李 江，胡少偉，楊輝琴，楊金輝，陸 俊

（1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；3.水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

1 研究背景

近年來(lái)，隨著長(zhǎng)距離大口徑輸水工程的數(shù)量逐漸增多，規(guī)模逐漸增大，不同工程中的管材選擇問(wèn)題也日益突出［1-2］。在大型長(zhǎng)距離輸水工程中，管道投資成為工程投資的主要部分（約為50%～70%），主干管材的選擇對(duì)于投資、施工和維護(hù)影響重大［3-4］。管材的選擇受到工程實(shí)際的設(shè)計(jì)公壓、環(huán)境條件、地質(zhì)特征、運(yùn)行條件及工程造價(jià)等多個(gè)條件的限制。如何客觀地根據(jù)工程規(guī)模、管材技術(shù)特性和使用條件等多方面全面合理地進(jìn)行長(zhǎng)距離大口徑輸水工程管材經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比選，一直是設(shè)計(jì)人員及決策人面臨的技術(shù)難題。

目前，對(duì)長(zhǎng)距離大口徑輸水工程主干管材經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)的研究已取得了一些進(jìn)展［5］，李江等［6］分析了供水系統(tǒng)管材中存在的主要問(wèn)題，介紹了常用的管材及其主要特性，為工程人員合理的選取相應(yīng)的給水管材提供參考依據(jù)。令志強(qiáng)等［7］結(jié)合喀斯特山區(qū)地質(zhì)地貌，從管材從管道強(qiáng)度，耐腐蝕性、安全可靠性、地形的適應(yīng)性、施工方便，使用壽命等主要特征出發(fā)，利用價(jià)值工程分析法對(duì)管材進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)選。楊春雁［8］介紹了鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管等幾種目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛的管材，對(duì)管材的選取、干管條數(shù)選擇、最優(yōu)管徑的確定等環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。陳洪松［9］分析了常用的鋼管、聚乙烯管、球墨鑄鐵管等村鎮(zhèn)供水工程輸水管材性能，對(duì)貴州喀斯特地區(qū)輸水管線的管材選擇提出了建議?，F(xiàn)有的輸水管線的管材評(píng)價(jià)多是針對(duì)管材性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)工程的適宜性評(píng)價(jià)較少，評(píng)價(jià)中常見(jiàn)的指標(biāo)權(quán)重確定方法都存在一定的局限性，指標(biāo)確權(quán)方法難以兼顧主觀意見(jiàn)和客觀數(shù)據(jù)，導(dǎo)致權(quán)重的確定難免不夠準(zhǔn)確可靠［10-11］。

本文構(gòu)建了長(zhǎng)距離大口徑輸水工程主干管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，綜合考慮了指標(biāo)的重要性和互相影響程度，提出了基于AHP理論的管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)參數(shù)體系，并將該模型應(yīng)用于新疆某大口徑長(zhǎng)距離供水工程主干管材評(píng)價(jià)實(shí)例中，檢驗(yàn)了該模型的實(shí)用性和有效性，評(píng)價(jià)結(jié)果可為工程設(shè)計(jì)決策提供參考。

2 基于層次分析法的管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法

2.1 常用長(zhǎng)距離輸水管材特點(diǎn) 目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)距離大口徑輸水工程管材主要有鋼管、球墨鑄鐵管等金屬管材，玻璃鋼夾砂管、鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管等無(wú)機(jī)材料管道，聚乙烯管、硬聚氯乙烯管等有機(jī)材料管道和鋼塑復(fù)合材料管道，輸水管道產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了多樣化［12-14］。管材類(lèi)型和特點(diǎn)如表1所示。

表1 常用管材類(lèi)型和特點(diǎn)

2.2 基于層次分析法的管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)介 層次分析法（AHP）將決策問(wèn)題劃分為多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的因素，并分層次歸類(lèi)，使得分析過(guò)程更加嚴(yán)謹(jǐn)且條理清晰。該方法在優(yōu)化和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。它能綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的影響因素，針對(duì)每一個(gè)影響指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，逐層研究，最后得到目標(biāo)值［15］。

層次分析法首先根據(jù)標(biāo)度表對(duì)同層診斷指標(biāo)的重要度進(jìn)行對(duì)比，構(gòu)成出整層指標(biāo)的判斷矩陣。然后對(duì)矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI＜0.1時(shí)，認(rèn)為層次單排序的一致性滿足要求，采用根植法得到診斷指標(biāo)的初始權(quán)重［16］。

管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)問(wèn)題是一個(gè)需要考慮多層次影響因素的復(fù)雜問(wèn)題，內(nèi)在性質(zhì)和外部條件均對(duì)管材選擇有很大的影響。對(duì)管材選擇的合理性進(jìn)行判斷需要對(duì)其進(jìn)行管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)。因此，建立基于AHP的管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)模型，對(duì)長(zhǎng)距離大口徑供水工程主干管材進(jìn)行評(píng)價(jià)。

主要步驟如下：

（1）建立管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。大口徑長(zhǎng)距離輸水管進(jìn)行比選時(shí)，具體采用某種管材不僅由其本身的性質(zhì)所決定，施工方式、周邊環(huán)境的影響也至關(guān)重要。依據(jù)管材選用原則和以往管材比選經(jīng)驗(yàn)，影響因素大致可分為管材本身的物理性質(zhì)、對(duì)于施工環(huán)境的適應(yīng)程度、管道運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性能4個(gè)方面。因此，我們建立的管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

（2）指標(biāo)評(píng)分。通過(guò)查閱各類(lèi)管道規(guī)范，施工標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)資料，根據(jù)工程的的地質(zhì)條件，自然環(huán)境條件、施工條件等工程情況對(duì)比各種類(lèi)型管道的特點(diǎn)，以行業(yè)評(píng)估規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，由專家分別對(duì)其各個(gè)指標(biāo)的適宜性進(jìn)行評(píng)分，得到適宜性評(píng)分矩陣R。

（3）評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)專家評(píng)價(jià)結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣，使用AHP計(jì)算得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的初始權(quán)重，并檢驗(yàn)構(gòu)造的判斷矩陣是否滿足一致性比率要求。然后對(duì)判斷矩陣進(jìn)行規(guī)范化處理，根據(jù)計(jì)算最終得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重W。

（4）評(píng)價(jià)結(jié)果。得到綜合權(quán)重W和適宜性評(píng)分矩陣R后，如式（1）將綜合權(quán)重W與適宜性評(píng)分矩陣R利用加權(quán)平均型算子進(jìn)行合成，得到評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣B。

我們可以用評(píng)價(jià)得分矩陣B表示管材的適應(yīng)性情況。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

以新疆某供水工程項(xiàng)目為例，基于AHP管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)國(guó)內(nèi)幾種最常用的大口徑輸水管道的性能進(jìn)行了比選，對(duì)工程主干管材開(kāi)展適應(yīng)性評(píng)價(jià)，決定出適合該工程使用的大口徑輸水管材。

3.1 工程背景 新疆某供水項(xiàng)目位于喀什地區(qū)北部，主要供水對(duì)象為喀什市、疏附縣、疏勒縣等地區(qū)城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)、生活用水。本工程等別為Ⅱ等大（2）型，設(shè)計(jì)規(guī)模：近期取水10555萬(wàn)m3/a，干管設(shè)計(jì)流量為3.98 m3/s；遠(yuǎn)期取水15259萬(wàn)m3/a，干管設(shè)計(jì)流量為5.73 m3/s。采用雙管重力流供水方案。新建干支管共26條，總長(zhǎng)384.57 km，其中總干管25.61 km、干管200.26 km、支管158.71 km，設(shè)計(jì)干管管徑范圍為DN1600—DN600，支管管徑范圍為DN500—DN160，管道設(shè)計(jì)壓力等級(jí)最大管段為3.0 MPa。

管線段地層巖性以級(jí)配不良礫、級(jí)配不良砂、粉土質(zhì)砂、低液限粉土為主。工程大體分為兩種地層結(jié)構(gòu)，山前沖洪積平原區(qū)地層為砂礫石，地下水位很低；平原灌區(qū)地層巖性為低液限黏土和粉細(xì)砂，地下水埋深3.0～5.0 m，水位高處可達(dá)1.5～3.0 m，在管溝開(kāi)挖深度內(nèi)可見(jiàn)。工程區(qū)季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深多為0.8 m。管線沿線地下水、地基土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)都具有不同程度的腐蝕性。

3.2 管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)

（1）適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。依據(jù)管材選用原則和以往工程主干管材的比選經(jīng)驗(yàn)，建立長(zhǎng)距離大口徑供水工程主干管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。首先要滿足管道施工和運(yùn)行安全的需要，提高管網(wǎng)安全性、延長(zhǎng)使用壽命、提升輸送能力，避免管道事故發(fā)生。其次要根據(jù)地形情況，進(jìn)行充分的市場(chǎng)調(diào)查與經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，在保證質(zhì)量和工程安全的前提下，做到經(jīng)濟(jì)合理、施工方便。從施工、安全、經(jīng)濟(jì)、管材性質(zhì)等方面綜合分析后確定。

選擇管材時(shí)應(yīng)遵循以下原則：在管材性質(zhì)方面，考慮工程規(guī)模及重要性、管道口徑及要求承受的內(nèi)壓力和外荷載、防腐蝕性能。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，管材生產(chǎn)工藝的環(huán)保程度和使用壽命也需要考慮。在經(jīng)濟(jì)性能方面，除了管道單價(jià)和管道的綜合造價(jià)外，也需要考慮管道管壁糙率、局部水頭損失因素，這對(duì)管道輸水效率有非常重要的影響。在施工方面，需要考慮管道能否滿足工程地質(zhì)、地形條件、現(xiàn)場(chǎng)條件能否滿足接口安裝、基礎(chǔ)和回填施工等要求。在安全運(yùn)行方面，由于新疆地區(qū)氣候惡劣、屬于高嚴(yán)寒、高地震、多泥沙、復(fù)雜侵蝕的自然環(huán)境，在管道選擇時(shí)，必須考慮管道的防滲漏、防腐蝕、抗凍、抗地震、耐磨蝕能力，同時(shí)還需要考慮管道使用性能的安全及維修工程量大小和使用年限長(zhǎng)短。綜上所述，建立的評(píng)價(jià)體系指標(biāo)包括管材本身的物理性質(zhì)、施工環(huán)境的適應(yīng)程度、管道運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性能4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和26個(gè)二級(jí)指標(biāo)，如圖1所示。

（2）指標(biāo)評(píng)分。本段工程屬于大流量、高壓、大口徑、腐蝕性環(huán)境工況，工程管線線路長(zhǎng)，施工地形復(fù)雜，在運(yùn)行過(guò)程中，工作壓力較大，最大使用壓力達(dá)到3.0 MPa，對(duì)管道的環(huán)境適應(yīng)性和內(nèi)壓承受能力要求較高，目前只有鋼管和球墨鑄鐵管可以滿足3.0 MPa；考慮到球墨鑄鐵管材質(zhì)為鑄鐵，其延展性不如鋼管。鋼管（SP）作為金屬管材，雖然施工焊接工作量大，防腐蝕問(wèn)題嚴(yán)重，但其承受內(nèi)壓能力可達(dá)到數(shù)十兆帕，抗水錘能力也非常強(qiáng)。高密度聚乙烯管（HDPE）因其管徑與工作壓力不滿足設(shè)計(jì)要求，故不參與評(píng)分。通過(guò)成立專家小組評(píng)價(jià)其他6種管材對(duì)此工程適應(yīng)性，詳細(xì)分析各管材特點(diǎn)后，對(duì)其適宜性進(jìn)行專家打分，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分。6類(lèi)管材指標(biāo)評(píng)分結(jié)果如表2所示。

表2 管材指標(biāo)評(píng)分結(jié)果

（3）評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。由專家對(duì)管材的性能指標(biāo)根據(jù)1～9標(biāo)度法進(jìn)行打分，得到指標(biāo)體系的判斷矩陣，使用AHP計(jì)算得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，對(duì)其進(jìn)行一致性判斷后，得到權(quán)重結(jié)果，如表3和表4所示。

表3 一致性檢驗(yàn)結(jié)果

表4 適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，在一級(jí)指標(biāo)中，管材性質(zhì)A1所占的權(quán)重系數(shù)最大，為0.505，排名第二的是運(yùn)行安全A4，其權(quán)重為0.348，而經(jīng)濟(jì)性能A2和施工工藝A3所占的綜合權(quán)重系數(shù)較少，分別為0.047和0.1。在二級(jí)指標(biāo)中，外部荷載A13所占的綜合權(quán)重系數(shù)最大，為0.178，而運(yùn)輸難易程度（效率）A23所占的綜合權(quán)重系數(shù)最小，僅占0.009。綜上所述，在管道適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，管材性質(zhì)和運(yùn)行安全是影響管道選擇的關(guān)鍵影響因素。

（4）適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果。將各評(píng)價(jià)指標(biāo)所賦予的具體分值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得出最終評(píng)價(jià)結(jié)果。6種管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果從大到小排列為：鋼管（SP）＞球墨鑄鐵管（DIP）＞預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）＞鋼筋纏繞鋼筒混凝土管（BCCP）＞玻璃鋼管（FRPM）＞PVC-UH。適宜采用鋼管作為本工程輸水管材。在進(jìn)行施工時(shí)，管道內(nèi)外均需做好防腐蝕措施，內(nèi)壁采用常溫型環(huán)氧涂料或者熱固性環(huán)氧樹(shù)脂，外壁采用涂塑或者3PE防腐層。

表5 管材指標(biāo)適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

本研究引入層次分析法，建立了基于AHP的管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并利用該指標(biāo)體系對(duì)新疆某長(zhǎng)距離輸水管道工程管材選擇進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)，計(jì)算了鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筒混凝土、PVC管等不同管材適應(yīng)性得分，得到了該工程主干管道管材最優(yōu)選取方案。研究結(jié)果表明：

（1）建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系符合工程實(shí)際，體系層次劃分合理，充分考慮了各評(píng)價(jià)因素的重要程度，能全面的體現(xiàn)各評(píng)價(jià)因素在管材比選中的重要性。

（2）在該工程的管材適應(yīng)性評(píng)分結(jié)果中，鋼管得分最高，最適合作為本工程主干管道的輸水管材。該工程在運(yùn)行過(guò)程中，工作壓力較大，最大使用壓力達(dá)到3.0 MPa，對(duì)管道的內(nèi)壓承受能力要求較高。鋼管（SP）作為金屬管材，機(jī)械性能好，其承受內(nèi)壓能力可達(dá)到數(shù)十兆帕，抗水錘能力非常強(qiáng)，滿足該工程的工壓要求。同時(shí)，該管線線路長(zhǎng)，施工地形復(fù)雜，而鋼管對(duì)施工地形的要求較低，在各種地形復(fù)雜的環(huán)境中都可以進(jìn)行安裝施工，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好。因此，適宜采用鋼管作為本工程主干管道的輸水管材。在進(jìn)行施工時(shí)，管道內(nèi)外均需做好防腐蝕措施。

（3）管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)中的各指標(biāo)數(shù)量眾多且各指標(biāo)互相聯(lián)系，難以進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，而AHP法在優(yōu)化和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。AHP能綜合考慮管材適應(yīng)性的影響因素，所需定量數(shù)據(jù)信息較少，簡(jiǎn)潔實(shí)用，結(jié)果可靠，但比較依賴于專家主觀判斷，難以規(guī)避主觀判斷誤差。