemeofprotectiveandretainingstructuresSOastoenablemorerationalityofdesignschemes．Keywords：roadbedsatreservoirbank；protectiveandretainingstructures；fuzzymuhiattributedecisionmaking；weight；non—linearoptimization“库岸路基防护与支挡结构形式多种多样，如何一对多”的映射过程；方案评价是设计人员建立影根据各种防护结构型式的适用范围、适用条件、设计响结构选型各个属性的因素层次关系，并将其变成因素等主要指标，对防护与支挡结构进行合理选型，主观效用(满足主体要求的程度)的行为，可以将其为库岸路基防护与支挡结构的设计方案选择提供充看成是从属性空间到价值空间的映射；方案决策是分的论证依据是工程设计人员关心的技术难题之一。设计人员在方案评价建立的评价矩阵基础上，运用库岸路基防护与支挡结构选型属于概念设计范其对决策变量或属性的偏好信息对结构型式方案进畴，是结构设计中最富有创造性的阶段，具有较强的行优选排序的过程，可以将其看成是从价值空间到软科学决策特点。结构选型的设计进程包括方案生决策空间的映射，它是一个“多对一”的映射过成、方案评价和方案决策3个典型阶段。方案生成程[1-3]。是设计人员根据工程实践对结构的功能要求：和其它在库岸公路工程设计中，防护与支挡结构型式设计约束条件生成多个方案型式的过程，可以将其方案的优选决策往往取决于设计人员的个人素养，看成是从功能空间到属性空间的映射，它是一个随意j生较大，有些设计方案不尽合理。同时，由于影基金项目：交通运输部西部交通建设科技项目(200831674006)；重庆市科技攻关项目(CSCT2009AC6081)；云南省交通科技项目(2010(A)O3-b)收稿日期：2011—07—15作者简介：阎宗岭(1976一)，男，河南省郑州市人，博士，副研究员．
2公路交通技术2011年响库岸公路路基防护结构稳定的各种因素具有随机WI112⋯W1n性、不确定性特征，因此在这种情况下，非线性学科W21W22⋯W2nW=(3)相关理论为解决这个问题提供了理论基础，采用模W31W32⋯W3n糊多属性决策方法可以达到较好的决策效果，使设W41W42‘一W4n计方案更加合理。对任意方案，它满足：41模糊多属性决策方法的基本原理∑W=1。(4)i=11．1路基防护与支挡结构选型的模糊多属性决策对于结构工程方案，不管采用何种形式，相对于模型工程造价、施工可行性、适用性、受力性能，都具有相影响库岸路基防护与支挡结构选型的因素众同的权重，因此式(3)可简化为：多，而且十分复杂，有些因素不能够用确切的数字来=(W1W2W3W4)。(5)衡量，只能定性描述，具有模糊性，如在施工可行性W，W：，W，W分别代表方案对于工程造价、施中的当地施工经验的丰富程度、施工难易程度等；还工可行性、适用性、受力性能的权重。有一些因素具有不确定性，首先防护与支挡结构的为了求得方案最优的相对隶属度，设方案与强度具有较大的离散性，无法确切预计结构的能力优、劣的广义欧氏权距离分别为S与5，即(尽管在某种程度上可以估计)。这些不确定的因素由于不能直接被量化，可比性较差，故在选型决策√rl—■——[———(—1——一————)—]—一I中常常不受重视甚至被忽略。√／l4()l(6)根据模糊优化理论J，将库岸路基防护与支挡结构经济性能(工程造价)E，施工可行性K，结构由模糊集合的余集理论，方案对劣的相对隶属对功能的适用性能s，安全性R等作为优化目标，其度为，=1一心，在模糊集合理论中，隶属度可余作为约束条件。．认为是权重，则方案与优、劣方案之间的权距离分对一特定的库岸路基防护工程，设有n个备选为Dig与Dih。方案，则对于任一方案，工程造价低、施工可行性好，Ds、适用性强，受力性能优的方案是最佳方案。方案与(7)Dh：ps目标E、K、S、尺的关系可用目标相对隶属度表i示，Kf=(k2／，3f，4f)，表示方案对目标i(i=根据距离最短的原则，目标函数定义为：方案1，2，3，4，代表E，K，s，R)的相对隶属度。对于n个的加权距优距离的平方与加权距劣距离的平方之和方案，目标相对隶属度矩阵为：为最小，即目标函数为：4K=(K)。(1)min=+=∑[(1一)]+其中，i=1，2，3，4，=1，2，3，4，⋯，n。为了计算=l4k对于任一工程，工程造价越低越好，设n个结构(1一)∑wu)。(8)方案的工程造价为xij(=1，2，⋯，n)，设令dF／=0，得到以距离参数P=2的欧氏距tminX1l
22>⋯>2n，则k=，k卸=，k4『=(=1，2，2max3max~4max⋯，n)。(2)不同方案对不同的目标具有不同的权重，设权=(l2一-／z)。(10)重矩阵为：
2011年第6期阎宗岭，等：山区库岸路基防护结构物设置选型的模糊多属性决策方法379徽1．2基于层次分析法各评估因素权值的确定表3结构经济性评价层次分析法需确定某个指标本层各个元素相对结构类型挡墙挡墙+护坦混凝土护坡于上一层的相对重要性权重，具体为计算准则层的．个指标相对于总目标的权重，以及i个方案分别相对于个指标的权重。先把各个因素进行两两比较，并给出相对权重，2．2防护与支挡结构的工程特性组成判断矩阵，比较时可参考表1所提供的标度含库岸公路防护结构工程特性的总体要求如下。义J。如结构的经济性因素要比结构的适应性因素1)强度。明显重要，故判断矩阵中1行2列的元素是5，而2行要求所选用的材料必须能够承受最大设计荷载1列的元素是1／5。经专家商议构造判断矩阵后，须和施工期间施加的任何荷载。此外，对强度的考虑进行一致性检验，防止在确定相对权值时出现逻辑错还必须包括整个系统的结构整体性，以及各组成部误，如A比B重要，B比C重要，但c比A又重要。分的强度。一致性检验的步骤是先计算判断矩阵平：均偏离2)使用年限(耐久性)。指标C=(A一n)／(一1)，然后与随机偏离指标R设计人员不但要考虑防护结构的整体耐久性，比较(是由500个随机正互反矩阵算得的平均偏而且还必须考虑其各个构件的耐久性。根据整个系离指标的平均值，见表2)P9]。当其比值C=统的特性确定其使用年限，且在使用期间，各个构件C。／R，<0．1时，认为一致性检验通过，否则需调整判可以养护维修。断矩阵直到通过为止。在结构选型过程中，准则层3)透水性。对方案层的权重矩阵要根据具体方案来定。是否采用可透水或不透水材料进行库岸路基防表1判断矩阵标度及其含义护，取决于是否有可能在护岸趾部修筑很好的截水墙，同时要注意土体特性，为降低支挡与防护结构墙标度含义后的地下水压力需要设置排水设施，对透水性能极表示2个因素相比具有同样的重要性差的粘性土，通常采用不透水材料修筑防护结构，并表示1个因素比另一个因素稍微重要修筑截水墙，在支挡与防护底部设置排水区，并在正表示1个因素比另一个因素明显重要常雍水位正上方设置排水孔。表示1个因素比另一个因素强烈重要4)柔性。表示1个因素比另一个因素极端重要库岸路基支挡与防护结构可以采用刚性材料护为上述2相邻判断的中值岸，也可以采用柔性护岸，但究竞选择哪种结构和材当与因素比较取6尉，则i与的比较取1／b料，取决于路基土质类型和预计的位移值。刚性护表2随机偏离指数岸结构通常考虑采用更耐久的结构型式，其维护费用较低(如采用大体积混凝土或圬工结构)。如果预计会发生较大沉陷，那么设计的防护结构型式应能跨过无支承力的活动区，或者必须设置有合适间2选型实例距的施工缝。一旦刚性结构发生破坏，一般来说，它某山区库岸公路全长25km，地形条件较差，急比柔性结构更难修复。弯、陡坡多，雨季期间，道路塌方、路基路面沉陷、边柔性防护结构允许地基或垫层产生有限的位沟淤塞、路面泥石流等病害频发，需要选择适宜的防移，并且就铺砌护岸来说，允许在地基上维持一定的护方案。约束压力。从监测和潜在问题的预警角度看，采用2．1利用经济评价系统作经济性分析柔性结构防护比刚性结构更容易发生沉陷和垫层破利用基于Matlab经济评价神经网络系统方法，坏，但维护更容易，因为刚性结构更可能在没有预警将各工程量按公路工程定额计算：如浇筑1m混凝情况下发生事故。土为300元，绑扎1t钢筋为3500元，可得到相关5)重量。工程的造价，并将其作为经济性能方面评判的指标尽管库岸路基支挡与防护结构的重量在施工图(表3)。设计阶段只是一般的考虑因素，但如果支挡结构修
4公路交通技术2011皋建在极软弱地基上，它很可能影响到其初设方案的防护方案的一个主要约束条件。例如，如果当地有选择。例如在低强度有机土的地区，一般采用柴捆很好的石料，就应采用砌石，而不采用混凝土板。当防护，其在对路基、岸坡提供表面保护的同时，不产然，材料的取得与投资有很大的关系。另一个因素生很大的荷载，而采用自重很大的材料可能导致大是易于加工处理，而材料的加工处理与工地可能得的沉陷或路基破坏。到的设备有关。6)水力糙率。在施工可行性方面应主要考虑工程的难易程支挡与防护结构的水力糙率对水流水力特性的度，根据各种结构类型建筑的复杂程度，确定各种结影响必须加以考虑。对小型河道来说，其水力糙率构类型建筑的施工可行性量值(也采用标准化，即对过水能力有很明显的影响，它可能抬高上游河道个数值都在0—1之间，见表5)。水位。换句话说，采用光滑的支挡与防护结构可提利用抗冲刷模糊评价系统作抗冲刷评价，结果高河道过水能力和增大流速，但这会导致防护路基见表6。段下游的冲刷。表5结构施工可行性库岸路基常用的支挡与防护方案有挡墙、挡墙+护坦、混凝土护坡、抛石护坡等，表4给出了这几类常见防护方案工程特性的定量描述加。表4结构工程特性结构体系强度与使用年限透水性，柔性，容量水力糙率结构类型挡墙挡墙+护坦混凝土护坡评价结果0．8130．8250．838各因素的权重值为[0．300．0390．36O00．05]。2．4利用多因素模糊综合评价系统作整个系统的如∞2．3施工可行性综合分析00001．0000．85l0．841除水深是施工的主要约制条件之外，在确定最如∞4优方案时还应考虑下列潜在的施工制约条件。0．7780．8891．00030500．8571．0001．0001)地理位置。(]0965河道、渠道和排水渠一般位于遥远地区，交通不0．．便。无论如何，施工设备、劳动力和原材料应经济地运到或到达工地，这些条件都必须加以考虑。2)劳动力。在某些情况下，可直接雇佣劳动力进行施工，无须通过合同转包。获得的劳动力及其工种可能影响S=[0．0830．0460．048]，方案的选择，特别是支挡结构需要熟悉特种防护工S^=[0．5720．6220．623]，程或有专门技能的劳动力时更是如此。另一方面，／z=[0．9800．9950．994]。(11)如果劳动力在数量和能力上有限，将制约方案的选从式(11)结果可以看出，从经济性看，挡墙结择，除非取得外援。当然，由承包商组织施工，其监构是最为经济的，但从多因素评判角度看，选用挡理工作就要求比直接雇佣劳动力进行施工做得更仔墙+护坦结构方案和混凝土护坡结构方案就略优于细。挡墙结构方案。因此，针对此防护工程建议采用挡3)机械设备。墙+护坦结构方案或混凝土防护结构方案。已就道路和施工场地对施工用设备种类的约制在进行库岸路基支挡与防护结构选型时，只凭进行了论述，其它如地面状况和噪音控制都需要考某种单个因素进行评判，即使局部达到了最优，整体虑，对不良地面状况通常采用铺临时道路或用木垫上也达不到最优的效果。例如单纯追求造价最低，板来解决。有时会导致其它因素较差，使路基防护体系的整体4)建筑材料。性能受到影响，防护结构的长期效益或整体效益不施工过程中，能否取得合适的建筑材料是选择(下转第8页)
8公路交通技术2011年开挖后才进行回填，以确保填筑的均匀性。6)尽量采用较高含石量混合料进行填筑，建议参考文献不低于50％。石块尺寸以不大于层厚的2／3为宜。周德泉，黄文生，刘文伟．岩溶地区桥位选址及勘察方7)用作填筑路基的土石混合料，除限制其最大法初探[J]．勘察科学技术，1996(6)：57-59．粒径外，一般对填料级配不作限制；但当压实过程中邓居智，莫撼，刘庆成．探地雷达在岩溶探测中的应发现由于某种粒径的填料欠缺而影响压实效果时用[J]．物探与化探，2001，25(6)：474-476．黎斌，范秋雁，秦风荣．岩溶地区溶洞顶板稳定性分(一般为细粒料)，采用补充该级配填料的办法进行析[J]．岩石力学与工程学报，2002，21(4)：532-536．改善。程晔，赵明华，曹文贵．桩基下岩溶顶板稳定性评价8)路基填筑过程中需控制好路堤填筑速度，整的强度析减法研究[C]／／中国土木工程学会第九届土个工作面应同时均匀填筑，切忌分区域填筑。每层力学及岩土工程学术会议论文集．北京：清华大学出均采用重型压实机械碾压密实。版社，2003．邓居智，莫撼，刘庆成．探地雷达在岩溶探测中的应4结语用[J]．物探与化探，2001，25(6)：474—476．采用地质雷达对黑尼大桥桥址岩溶发育情况进郭正言，刘长平．地质雷达在岩溶地区公路工程勘察行了探测，结合探测结果建立数值分析模型，对岩溶中的应用[J]．公路，1999(11)：50-52．路基的稳定性进行分析，并提出相应的施工控制措柴贺军，阎宗岭，贾学明．土石混填路基修筑技术[M]．r!rLrjrl12345678施。研究]j结果表明，摩尼大桥]J改为路基方]案j技术可]北京：人民交通出版社，2009．行、经济节约、施工可控。建议加强施工控制，降低梁超才．对岩溶地质桩基基础选型和施工质量的探讨工后不均匀沉降，防止发生次生路面病害。[J]．广东土木与建筑，2001(10)：31—33．3结语E4]邓聚龙·灰色系统理论教程[M]·武汉：华中理工大学进行山区库岸路基支挡与防护结构选型时，只出版社，990·凭某单个因素的方案评判结果，往往不是总体上最[]Rib。imRA·Fym“ip。mib。dii。“mkireviewnewpreferenceelicitation的．方。因，~仃A-又~／方煮择的决要Fs：ds。m，996，2：鸭¨，徐士河．聚算，时的方、案考置妻“．：矍型1．1¨土．tL／-~景El．[6]张不确定多属性决。本文针对影响库岸公路路基防护与支挡结策方萎应用[’J烟台；：‘自然；程构稳定的各因素具有随机性、不确定性等特征，提出版，20l1，24(1)：10-12．了运用非线性科学的模糊多属性决策方法进行山区E7]郭春香，郭耀煌．属性具有不同形式偏好信息的群决库岸公路路基防护与支挡结构的优化选型，实现了策方法[J]．系统工程与电子技术，2005，27(1)：63一
