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茂名市水利水电勘测设计院 525000
摘要：水工设计方案受多种因素的影响，不仅要实现技术可靠，还要经济合理以及不对环境造成显著影响，并且具有较好的社会效益和生态效益，这就要求设计人员在选择方案时进行多方面的对比分析，以确定综合效果最优的方案。
关键词：水工设计；方案对比
水利工程技术难度大，工程投资多，对安全性要求高，对环境影响往往也比较显著，所以在工程实施前必须开展大量的可行性研究和论证工作，以确保设计方法技术上可行、经济上合理。随着国家对水利建设投入的增加，将会有更多的水利工程项目付诸实施，快速、合理地确定水工设计方案成为水利工程前期工作的重心，因此本文对水工设计方案比选进行了分析。
1 水工设计方案对比的流程、影响因素与原则
1.1 水工设计方案对比的流程
水工设计方案一般经过四个步骤，即方案计划、方案制定、方案对比和方案确定[1]。方案计划是指根据工程目标任务，结合各种条件和因素，提出至少两个方案供对比。方案制定是对各初步方案进行一定深度的研究，分析各方案的建设条件和影响因素，对投资、工期等关键要素进行估算，以便形成对比的基础。方案对比就是从经济、技术角度进行全面比较，列出各方案的优势和劣势。方案确定即根据各方案优劣程度，综合分析之后确定最优方案。
1.2 水工设计方案的影响因素
尽管水工设计方案对比的流程看起来并不复杂，但因为方案的确定是一个综合性和技术性要求非常高的工作，在进行对比的过程中存在一定程度的不确定性，更重要的是在初步方案中因为投资因素容易量化，所以常成为方案对比的决定性因素，经济因素当然是重要的，但并非唯一重要的因素，例如环境因素、社会因素和技术因素也可能成为影响方案是否成功的重要因素。大量实践业已证明，由于工程建设在环境敏感地区运行伊始就争议不断，还有些工程因为选择了行将淘汰的技术，使工程运行效益差，这样的例子不胜枚举，因此应根据工程项目的特点尽可能全面地考虑，在方案形成阶段多花些功夫才能为工程以后的实施打下良好基础。
1.3 水工设计方案对比的原则
方案对比应遵循一些基本原则，如实事求是、全面兼顾、统一基准。任何方案都会有优劣之分，如果一个方案明显比其他方案优胜就不需要对比了，而最易犯的错误正是主观上倾向于某个方案就会不自觉地突出该方案的优点，压抑乃至漠视其不足，这就谈不上事实求是了。全面兼顾是要综合各方面的因素，也就是在方案计划、制定阶段尽可能多地收集所有影响因素，然后再分析它们的主次关系，确定哪些是关键因素、控制因素或次要因素，这样比较就有针对性并兼顾全面性。不同方案之间的比较应该在同一基准下进行，这个基准就是规划指标相同、设计深度相当、各方案本身已经过优化等。例如不同的坝址方案应该在库水位、库容等指标一致的基础上进行比较。设计深度和方案优化程度直接影响方案对比的结果，这些因素也必须在同一水准下进行比较，否则就会出现潜在的优秀方案被一般性方案淘汰的结果。方案优化在大型水利工程更具显著的影响[2]。
2 水工设计方案对比案例
2.1 灌渠护坡设计方案对比
某灌渠设计流量为6.4m3/s，现提出3个护岸方案，即混凝土护坡、土质护坡和生态护坡。方案对比从技术、经济、环境和社会四个角度进行，对于多目标多层次的方案对比可采用专家评价法、运筹学方法、数学方法和混合方法[3]。现决定采用专家评价法并结合数学方法中的层次分析法（AHP）进行对比。为了建立AHP层次模型，特邀请15位专家参与讨论，并将其评价指标分为两个层次，第一个层次有4个指标，它们是可靠性、经济性、环境影响和社会影响，分别与技术、经济、环境和社会四个要素对应。第一层指标下面是第二層次指标，如可靠性下面是整体设计可靠性、技术可靠性和工期可靠性，再如经济性下面是建设费用、运营费用、经济寿命。这样就能够建立起层次比较的矩阵模型，并利用Matlab程序计算各个比较矩阵的权重，并利用权重计算结果确定了两个层次所有指标的权值。接下来再组织12位专家分别对混凝土护坡、土质护坡和生态护坡进行综合评分。对于定性指标的量化，按优、良、中、差分级，并分别对应100、80、60、40的分数，定量指标在原有指标数值基础上进行无量纲和归一化处理后转成标准值。最后得分情况是混凝土护坡的综合评分为79.32分，土质护坡的综合评分为78.44分，生态护坡的综合评分为82.23分，最终选择生态护坡方案。从这个例子中可以看到3个方案的评分差距并不是很大，尤其是混凝土护坡与土质护坡的评分差距不足1分，这足以说明采用合理的对比方法的重要性。
2.2防波堤结构方案的对比
华南某沿海地区建设防波堤和护岸，经地质勘探防波堤表层淤泥厚达10～12m，根据工程重要性和设计寿命，确定建筑物安全等级为Ⅱ级。防波堤提出2个方案，A方案是透空桩基堤结构，B方案是插入大圆筒堤结构。A方案采用800mmPHC桩基，并设置为叉桩形式，要求桩尖透过粉砂层插入黏土层。施工方法是先开挖3.5～6m深的基槽，然后打桩至设计深度，桩间铺设土工格栅和编织布，再抛填石块，桩顶浇灌混凝土挡浪墙，挡墙外再设置混凝土挡浪板。B方案是插入8000mm圆筒，筒壁厚300mm。圆筒分两节插入，上一节长12m，重213t，下节长10m，重178t，两节圆筒之间采用凹凸榫连接。同A方案，沉筒前先挖6m深的基槽。安装完圆筒，在两侧敷设土工格栅和编织布，再抛填石块，圆筒顶部安装混凝土盖板，之上浇灌混凝土挡浪墙。A方案的优点是施工容易，造价低，并且后期沉降较小，不足之处是打桩时容易偏移。B方案施工快速，且占地面积较小，但预制大圆筒工艺复杂，造价高。经过对供材与施工条件的分析，得出A方案综合性更好，故为推荐方案。
2.3碾压土石坝的设计方案
某水利枢纽工程拦河坝采用碾压土石坝。筑坝材料就在坝址附近，土料粘粒含量较高，而含水量较为适中。大坝碾压控制标准采用干容重法，压实参数包括土料含水量、铺土厚度、碾压设备重量、碾压遍数等。筑坝前，先对各料场土料性能进行全面检测，并选择有代表性的料场开展碾压试验，通过试验获取施工控制参数。但考虑到实际施工条件比试验条件更宽泛，所以压实标准合格率应比设计标准稍高些。经过理论计算并参照相似工程的经验，初步选定了羊脚碾、气胎碾和夯板作为碾压机具，同时拟定了几组碾压参数。土料压实含水量取塑限含水量的+2%、+0%及-2%三个参数点进行试验。根据测定的含水量、干密度，结合铺土厚度、碾压遍数，制作耐压试验各参数关系曲线，由该曲线可确定设计干容重所对应不同铺土厚度的最佳碾压遍数和最优含水量。再经过比较就能找到碾压效果最好而又经济的碾压参数。对于施工期间含水量偏高的问题可采用防雨排水、翻晒等办法解决。
3 结语
优秀的水工设计方案可以充分发挥水利工程的效能，并为社会经济发展提供最有效的支撑。然而优秀的方案不是仅凭主观热情就能实现的，需要有科学严谨的态度，遵循合理的方法，特别是对各初选方案进行全面的对比分析，从中选出技术可靠、经济合理的方案。
参考文献：
[1] 廖声海，杨正猛. 水利水电工程水工设计方案对比研究[J]. 黑龙江水利科技，2014（6）：159-160.
[2] 张红武. 跨流域多水源引调水工程系统设计方案研究[J]. 水利规划与设计，2015（8）：61-65.
[3] 王威威. 基于层次分析法的农田水利建设方案优化研究[D]. 郑州：华北水利水电学院，2012.
摘要：水工设计方案受多种因素的影响，不仅要实现技术可靠，还要经济合理以及不对环境造成显著影响，并且具有较好的社会效益和生态效益，这就要求设计人员在选择方案时进行多方面的对比分析，以确定综合效果最优的方案。
关键词：水工设计；方案对比
水利工程技术难度大，工程投资多，对安全性要求高，对环境影响往往也比较显著，所以在工程实施前必须开展大量的可行性研究和论证工作，以确保设计方法技术上可行、经济上合理。随着国家对水利建设投入的增加，将会有更多的水利工程项目付诸实施，快速、合理地确定水工设计方案成为水利工程前期工作的重心，因此本文对水工设计方案比选进行了分析。
1 水工设计方案对比的流程、影响因素与原则
1.1 水工设计方案对比的流程
水工设计方案一般经过四个步骤，即方案计划、方案制定、方案对比和方案确定[1]。方案计划是指根据工程目标任务，结合各种条件和因素，提出至少两个方案供对比。方案制定是对各初步方案进行一定深度的研究，分析各方案的建设条件和影响因素，对投资、工期等关键要素进行估算，以便形成对比的基础。方案对比就是从经济、技术角度进行全面比较，列出各方案的优势和劣势。方案确定即根据各方案优劣程度，综合分析之后确定最优方案。
1.2 水工设计方案的影响因素
尽管水工设计方案对比的流程看起来并不复杂，但因为方案的确定是一个综合性和技术性要求非常高的工作，在进行对比的过程中存在一定程度的不确定性，更重要的是在初步方案中因为投资因素容易量化，所以常成为方案对比的决定性因素，经济因素当然是重要的，但并非唯一重要的因素，例如环境因素、社会因素和技术因素也可能成为影响方案是否成功的重要因素。大量实践业已证明，由于工程建设在环境敏感地区运行伊始就争议不断，还有些工程因为选择了行将淘汰的技术，使工程运行效益差，这样的例子不胜枚举，因此应根据工程项目的特点尽可能全面地考虑，在方案形成阶段多花些功夫才能为工程以后的实施打下良好基础。
1.3 水工设计方案对比的原则
方案对比应遵循一些基本原则，如实事求是、全面兼顾、统一基准。任何方案都会有优劣之分，如果一个方案明显比其他方案优胜就不需要对比了，而最易犯的错误正是主观上倾向于某个方案就会不自觉地突出该方案的优点，压抑乃至漠视其不足，这就谈不上事实求是了。全面兼顾是要综合各方面的因素，也就是在方案计划、制定阶段尽可能多地收集所有影响因素，然后再分析它们的主次关系，确定哪些是关键因素、控制因素或次要因素，这样比较就有针对性并兼顾全面性。不同方案之间的比较应该在同一基准下进行，这个基准就是规划指标相同、设计深度相当、各方案本身已经过优化等。例如不同的坝址方案应该在库水位、库容等指标一致的基础上进行比较。设计深度和方案优化程度直接影响方案对比的结果，这些因素也必须在同一水准下进行比较，否则就会出现潜在的优秀方案被一般性方案淘汰的结果。方案优化在大型水利工程更具显著的影响[2]。
2 水工设计方案对比案例
2.1 灌渠护坡设计方案对比
某灌渠设计流量为6.4m3/s，现提出3个护岸方案，即混凝土护坡、土质护坡和生态护坡。方案对比从技术、经济、环境和社会四个角度进行，对于多目标多层次的方案对比可采用专家评价法、运筹学方法、数学方法和混合方法[3]。现决定采用专家评价法并结合数学方法中的层次分析法（AHP）进行对比。为了建立AHP层次模型，特邀请15位专家参与讨论，并将其评价指标分为两个层次，第一个层次有4个指标，它们是可靠性、经济性、环境影响和社会影响，分别与技术、经济、环境和社会四个要素对应。第一层指标下面是第二層次指标，如可靠性下面是整体设计可靠性、技术可靠性和工期可靠性，再如经济性下面是建设费用、运营费用、经济寿命。这样就能够建立起层次比较的矩阵模型，并利用Matlab程序计算各个比较矩阵的权重，并利用权重计算结果确定了两个层次所有指标的权值。接下来再组织12位专家分别对混凝土护坡、土质护坡和生态护坡进行综合评分。对于定性指标的量化，按优、良、中、差分级，并分别对应100、80、60、40的分数，定量指标在原有指标数值基础上进行无量纲和归一化处理后转成标准值。最后得分情况是混凝土护坡的综合评分为79.32分，土质护坡的综合评分为78.44分，生态护坡的综合评分为82.23分，最终选择生态护坡方案。从这个例子中可以看到3个方案的评分差距并不是很大，尤其是混凝土护坡与土质护坡的评分差距不足1分，这足以说明采用合理的对比方法的重要性。
2.2防波堤结构方案的对比
华南某沿海地区建设防波堤和护岸，经地质勘探防波堤表层淤泥厚达10～12m，根据工程重要性和设计寿命，确定建筑物安全等级为Ⅱ级。防波堤提出2个方案，A方案是透空桩基堤结构，B方案是插入大圆筒堤结构。A方案采用800mmPHC桩基，并设置为叉桩形式，要求桩尖透过粉砂层插入黏土层。施工方法是先开挖3.5～6m深的基槽，然后打桩至设计深度，桩间铺设土工格栅和编织布，再抛填石块，桩顶浇灌混凝土挡浪墙，挡墙外再设置混凝土挡浪板。B方案是插入8000mm圆筒，筒壁厚300mm。圆筒分两节插入，上一节长12m，重213t，下节长10m，重178t，两节圆筒之间采用凹凸榫连接。同A方案，沉筒前先挖6m深的基槽。安装完圆筒，在两侧敷设土工格栅和编织布，再抛填石块，圆筒顶部安装混凝土盖板，之上浇灌混凝土挡浪墙。A方案的优点是施工容易，造价低，并且后期沉降较小，不足之处是打桩时容易偏移。B方案施工快速，且占地面积较小，但预制大圆筒工艺复杂，造价高。经过对供材与施工条件的分析，得出A方案综合性更好，故为推荐方案。
2.3碾压土石坝的设计方案
某水利枢纽工程拦河坝采用碾压土石坝。筑坝材料就在坝址附近，土料粘粒含量较高，而含水量较为适中。大坝碾压控制标准采用干容重法，压实参数包括土料含水量、铺土厚度、碾压设备重量、碾压遍数等。筑坝前，先对各料场土料性能进行全面检测，并选择有代表性的料场开展碾压试验，通过试验获取施工控制参数。但考虑到实际施工条件比试验条件更宽泛，所以压实标准合格率应比设计标准稍高些。经过理论计算并参照相似工程的经验，初步选定了羊脚碾、气胎碾和夯板作为碾压机具，同时拟定了几组碾压参数。土料压实含水量取塑限含水量的+2%、+0%及-2%三个参数点进行试验。根据测定的含水量、干密度，结合铺土厚度、碾压遍数，制作耐压试验各参数关系曲线，由该曲线可确定设计干容重所对应不同铺土厚度的最佳碾压遍数和最优含水量。再经过比较就能找到碾压效果最好而又经济的碾压参数。对于施工期间含水量偏高的问题可采用防雨排水、翻晒等办法解决。
3 结语
优秀的水工设计方案可以充分发挥水利工程的效能，并为社会经济发展提供最有效的支撑。然而优秀的方案不是仅凭主观热情就能实现的，需要有科学严谨的态度，遵循合理的方法，特别是对各初选方案进行全面的对比分析，从中选出技术可靠、经济合理的方案。
参考文献：
[1] 廖声海，杨正猛. 水利水电工程水工设计方案对比研究[J]. 黑龙江水利科技，2014（6）：159-160.
[2] 张红武. 跨流域多水源引调水工程系统设计方案研究[J]. 水利规划与设计，2015（8）：61-65.
[3] 王威威. 基于层次分析法的农田水利建设方案优化研究[D]. 郑州：华北水利水电学院，2012.