韓志磊，蘇 軍，楊小聰

（北京礦冶研究總院，北京100160）

尾礦庫是重大的工業(yè)危險源，其安全管理至關(guān)重要。隨著國家安監(jiān)部門重視度的提高和相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，尾礦庫安全管理工作有了很大提高，主要體現(xiàn)在尾礦庫在線監(jiān)測技術(shù)的普遍應(yīng)用。針對當(dāng)前現(xiàn)狀，借助尾礦庫監(jiān)測資料的深入分析來評價尾礦庫的安全性就成為了一項重要工作。目前，基于尾礦庫監(jiān)測資料的研究大多是針對單項目（如壩體位移、浸潤線監(jiān)測）、單測點(diǎn)的實測效應(yīng)量建立數(shù)學(xué)模型（回歸分析、支持向量回歸機(jī)、灰色系統(tǒng)模型等），對尾礦庫壩體位移、浸潤線等進(jìn)行分析預(yù)測［1－2］，結(jié)合監(jiān)測資料對尾礦庫安全性態(tài)進(jìn)行綜合評價的研究相對較少。單測點(diǎn)數(shù)學(xué)模型在反映尾礦庫整體安全性態(tài)方面，還存在一定局限性，因此通過多項目、多測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)及定性巡查資料對尾礦庫安全性態(tài)進(jìn)行綜合評價很有必要。

相對于尾礦庫監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析評價研究落后的現(xiàn)狀，水庫大壩相關(guān)的研究則比較成熟，因此本文借鑒大壩結(jié)構(gòu)實測性態(tài)綜合評價相關(guān)理論，同時考慮尾礦庫監(jiān)測現(xiàn)狀及數(shù)據(jù)分析的具體情況，構(gòu)建了尾礦庫實測性態(tài)綜合評價體系，研究了尾礦庫安全實測性態(tài)綜合評價方法。

1 實測性態(tài)綜合評價方法研究

1.1 綜合評價指標(biāo)體系

尾礦庫安全監(jiān)測涉及壩體位移、浸潤線、干灘、庫水位、降雨量等項目，巡視檢查包括尾礦壩安全檢查、庫區(qū)安全檢查及防洪安全檢查。與水庫大壩不同，尾礦庫的整個運(yùn)行期也是其建設(shè)期，運(yùn)行情況變化較快，因此，對尾礦庫狀態(tài)的實時分析非常重要，尤其是汛期的短時實施評價極為關(guān)鍵。尾礦庫評價指標(biāo)主要包括壩體安全、滲流安全、調(diào)洪安全及運(yùn)行環(huán)境安全。壩體變形主要考慮壩體表面位移和內(nèi)部位移狀態(tài)，滲流安全主要考慮壩體的滲壓及滲流量狀態(tài)等。

考慮到尾礦庫運(yùn)行環(huán)境的特殊性、系統(tǒng)化監(jiān)測設(shè)置及針對性分析研究相對較晚等狀況，所以尾礦庫綜合評價指標(biāo)中將變形、滲流、調(diào)洪及巡查并列在同一層次，資料完整時可以實現(xiàn)尾礦庫安全的綜合評價，資料不完善時可以實現(xiàn)針一些針對項目的評價分析。本文根據(jù)尾礦庫安全監(jiān)測狀況，結(jié)合尾礦庫不同監(jiān)測項目、不同監(jiān)測點(diǎn)及巡查資料，構(gòu)建多層次、多指標(biāo)尾礦庫實測性態(tài)綜合評價體系如圖1［3－4］所示。

圖1 尾礦庫實測性態(tài)綜合評價指標(biāo)體系

1.2 綜合評價集

由《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》可知，尾礦庫安全度主要根據(jù)尾礦庫防洪能力和尾礦庫壩體穩(wěn)定性確定，分為危庫、險庫、病庫、正常庫四級［5］。除正常庫外，前三類只是病險程度不同而已。規(guī)范中對安全度的模糊界定造成安監(jiān)部門或評價機(jī)構(gòu)的尾礦庫安全評價結(jié)果具有很大人為性。

評價指標(biāo)的度量與評價等級相聯(lián)系，若等級數(shù)量劃分過少，將失于粗略，不利于尾礦庫實測性態(tài)的真實合理反映；若等級數(shù)量劃分過多，又會使確定等級間界限的難度和計算工作量加大。本文參考大壩結(jié)構(gòu)實測性態(tài)綜合評價中綜合評價集的劃分方法，同時結(jié)合尾礦庫安全規(guī)范中安全度的定義，將尾礦庫安全等級分為以下四個等級：安全、基本安全、不安全、很不安全［6］。用數(shù)學(xué)語言可表述為：

V＝｛v1，v2，v3，v4｝＝｛安全，基本安全，不安全，很不安全｝

1.3 評價指標(biāo)度量方法

1.3.1 定量指標(biāo)度量方法

對于不同的評價指標(biāo)，安全各等級的意義不同，因此評價等級的劃分也不一樣。尾礦庫實測性態(tài)綜合評價指標(biāo)中，有的指標(biāo)有明確的特征值，有的沒有明確規(guī)定的特征值。在指標(biāo)評價等級劃分時，針對兩種情況采用不同的處理方式。

1）有明確特征值指標(biāo)。評價等級可根據(jù)其特征值來劃分，例如浸潤線、安全超高、干灘長度、降雨量等指標(biāo)?！段驳V設(shè)施設(shè)計規(guī)范》對上游式尾礦堆積壩最小安全超高和最小灘長、下游式和中線式尾礦壩最小灘長以及尾礦堆積壩下游坡浸潤線最小埋深做了明確規(guī)定［7］。

同樣地，降雨也有明確的等級劃分。降雨量監(jiān)測常用降雨強(qiáng)度表示，我國氣象部門一般采用的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)（24小時計）如下。結(jié)合本研究中尾礦庫安全評價等級的劃分以及降雨量等級特征值，將降雨分為如下幾個等級。

結(jié)合尾礦庫規(guī)范中的具體規(guī)定以及降雨量等級的劃分，初步將這些有明確特征值的評價指標(biāo)安全等級劃分如表1所示。具體實施中評價等級的劃分尚需結(jié)合專家意見、尾礦庫筑壩方式及等別的不同進(jìn)行詳細(xì)研究確定，使得評價等級更加客觀實用。

表1 尾礦庫安全綜合評價指標(biāo)評價等級

2）對于沒有明確特征值的指標(biāo)。尾礦庫實測性態(tài)綜合評價中，有些指標(biāo)沒有明確的特征值，如壩體位移、滲流量等。對于這些指標(biāo)，可以運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計理論，結(jié)合置信水平對這些指標(biāo)進(jìn)行安全等級劃分，主要是將監(jiān)測值與監(jiān)測模型擬合值及所建立的安全監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行比較，結(jié)合安全等級標(biāo)準(zhǔn)來評價監(jiān)測值的安全度［8］。

1.3.2 定性指標(biāo)度量方法

尾礦庫實測性態(tài)的綜合評價既包括對不同監(jiān)測項目、不同測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析評價，也包括對巡視檢查內(nèi)容的定量評價。尾礦庫安全巡視檢查結(jié)果大多難以用確切的數(shù)值或數(shù)學(xué)公式來表達(dá)，一般只能進(jìn)行定性描述，因此，對定性指標(biāo)進(jìn)行量化分析，一般采用專家評分方法，即根據(jù)尾礦庫安全評價的特點(diǎn)，無傾向性地選擇位專家，每位專家根據(jù)巡視檢查結(jié)果和自己的專業(yè)知識、實踐經(jīng)驗獨(dú)立地對各定性指標(biāo)進(jìn)行評分（記專家對定性指標(biāo)的評分為），然后通過對位專家的評分進(jìn)行綜合而得到。目前常用的專家評分綜合方法有完全平均法、中間平均法和加權(quán)平均法等［9］。

1.4 隸屬度的確定

對于有明確特征值的評價指標(biāo)（如浸潤線、安全超高，干灘長度，降雨量等）采用模糊統(tǒng)計的方式計算他們的隸屬度；對于沒有明確的特征值的指標(biāo)，借助統(tǒng)計學(xué)方法，采取的形式，通過值的不同來區(qū)別不同的安全等級，運(yùn)用模糊統(tǒng)計方法確定其隸屬度。

上面已經(jīng)詳細(xì)介紹了各評價因素的各級特征值，并結(jié)合各級特征值對不同評價指標(biāo)的安全等級進(jìn)行了具體劃分。因此，對具體評價時段內(nèi)的監(jiān)測值而言，其對應(yīng)的各安全等級隸屬度計算如下所示。

其中，μ為指標(biāo)的均值或期望值，σ為指標(biāo)的均方差，ki的取值和置信水平有關(guān)，對于不同的評價對象和不同的評價等級ki取值不同。rij（j＝1，2，3，4）為第i個評價指標(biāo)相對于第j個評價等級的隸屬度，c為所有監(jiān)測值，n為評價時段內(nèi)監(jiān)測值數(shù)目，vj（j＝1，2，3，4）為對應(yīng)的各安全等級。

1.5 權(quán)重的確定

尾礦庫實測性態(tài)綜合評價指標(biāo)對于評價目標(biāo)的貢獻(xiàn)程度可用權(quán)值進(jìn)行界定，對于貢獻(xiàn)大的指標(biāo)，賦予較大的權(quán)值，貢獻(xiàn)較小的指標(biāo)則賦予較小的權(quán)值。尾礦庫監(jiān)測項目眾多，層次也有所不同，所以其評價以多級綜合評價為主。

根據(jù)多層次綜合評價指標(biāo)體系可以得到評價因素集，分層次如下表示。

第一層：最終目標(biāo)U＝｛U1，U2，U3，U4｝＝｛變形，滲流，調(diào)洪，巡查｝；第二層：U1＝｛u1，u2｝＝｛表面位移，內(nèi)部位移｝，U2＝｛u3，u4，u5｝＝｛滲流壓力，滲流量，繞壩滲流｝，U3＝｛u6，u7，u8｝＝｛干灘長度，安全高差，降雨得｝，U4＝｛u9，u10，u11｝＝｛防洪檢查，壩體檢查，庫區(qū)檢查｝。

第二層評價因素根據(jù)具體情況可進(jìn)一步細(xì)分為第三層、第四層…評價因素。通過對不同指標(biāo)間的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析，建立符合實際情況的層次結(jié)構(gòu)圖。目標(biāo)層位于最高層，為實現(xiàn)目標(biāo)的具體指標(biāo)位于最底層。

實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況，選擇一種或者多種賦權(quán)值的方法，針對尾礦庫實測性態(tài)綜合評價的層次性，可采用層次分析法來確定各個評價因素相對于評價目標(biāo)的權(quán)值?？紤]到層次分析法屬于主觀賦權(quán)，也可根據(jù)監(jiān)測資料的貢獻(xiàn)程度，采用主成分分析法、因子分析法等客觀賦權(quán)法確定權(quán)值。針對尾礦庫實測性態(tài)綜合評價實際，可將主客觀賦權(quán)結(jié)合使用，充分發(fā)揮監(jiān)測資料和專家的作用，使綜合評價結(jié)果更為可靠［10］。

1.6 綜合評價方法

尾礦庫實測性態(tài)綜合評價結(jié)果是一個模糊的概念，綜合評價等級中安全、基本安全、不安全、很不安全之間，本質(zhì)上并沒有嚴(yán)格的界定。要對這樣一個模糊概念進(jìn)行綜合評價，采用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)上的非此即彼的確定方法十分困難，因此，一般需要借助現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論方法（如模糊數(shù)學(xué)理論、灰色理論、突變理論等）結(jié)合層次分析法進(jìn)行分析，如模糊數(shù)學(xué)中的模糊綜合評價模型總的表達(dá)式為［11］B＝（b1，b2，…，bn）＝W°R。式中：W是由m個評價指標(biāo)的權(quán)值wi（i＝1，2，…，m）所形成的向量；R是由評價指標(biāo)ui對評價等級vj的隸屬度rij所形成的隸屬度矩陣；B是模型的評價結(jié)果形成的向量；“°”表示某種綜合評價運(yùn)算。

2 工程實例

以某尾礦庫為實例，驗證本文所提方法的可行性和實用性。該尾礦庫為河谷型尾礦庫，采用上游式筑壩。2009年該尾礦庫建立了自動化監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容包括壩體變形監(jiān)測、浸潤線監(jiān)測、干灘監(jiān)測以及降雨量監(jiān)測等。該自動化系統(tǒng)通過對尾礦庫主要技術(shù)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，可以實時了解尾礦庫在運(yùn)行期間的安全狀態(tài)。以該尾礦庫實測位移、浸潤線埋深、干灘監(jiān)測數(shù)據(jù)對尾礦庫安全狀態(tài)進(jìn)行評價，考慮到實時評價對尾礦庫運(yùn)行安全的重要性，采用某一分析時段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評價，本次選擇2010年9月份作為分析評價時段。采用層次分析法計算綜合評價權(quán)值，結(jié)合該尾礦庫實際狀況，確定層次分析法的判斷矩陣。

計算得到尾礦庫安全實測性態(tài)評價因素集（壩體位移、浸潤線埋深、干灘）的權(quán)重向量為W＝（0.2671，0.3425，0.3904）。

對于壩體位移、浸潤線埋深、干灘長度這三類評價指標(biāo)，根據(jù)評價等級的劃分，采用模糊統(tǒng)計方法，求得該監(jiān)測時段隸屬度矩陣。

采用加權(quán)平均型評判模型得到綜合評判矩陣。

根據(jù)最大隸屬度原則，最大值出現(xiàn)在評判集，即分析時段內(nèi)尾礦庫實測性態(tài)為安全，這與尾礦庫現(xiàn)場人員巡視檢查評價結(jié)果基本一致。

3 結(jié)語

尾礦庫安全實測性態(tài)綜合評價是一個多層次、多指標(biāo)的復(fù)雜分析評價問題，涉及到多項目、多測點(diǎn)數(shù)據(jù)的綜合分析以及定性資料的定量評價。本文根據(jù)尾礦庫安全監(jiān)測實施現(xiàn)狀，構(gòu)建了尾礦庫安全實測性態(tài)綜合評價體系，對尾礦庫實測性態(tài)綜合評價方法進(jìn)行研究。主要討論了綜合評價指標(biāo)體系和綜合評價集的確定、綜合評價指標(biāo)的度量方法、權(quán)值的確定以及綜合評價方法。以某尾礦庫實測資料為例，對該方法的可行性進(jìn)行了驗證，該方法為尾礦庫安全實測性態(tài)綜合評價提供了新的方法和思路。本方法將大壩實測性態(tài)綜合評價理論應(yīng)用于尾礦庫工程實際，同時結(jié)合尾礦庫工程實際及相關(guān)規(guī)范，針對實測數(shù)據(jù)對尾礦庫實測性態(tài)進(jìn)行綜合評價，比以往定性評價及單指標(biāo)分析評價更加客觀，對尾礦庫安全管理具有一定的指導(dǎo)意義。

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