层次分析法在湿陷性黄土区急流槽设计中的应用

余建军

（白银公路管理局会宁公路管理段，甘肃 会宁 730700）

【摘要】急流槽在公路边坡排水中起着不可替代的作用，湿陷性黄土区的急流槽在路基不均匀变形条件下经常破坏，然而，目前在湿陷性黄土区选择急流槽时还缺少一种系统的方法。本文将层次分析法应用到了急流槽的选型及最优化设计中，对影响急流槽选择及最优化时的各个因素进行了分析，并通过权值大小进行了排序和分析。层次分析结果显示，在湿陷性黄土区，急流槽选型时首先应考虑路基土体的湿陷性，其次应考虑急流槽本事的抗裂性，并对一些施工工艺进行优化和灵活运用。本文的研究成果为湿陷性黄土地区急流槽选型及设计提供了一种综合的、系统的思路和方法。

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关键词 黄土；急流槽；层次分析法

0　引言

我国黄土分布广泛，总面积超过60万km2，其中，湿陷性黄土占了绝大多数，约为60%[1]。在该地区，由于高等级公路路基排水受到地形限制，常常需要设置急流槽与山坡自然汇水急流沟平顺连接[2]。目前，公路边坡中所采用的急流槽主要有四种传统典型机构，即干砌块石矩形槽、浆砌块石矩形槽、混凝土矩形槽和铸铁圆管[3]。然而，该传统典型结构容易出现裂缝，导致急流槽内部水分外漏，使具有湿陷性的路基产生巨大湿陷沉降，从而导致构筑物坍塌，边坡水毁。产生裂缝的原因主要是在高填方路段，由于机械压实很难达到规定的密实程度，另外，由于机械施工过程中的不均衡碾压等，会造成路基的不均匀沉降，从而导致边坡上构筑物的裂缝。据此，张雁东提出用PVC管作为急流槽[4]，张鹏、徐鹏对PVC-U双壁波纹管排水管用于公路边坡急流排水的可行性进行了研究[5-6]。尽管管式急流槽具有水流顺畅、渗漏少、整体性好、外观美等优点，但是，PVC管急流槽一般适用于边坡坡长在10m~25m的边坡，若管子太长，在自身自重、水流和摩擦力作用下，会导致管体下滑，内部堵塞，难以保养维修[4]。从上述综述可看出，每种类型的急流槽都有自身的优缺点及适用范围，针对不同的地质条件选择适合类型的急流槽显得至关重要。在急流槽选型过程中，需要考虑的多方面的因素，比如地质条件、地表径流、地形地貌、水力梯度、排水路径等等，但是，目前还缺少一种能综合考虑上述各因素的系统方法。

层次分析法是（Anlytical Hierarchy Process, AHP）是一种定性和定量相结合的评价方式，由美国数学家A. L. Soaty于20世纪70年代提出，目前，在建筑工程评标、灌注桩方案评价、灌注桩事故控制决策等方面得到了广泛应用，并取得了良好的效果[7-9]。该方法先把复杂问题中的各种因素通过划分成相互联系的有序层次并使之条理化，建立一个“倒树状”的层次结构用以描述各元素之间的相互关系，再根据实际条件判断每一层次的相对重要性并给予定量表示，利用数学方法确定每一层次的全部元素的相对重要性次序的权值，最后通过排序结果分析和解决问题[10]。

本文对湿陷性黄土区急流槽选型问题进行了研究，结合各类急流槽的不同特点及应用范围，提出了流槽选型过程中应考虑的问题，并提出了综合考虑各类问题后急流槽选型的一套系统方法，及层次分析法。

1　基于层次分析法确定黄土区急流槽类型

1.1　数学模型建立

急流槽的适用性由众多因素所确定，各自的作用与地位互不相同，因而分析确定各制约因素的权重是必要的，据此可对影响急流槽性能的各因素进行排序。用层次分析法确定急流槽选型时以最优急流槽为评价目标层，以急流槽自身因素和土体因素作为评价指标层，以土体的湿陷性、膨胀性、抗剪强度、渗透性、应力状态、抗裂性、抗渗性、管体长度作为次级指标层。所谓最优急流槽是指，在保障急流槽安全导水的条件下，实现成本、施工工艺最优化的急流槽。影响急流槽最优化各因素的层次结构如图1所示：

1.2　构造判断矩阵

采用层次分析法评价急流槽选型的模型建立后，把统计各个因子两两相互比较（包括因子自身比较）评分，按照比较重要性大小在一个九标度表（如表1）中进行仿数量化，各因子数量值构成一个“构造判断矩阵”如表2，表3，表4，该矩阵在一致性检验符合要求后，其最大特征值对应的向量为对应各因子的权重向量。

1.3　计算个判断矩阵权重，并作一次性检验

各层次的两两判断矩阵确定后，需对判断矩阵进行计算，确定各判断矩阵的特征向量和最大特征值。由于是单一准则两两比较，所以评价的数据比较容易给出，但是还需要检查判断数据的一致性。

1.4　结果分析

将C进行排序，见表5

从判断矩阵可看出，黄土的湿陷性对急流槽选型时实现最优化的影响最大，权重占23.9%，因此，在急流槽选型过程中应重点考虑应用工地土体的湿陷性大小，湿陷性越大，则对急流槽防渗要求就越高。其次影响急流槽最优化的因素是急流槽本身的抗裂性，抗裂性与急流槽的材质、力学强度、老化程度等有关。

通过上述层次分析法可知，在选择急流槽的类型时，首先需要考虑土体本身在水作用下的抗变形能力，在黄土地区即为湿陷性。造成黄土沉陷的原因可能有多方面，如施工后产生的固结沉降、降雨条件下产生的结构破坏、外荷载下的变形等等，一旦黄土路基产生不均匀沉降或变形，就容易导致产生急流槽开裂，开裂后的水分泄漏又会加速地基的变形。因此，在选择急流槽前对黄土公路地基土体湿陷性的研究显得至关重要。其次，应考虑急流槽本身的强度，在湿陷性黄土区，大部分路基的湿陷性都比较强，此时，应在急流槽结构强度和抗渗性方面做更多考虑，尤其是在昼夜温差较大条件下结构物的抗裂性。最后，还应对急流槽的施工工艺、产生的病害防治措施、不同类型结构的复合应用等不断进行优化。

2　相关课题研究

2.1　急流槽接缝处的防渗工艺

国内对高等级公路急流槽入水簸箕口与路面连接出的裂缝防治，大多数采用刚性修补法，维修是根据裂缝的尺寸情况选择维修方案。当裂缝宽度小于1cm时，可用不同标号的灌缝砂浆进行充填；当裂缝宽度大于等于1cm时，需要用混凝土作为胶结材料进行回填。刚性修补后的急流槽容易在温度变化条件下开裂。

在柔性修补时，用SBS防水卷材对裂缝进行粘贴，在施工过程中，首先，运用笤帚、吹风机等将工作面处理干净；其次，根据裂缝宽度裁剪SBS卷材，裁剪时应充分理由卷材的原始尺寸；最后，通过热熔喷枪或者喷灯加热SBS卷材进行粘贴，加热前在工作面涂刷冷底子油增加工作面的憎水性[11]。

2.2　急流槽病害的防治措施

急流槽的病害防治可分为急流槽自身的病害防治和急流槽对周围环境产生的危害防治。自身的危害主要是结构开裂，处理措施与接缝防渗处理方法相同，用水泥砂浆或者SBS卷材法[12]。由于急流槽纵坡大、水流湍急、冲刷严重，常在铺砌末端垂裙处形成局部冲刷坑，进一步引起垂裙下沉、坍塌，进而造成铺砌段损坏。对于此类破坏，可根据最优水力原理设计出口断面，通过改变下游河床质为粗粒式，采用铺砌或消力池加挑坎等消能形式，减少对出口局部冲刷[13-14]。有关急流槽水的挑流对公路及周围建筑的影响需要通过水力学计算，可通过加宽急流槽、设置人工跌水、变换倾角、改变起始挑流点等措施来减小甚至避免挑流[15]。

2.3　不同类型急流槽的复合应用

砌石急流槽及混凝土急流槽在温差及不均匀沉降下都容易开裂，而管式急流槽又不适合长距离导水。因此，对于一些公路高边坡，需要采用多种急流槽的组合形式，最大化利用不同急流槽的优势。对于距离路面较近部位，建议采用PVC-U管式急流槽，在管体接触部位设置波纹管接头，并将其设置成螺旋形状，以减小水的动能。在靠近边坡坡脚位置可以选择使用砌石槽，砌石片衔接部位在破坏前就用SBS卷材进行粘贴，做成防渗层，这样可以保证管槽随土体产生较大变形时不会开裂。在管槽和砌石槽中间的部位建议采用钢筋混凝土槽，钢筋混凝土槽具有较高的强度和刚度，可以阻止上部PVC管在水流作用下的向下滑动。

上述急流槽的复合运用模式只是对相对较高的黄土公路边坡（>40m），高度较小的边坡，可以简化上述急流槽形式，各段急流槽的设计长度根据实际条件进行具体确定。

3　结论

本文运用层次分析法进行了湿陷性黄土区急流槽选型及设计分析，通过分析可得出以下几点结论：

（1）用层次分析法在湿陷性黄土区进行急流槽选型及设计具有可行性；

（2）在湿陷性黄土区进行急流槽选型时最主要是考虑路基土体的湿陷性；

（3）在急流槽选型过程中，应重点考虑急流槽的抗裂性质；

（4）对于高边坡，采用管式——砌石——混凝土的复合急流槽；

（5）急流槽施工过程中，对于接缝位置用SBS卷材进行防渗处理。

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参考文献

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［责任编辑：薛俊歌］