李元松，吳春華，段鑫，李洋，董開源

1.武漢工程大學(xué)資源土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.黃石市礦山安全檢測(cè)檢驗(yàn)所，湖北黃石 435000

帷幕注漿工程質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)模型

李元松1，吳春華2，段鑫1，李洋1，董開源2

1.武漢工程大學(xué)資源土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.黃石市礦山安全檢測(cè)檢驗(yàn)所，湖北黃石 435000

帷幕注漿工程質(zhì)量驗(yàn)收指標(biāo)與工作過(guò)程具有模糊性與不確定性，現(xiàn)有的單因素評(píng)價(jià)或多因素混合評(píng)價(jià)都難以給出定量結(jié)論，提出運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法.基于模糊決策理論，嘗試將帷幕注漿工程質(zhì)量的影響因素進(jìn)行分類并量化，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)與影響因子的特點(diǎn)，選用對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)，應(yīng)用層次分析法確定權(quán)重系數(shù)，建立帷幕注漿工程質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)模型，并將該模型用于大冶礦帶3個(gè)典型巖溶礦床帷幕注漿堵水工程的質(zhì)量評(píng)價(jià)與鑒定，結(jié)果與抽水試驗(yàn)和后期運(yùn)營(yíng)狀態(tài)具有高度的一致性.

巖溶礦床；地下水防治；帷幕注漿；工程質(zhì)量；評(píng)價(jià)模型

0 引言

帷幕注漿堵水方法因其既能有效堵水，又能保護(hù)地下水資源、防止地面塌陷等地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害，符合國(guó)家安全、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是深埋礦產(chǎn)資源的開發(fā).我國(guó)大多數(shù)富水巖溶礦床的開采，均或多或少使用了帷幕注漿技術(shù)進(jìn)行地下涌水的封堵與阻隔［1－4］.然而，帷幕注漿工程具有典型的隱蔽工程特點(diǎn)，其工程施工質(zhì)量檢查和效果評(píng)價(jià)一直是困擾工程界的難題，現(xiàn)有的單因素評(píng)價(jià)或多因素混合評(píng)價(jià)都難以給出定量結(jié)論［5－7］.筆者認(rèn)為，工程質(zhì)量的好與壞具有一定的模糊性，影響工程質(zhì)量的因素也具有模糊性.模糊數(shù)學(xué)可以不考慮這些因素的作用過(guò)程，而根據(jù)已有工程質(zhì)量評(píng)估的專家經(jīng)驗(yàn)，量化各影響因素的權(quán)重，通過(guò)模糊運(yùn)算得出定量評(píng)價(jià)結(jié)果.本文試圖應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)理論，結(jié)合多個(gè)溶巖礦山帷幕堵水工程質(zhì)量檢測(cè)評(píng)定實(shí)踐，建立帷幕注漿工程質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型，以供類似注漿工程質(zhì)量檢測(cè)鑒定時(shí)參考.

1 模糊綜合評(píng)價(jià)基本理論

1.1 基本步驟

a．構(gòu)造影響因素集X＝｛x1，x1，．．，xm｝，評(píng)語(yǔ)集Y＝｛y1，y1，．．，ym｝.對(duì)集X中的因素xi（i＝1，2，…，m）做單因素評(píng)判，確定xi對(duì)yj（j＝1，2，…，n）的隸屬度rij，由此得出第i個(gè)因素xi的單因素評(píng)判集ri＝（ri1， ri2，．．，rim）.

b．確定隸屬函數(shù).根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，確定相應(yīng)的隸屬度計(jì)算方法及相應(yīng)公式.

c．根據(jù)隸屬函數(shù)構(gòu)建模糊評(píng)判矩陣R.

R為論域X到論域Y的一個(gè)模糊關(guān)系，rij表示因素對(duì)抉擇等級(jí)yj的隸屬度.

e．一致性檢驗(yàn).由矩陣R求出的W是否合理，還需按式（1）進(jìn)行隨機(jī)一致性檢驗(yàn).

式（1）中：CR為一致性比率；CI為一致性指標(biāo)；由式（2）計(jì)算：

其中：λmax為判斷矩陣的最大特征根，其值按式（3）計(jì)算：

式（3）中，m為R的階數(shù)，RI為R的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，由隨機(jī)試驗(yàn)確定，RI取值見(jiàn)表1［11］.

表1 層次分析法的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值Table 1 Mean random consistency index of AHP

當(dāng)CR＜0．1時(shí)，即認(rèn)為R的一致性良好，說(shuō)明權(quán)數(shù)分配是合理的；否則，就需重構(gòu)R，直至取得一致性為止.

f．進(jìn)行模糊綜合評(píng)判.考慮權(quán)值分配，則綜合評(píng)判模型為：

1.2 模糊合成運(yùn)算模型

模糊合成運(yùn)算理論方法很多，實(shí)際應(yīng)用經(jīng)常采用如下幾種模型.

a．M（Λ，V）模型.

這種模型的特點(diǎn)是運(yùn)算簡(jiǎn)單，不足方面是只考慮了主因素，忽略次要信息.

這是M（∧，V）模型的改進(jìn)型，它與M（∧，V）的區(qū)別是用乘法代替“∧”，其優(yōu)點(diǎn)是它兼顧了所有因素，乘法運(yùn)算不丟失信息.

與M（∧，V）接近，但比M（∧，V）更為精細(xì)，由此得到的評(píng)判結(jié)果在一定程度上反映了非主要指標(biāo).

該模型的特點(diǎn)是以權(quán)重大小均衡兼顧所有因素，體現(xiàn)出整體綜合特性.

e．模型V－M（·，+）

運(yùn)算時(shí)wi必須歸一化.該模型的特點(diǎn)是既考慮了所有因素的影響，同時(shí)保留了單因素評(píng)判的全部信息.

2 帷幕工程質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

2.1 評(píng)價(jià)因子的選擇

影響帷幕注漿工程質(zhì)量的因素眾多，包括水文地質(zhì)因素、設(shè)計(jì)因素、注漿材料、施工工藝和施工管理等.如果不加區(qū)分，問(wèn)題就變得相當(dāng)復(fù)雜.只有抓住主要矛盾，放下次要因素，問(wèn)題才得以簡(jiǎn)化.據(jù)此，選擇工程質(zhì)量評(píng)估中常見(jiàn)且有效的因素作為評(píng)價(jià)因子：

a．質(zhì)量保證資料的完整性.根據(jù)相關(guān)質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，資料的完整程度分為三個(gè)等級(jí)，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：

1）所用材料質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果；

2）材料配比和試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

3）隱蔽工程施工的詳細(xì)記錄；

4）質(zhì)量控制指標(biāo)的試驗(yàn)記錄及試驗(yàn)報(bào)告；

5）施工過(guò)程中異常情況記錄及其影響分析；

6）發(fā)生質(zhì)量事故，經(jīng)處理后，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的認(rèn)可證明材料等.

上述1－6項(xiàng)完整者為Ⅰ級(jí)，優(yōu)；1－2項(xiàng)不完整者為Ⅱ級(jí)，合格；缺項(xiàng)或3項(xiàng)及以上資料不全者劃為Ⅲ級(jí)，不合格.

b．帷幕設(shè)計(jì)參數(shù).

1）帷幕軸線地址；2）帷幕型式；3）幕墻厚度；4）擴(kuò)散半徑；5）鉆孔間距.

上述1－5項(xiàng)符合設(shè)計(jì)要求者為Ⅰ級(jí)，優(yōu)；1項(xiàng)不符合設(shè)計(jì)要求者為Ⅱ級(jí)，合格；2項(xiàng)及以上不符合設(shè)計(jì)要求者為Ⅲ級(jí)，不合格.

c．注漿施工.

單孔質(zhì)量：1）鉆孔質(zhì)量；2）注漿材料、配比及濃度變換；3）注漿壓力；4）結(jié)束標(biāo)準(zhǔn).其中4項(xiàng)均符合設(shè)計(jì)要求者為Ⅰ級(jí)；1項(xiàng)及以上不符合設(shè)計(jì)要求者為Ⅱ級(jí).

整體質(zhì)量：90%鉆孔質(zhì)量為Ⅰ級(jí)者，優(yōu)良，80%鉆孔質(zhì)量為Ⅰ級(jí)者評(píng)為合格，否則不合格.

d．壓水試驗(yàn).

檢查孔壓水試驗(yàn)：1）透水率≤3 lu為I級(jí)；2）透水率3～5 lu為Ⅱ級(jí)；3）透水率＞5 lu為Ⅲ級(jí).

90%以上的壓水段為I級(jí)者為優(yōu)良；80%壓水段為I級(jí)者，或90%以上壓水段為Ⅱ級(jí)或以上者為合格，否則不合格.

e．鉆孔巖芯R.Q.D值R.Q.D值大于75%為I級(jí)；50%～75%為Ⅱ級(jí)；30%～50%Ⅲ級(jí)；小于30%為Ⅳ級(jí).

所有檢查鉆孔R(shí).Q.D值，評(píng)為I級(jí)超過(guò)總數(shù)90%的為優(yōu)良；70%為I級(jí)者，或80%以上鉆孔R(shí).Q.D值為Ⅱ級(jí)者為合格，否則不合格.

f．結(jié)石體質(zhì)量.

1）結(jié)石體抗壓強(qiáng)度≥10 MPa為Ⅰ級(jí)，否則為Ⅱ級(jí)；2）滲透系數(shù)≤10-7m／d為Ⅰ級(jí)，否則為Ⅱ級(jí).

90%結(jié)石體為Ⅰ級(jí)者判為優(yōu)良，80%結(jié)石體為Ⅰ級(jí)者判為合格，否則不合格.

g．CT檢測(cè)試驗(yàn).

1）無(wú)大的斷層、破碎帶未被充填為Ⅰ級(jí)；否則為Ⅱ級(jí).

2）無(wú)大的溶洞、或主徑流帶未被充填密實(shí)者為Ⅰ級(jí)；否則為Ⅱ級(jí).

上述兩項(xiàng)均為Ⅰ級(jí)者定為Ⅰ級(jí)，優(yōu)良，1項(xiàng)評(píng)為Ⅰ級(jí)者，定合格，否則不合格.

h．抽水試驗(yàn).

1）堵水率達(dá)到設(shè)計(jì)要求者定為Ⅰ級(jí)，否則定為Ⅱ級(jí).

2）抽水試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定流條件者定為Ⅰ級(jí)，否則定為Ⅱ級(jí).

上述兩項(xiàng)均為Ⅰ級(jí)者定為Ⅰ級(jí)，優(yōu)良；1項(xiàng)評(píng)為Ⅰ級(jí)者定為合格，否則不合格.

i．水位觀測(cè).

1）水位變化無(wú)異常者定為Ⅰ級(jí)，否則定為Ⅱ級(jí).

2）幕內(nèi)外落差顯著者定為Ⅰ級(jí)，否則定為Ⅱ級(jí).

上述兩項(xiàng)均為Ⅰ級(jí)者定為Ⅰ級(jí)，優(yōu)；1項(xiàng)評(píng)為Ⅰ級(jí)者定為合格，否則不合格.

因此，選取上述9種因素作為評(píng)價(jià)因子，建立評(píng)價(jià)因子模糊集合：

工程質(zhì)量分為優(yōu)良、合格、不合格3個(gè)等級(jí)，建立模糊集合：

2.2 隸屬度的確定

對(duì)于離散型變量隸屬度的取值，目前還沒(méi)有普遍認(rèn)可的確定方法，主要根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程情況評(píng)定，可參考表2取值.

表2 注漿工程質(zhì)量相關(guān)因素隸屬度Table 2 Membership degree of factors related to grouting

2.3 權(quán)重的確定

確定評(píng)價(jià)因素的權(quán)重有多種方法.由于工程環(huán)境的復(fù)雜性和模糊性，用數(shù)學(xué)模型確定評(píng)價(jià)因素的權(quán)重較為困難，有時(shí)對(duì)工程地質(zhì)、水文條件和帷幕所處的環(huán)境地質(zhì)條件與施工技術(shù)條件分析不足而過(guò)分地依賴數(shù)學(xué)模型，確定的權(quán)重可能不盡合理，相反，根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)判斷，其結(jié)論更為可靠.本文評(píng)價(jià)主要AHP法確定權(quán)重，是多位專家的經(jīng)驗(yàn)判斷結(jié)合數(shù)學(xué)模型，通過(guò)運(yùn)算確定權(quán)重，是一種較為合理、可行的分析方法.它強(qiáng)調(diào)人的思維判斷在決策中的作用，通過(guò)一定的模式規(guī)范決策思維過(guò)程，適用于定性與定量因素相結(jié)合的工程決策問(wèn)題.帷幕注漿工程質(zhì)量評(píng)價(jià)的層次分析法確定權(quán)重的矩陣打分見(jiàn)表3.

2.4 綜合評(píng)價(jià)模型

依據(jù)上述模糊綜合評(píng)價(jià)理論，結(jié)合多個(gè)帷幕注漿專家的工程經(jīng)驗(yàn)，得出如下帷幕注漿工程的評(píng)價(jià)參數(shù)與評(píng)價(jià)步驟：

表3 評(píng)價(jià)因子矩陣打分表Table 3 Evaluation factor matrix

a．評(píng)語(yǔ)集＝｛優(yōu)良，合格，不合格｝；

b．因子集＝｛資料，帷幕設(shè)計(jì)，施工質(zhì)量，壓水試驗(yàn)，結(jié)石體質(zhì)量，R．Q．D值，CT檢測(cè)，抽水試驗(yàn)，水位觀測(cè)｝；

c．權(quán)重集合A={0.023,0.112,0.180,0.158,0.045, 0.089,0.068,0.189,0.135}；

d．確定因素的隸屬度，建立評(píng)判矩陣R；

e．進(jìn)行模糊運(yùn)算，得出評(píng)判集B＝A·R

f．根據(jù)最大隸屬度準(zhǔn)則對(duì)帷幕注漿工程質(zhì)量進(jìn)行模糊綜合評(píng)判.

3 工程應(yīng)用

作者有幸參與了湖北大冶礦帶幾個(gè)典型巖溶礦床帷幕注漿工程質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)價(jià)，詳細(xì)信息將另文介紹，收集到的數(shù)據(jù)按上述方法進(jìn)行整理，結(jié)果如表4所示.

表4 幾個(gè)典型矽卡巖礦床帷幕注漿工程質(zhì)量數(shù)據(jù)Table 4 Grouting curtain engineering quality information of typical Karst water-filled deposits

根據(jù)表4和表2選取評(píng)價(jià)因子的隸屬度，形成的關(guān)系矩陣分別為：

按上述模型V計(jì)算質(zhì)量評(píng)價(jià)集B分別為：

大紅山：B1＝（0．419，0．464，0．115）；鯉泥湖：B2＝（0．277，0．487，0．235）；大志山：B3＝（0．288，0．486，0．225）.

由最大隸屬度準(zhǔn)則，可以判斷上述3個(gè)礦山帷幕注漿工程質(zhì)量均為合格，相對(duì)而言，優(yōu)良＋合格的偏移值，大紅山礦＝0．883，鯉泥湖＝0．764，大志山礦＝0．774，大紅山礦注漿效果更好.根據(jù)后期的生產(chǎn)排水量，3個(gè)礦山的平均帷幕堵水率分別達(dá)到75%，71%和72．5%，說(shuō)明采用模糊評(píng)價(jià)模型能較為客觀地反映注漿工程的整體質(zhì)量和綜合效果.

4 結(jié)語(yǔ)

a．模糊綜合評(píng)價(jià)模型既能考慮專家的工程經(jīng)驗(yàn)，又能通過(guò)數(shù)學(xué)推演給出定量結(jié)論，比較適合帷幕注漿工程這類涉及因素眾多，難以定量分析的質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)價(jià)與鑒定問(wèn)題，3個(gè)巖溶礦山大型帷幕注漿工程質(zhì)量評(píng)價(jià)鑒定的實(shí)踐表明，模糊綜合評(píng)價(jià)模型是成功的.

b．對(duì)于工程中經(jīng)常出現(xiàn)的離散型變量，目前仍沒(méi)有合適的方法確定其隸屬度，專家確定法依賴專家的經(jīng)驗(yàn)與判斷力，需進(jìn)一步的理論研究.

致謝

感謝大志山礦業(yè)公司、鯉泥湖礦業(yè)公司、大紅山礦業(yè)公司及中南基礎(chǔ)工程公司提供項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持及寶貴的原始資料！

［1］高建軍，祝瑞勤，徐大寬.巖溶充水礦床帷幕注漿堵水技術(shù)研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007（5）：123-127.

GAO Jianjun，ZHU Ruiqin，XU Dakuan.Re-discussion on plugging technique with curtain grouting in karst water filled ore deposits［J］.Hydrogeology＆Engineering Geology，2007（5）：123-127.（in chinese）

［2］祝世平，王伏春，曾夏生.大紅山礦帷幕注漿治水工程及其評(píng)價(jià)［J］.金屬礦山，2007（9）：79-83.

ZHUShiping，WANGFuchun，ZENGXiasheng. Groundwater blockage by grouting curtain in Dahongshan mine and its evaluation［J］.Metal Mine，2007（9）：79-83.（in Chinese）

［3］韓貴雷，于同超，劉殿鳳，等.礦山帷幕注漿方案研究及堵水效果綜合分析［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30（3）：95-98.

HAN Guilei，YU Tongchao，LIU Dianfeng，et al.Study on curtain grouting scheme and comprehensive analysis on its water plugging effection in zhongguan ironmine［J］.Mining R＆D，2010，30（6）：95-98.（in Chinese）

［4］陳靜，王軍.巖溶礦區(qū)帷幕注漿截流效果的抽水試驗(yàn)法評(píng)價(jià)［J］.采礦技術(shù)，2008，8（6）：53-55.

CHEN Jing，WANG Jun.The effect evaluation of water prevention after curtain grouting engineering in karst mine area using pumping test［J］.Mining Technology，2008，8（6）：53-55.（in Chinese）

［5］楊米加，陳明雄，賀永年.注漿理論的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20（6）：839-841.

YANG Mijia，CHEN Minxiong，HE Yongnian.Current research state of grouting technology and its development direction in future［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（6）：839-841.（in Chinese）

［6］張志沛，劉旭，徐漢民,等.煤礦采空區(qū)注漿工程質(zhì)量檢測(cè)的試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（5）：604-606.

ZHANG Zhipei，LIU Xu，XU Hanmin.Experimental studies on grouting quality examination of gob of coalmine［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27（5）：604-606.（in Chinese）

［7］李術(shù)才，張霄.地下工程涌突水注漿止水漿液擴(kuò)散機(jī)制和封堵方法研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（12）：2378-2395.

LI Shucai，ZHANG Xiao.Research on mechanism of groutdiffusionofdynamicgroutingandplugging method in water inrush of underground engineering［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30（12）：2378～2395.（in Chinese）

［8］張國(guó)立，張輝，孔倩.模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：9.

ZHANG Guli，ZHONG Hui，KONG Qian.Fuzzy mathematics foundation and its application［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2011：9.（in Chinese）

［9］李元松，陳文峰，李新平.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（1）：113-118.

LI Yuansong，CHEN Wenfeng，LI Xinping.Satbility assessment of rock slope based on Fuzzy neural network［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2013，35（1）：113-118.（in Chinese）

［10］吳茂民.邊坡失穩(wěn)災(zāi)害的模糊綜合評(píng)估技術(shù)及其應(yīng)用［D］.福州：福州大學(xué)，2005.

WU Maomin.Fuzzy synthetic assessment on disaster of slope instability and its application［D］.Fuzhou：Fuzhou University，2005.（in Chinese）

［11］黃建文，李建林，周宜紅.基于AHP的模糊評(píng)判法在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，7（增刊）：2627-2632.

HUANG Jianwen，LI Jianlin，ZHOU Yihong.Application of Fuzzy analysis based on AHP to slope stability evalution［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，7（suupl.）：2627-2632.（in Chinese）

Fuzzy comprehensive evaluation model of grouting curtain engineering quality

LI Yuan－song1，WU Chun－h(huán)ai2，DUAN Xin1，LI Yang1，DONG Kai－yuang2
1．School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2．Huangshi Institute of Mine Safety Inspection，Huangshi 435000，China

It is difficult to get the quantitative conclusion by the single factor evaluation and the multi－factor synthetic evaluation because the check indexes of curtain grouting engineering quality and the work processes have the characteristics of ambiguity and uncertainty．The method of fuzzy comprehensive evaluation was proposed．Based on fuzzy decision theory，factors influencing the quality of the curtain grouting engineering and water plugging effect evaluation were classified by analytic hierarchy process method to determine the weight coefficient，then a quantitative evaluation model of the curtain grouting engineering quality was built，which was used in evaluation and appraisal of quality in Daye ore with multiple typical karst deposit curtain grouting water plugging engineering，and the results are satisfactory．

Karst water－filled deposit；groundwater blockage；grouting curtain；engineering quality；assessment model

TU 443

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.08.001

1674－2869（2015）08－0001－05

本文編輯：龔曉寧

2015－04－30

李元松（1964－），男，湖北應(yīng)城人，教授，博士.研究方向：巖土工程領(lǐng)域的教學(xué)與研究工作.