陳靖波

(廣東金泰達(dá)安全科技有限公司，廣東 廣州 510220)

0 引言

模糊綜合評價方法是模糊數(shù)學(xué)中應(yīng)用的比較廣泛的一種方法，該綜合評價法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價[1-3]。針對于尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施的采動造成的主要影響和損害，由于壩體承受較大的荷載，不僅包括壩體的自重，還包括尾礦側(cè)壓力、滲透場壓力等，而尾礦庫水工構(gòu)筑物的巖體地基的主要巖石力學(xué)問題，是對壩基巖體進(jìn)行承載穩(wěn)定性評價的重要力學(xué)計(jì)算點(diǎn)。

1 尾礦庫壩基滑移及穩(wěn)定性分析

尾礦庫的壩體是水工構(gòu)筑物的主要承載和傳載構(gòu)件，由于壩體承受較大的荷載，不僅包括壩體的自重，還包括尾礦側(cè)壓力、滲透場壓力等，對下部地基有較高的要求[4-6]。因此，一般大型的尾礦水工壩址都選在巖石地基上，水工巖石地基的特點(diǎn)是承受的荷載較大，且荷載涉及較大的巖體區(qū)域。尾礦水工構(gòu)筑物的巖體地基的主要巖石力學(xué)問題是對壩基巖體進(jìn)行承載穩(wěn)定性評價。

1.1 尾礦庫壩基滑移方式

尾礦庫壩基滑移方式主要有3種失穩(wěn)形式。

表層滑動破壞：壩基中的巖體剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壩體與巖基基礎(chǔ)面的強(qiáng)度，同時巖體堅(jiān)固完整且無顯著軟弱結(jié)構(gòu)面，大壩的失穩(wěn)多沿接觸面產(chǎn)生。

基巖結(jié)構(gòu)面滑動：在基巖內(nèi)存在節(jié)理、裂隙、軟弱夾層，或存在其他不利穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面的情況下，產(chǎn)生的活動。

混合滑動破壞：壩體失穩(wěn)時，一部分沿混凝土與巖基接觸面滑動，另一部分則沿巖體中某一軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動。

1.2 尾礦庫壩基穩(wěn)定性分析

尾礦庫重力壩是重要而常用的一種壩型，其特點(diǎn)是依靠壩體自身重量維持穩(wěn)定[7-9]。一般情況下，尾礦庫壩體與基巖接觸面是一個薄弱環(huán)節(jié)，因此必須沿該接觸面核算壩體的抗滑穩(wěn)定性，尾礦庫壩體受力如圖1所示，結(jié)合圖1進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，方法見抗剪強(qiáng)度公式(1)、抗剪斷強(qiáng)度公式(2)。

圖1 尾礦庫壩體受力圖

(1)

式中：V—由壩體傳至巖基表面的總垂直荷載；H—壩體承受的總水平荷載；U—壩底抗壓力；f—壩體混凝土與巖基接觸面上的摩擦系數(shù)。

(2)

式中：f′—壩體混凝土壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；c—壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力；F—壩基截面積。

2 尾礦壩體的深層滑動穩(wěn)定性計(jì)算

尾礦壩體巖基中經(jīng)常存在各種不同形式的軟弱結(jié)構(gòu)面，當(dāng)其產(chǎn)狀易于導(dǎo)致壩體的滑動時，則壩體連同其下部的部分巖體將沿軟弱面產(chǎn)生深層滑動[10]。

2.1 滑面傾向上游的情況

如圖2所示，AB為巖基中傾向上游的軟弱結(jié)構(gòu)面，其傾角為α。當(dāng)壩體在水平推力作用下，壩體連同其下的三角形塊體ABC有可能沿軟弱面AB產(chǎn)生滑動。作用于壩體的水平方向合力以H表示，其中包括沖擊力、壩前淤積和泥沙水平推力以及上游滲透壓力和上游壓力；圖中以V表示壩體的總垂直荷載以及三角形塊體ABC的重量之和。分別計(jì)算滑動面上的抗滑力R以及滑動塊體沿滑動方向的阻滑力S。

圖2 尾礦庫壩體壩基內(nèi)滑面傾向上游的受力圖

R=(Hsinα+Vcosα-U)f+cF

(3)

S=Hcosα-Vsinα

(4)

式中：f—滑動面上的斷摩擦系數(shù)；c—粘結(jié)力；F—滑動面面積。由此可得抗滑安全系數(shù)如下。

(5)

2.2 滑面傾向下游的情況

滑面穩(wěn)定性分析：如果尾礦庫壩基內(nèi)出現(xiàn)傾向下游滑面，此時必須驗(yàn)算壩下巖體沿此軟弱面并通過另一可能滑面BC產(chǎn)生滑移的安全系數(shù)。由于BC面的位置是未知的，因此AB，BC結(jié)構(gòu)面的不同組合將形成巖基中的各種可能滑面。壩體顯然是沿抗滑穩(wěn)定性最差的那一組合滑面產(chǎn)生滑動。在圖3(a)所示情況中，顯然組合滑面ABC的穩(wěn)定性較差。

“等K法”計(jì)算抗滑力和滑動力：選用“等K法”計(jì)算深層滑動并對這種滑面進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，首先將滑動塊體ABC沿垂直面BD將其分割成左右兩塊。如圖3(b)所示，作用于BD面上的推力以P表示，其大小、方向?yàn)槲粗?，一般常假定P的作用線與滑面AB平行，這時各塊體的受力情況如圖3(c)所示。根據(jù)受力情況可分別計(jì)算塊體(1)與塊體(2)的抗滑力和滑動力。

塊體(1)

圖3 尾礦庫壩體壩基內(nèi)滑面傾向下游的受力圖

抗滑力=(V1cosα-U1-Hsinα)f1+c1F1+P

(6)

滑動力=Hcosα+V1sinα

(7)

式中：V1—壩體的總垂直荷載與塊體(1)的重量之和；H—作用于壩體的總水平荷載。

塊體(2)

抗滑力=(V2cosβ+Psin(α+β)-U2)f2+c2F2

(8)

滑動力=Hcos(α+β)-V2sinβ

(9)

式中：V2—塊體(2)的自重。

“等K法”計(jì)算抗滑安全系數(shù)：用“等K法”計(jì)算抗滑安全系數(shù)時，根據(jù)是否按塊體極限狀態(tài)計(jì)算分為兩種方法。

第一，不按塊體極限狀態(tài)計(jì)算的“等K法”，在此方法中，不考慮塊體(1)、(2)是否處于極限平衡狀態(tài)。根據(jù)上式分別計(jì)算各塊體的抗滑力與滑動力，并由此求出各塊體的安全系數(shù)K1與K2。

(10)

在“等K法”中，認(rèn)為各塊體的抗滑安全系數(shù)相同，即K1=K2=K，因此聯(lián)立求解式(10)，即可確定壩基的深層抗滑安全系數(shù)K。

第二，按塊體極限狀態(tài)計(jì)算的“等K法”。根據(jù)塊體沿相應(yīng)滑面處于極限狀態(tài)來確定壩基的抗滑安全系數(shù)，即認(rèn)為當(dāng)滑面AB和BC上的抗剪指標(biāo)c1,f1以及c2,f2降低K倍后，塊體(1)、(2)則同時處于極限平衡狀態(tài)。因此，如將式(10)中的抗剪指標(biāo)c1,f1分別替換為c1/K與f1/K，于是可求得塊體(1)處于極限平衡狀態(tài)時的抗滑力與滑動力如下

(11)

滑動力=Hcosα-V1sinα

(12)

由于塊體(1)處于極限平衡狀態(tài)，由此可得

Hcosα+V1sinα

(13)

同理，對于塊體(2)也可得以下極限平衡方程

Pcos(α+β)-V2sinβ

(14)

將上式聯(lián)立求解，即可求得安全系數(shù)K。

3 模糊綜合評價模型及治理方案

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)

評價指標(biāo)體系：針對尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施采動影響評價及損害，進(jìn)行綜合分析，做出合理的判斷，將其影響和采動建立層次結(jié)構(gòu)，表1為尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施采動影響評價指標(biāo)體系。

表1 尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施采動影響評價指標(biāo)體系

表2 尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施采動影響評價AHP指標(biāo)

注：B1-人類的生命和身心健康；B2-財富性的資源性資產(chǎn)；B3-人類賴以生存與發(fā)展的環(huán)境；C1-死亡；C2-受傷；C3-失蹤；C4-建筑物；C5-各類設(shè)施設(shè)備；C6-家庭財產(chǎn)；C7-地質(zhì)環(huán)境破壞；C8-環(huán)境污染；C9-生態(tài)環(huán)境破壞

3.2 確定評語集及各指標(biāo)的隸屬度

評語集的確定：在分析尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施采動影響時，可以將其分為一定的等級。在此，從“專家打分”的角度把評價的等級分為“10分”“8分”“6分”“4分”“2分”五個等級，因此評語集表示為：V={10分，8分，6分，4分，2分}。

確定各指標(biāo)的隸屬度：采用評委會評分法確定隸屬度rij。若評委會有n個人，那么對某一科技成果，指標(biāo)層中某一指標(biāo)隸屬于V中某一評語的隸屬度表示為n，rij=對C中的某一因子ui，全體評委中評其為V中第j個等級的人數(shù)/n。由于C中的 9個指標(biāo)按人類的生命和身心健康B1、財富性和資源性資產(chǎn)B2、人類賴以生存與發(fā)展的環(huán)境B3三個準(zhǔn)則分成了三類。把每個類別中的元素作為一個整體來構(gòu)造評價矩陣，如人類的生命和身心健康B1中的“死亡C1”“受傷C2”“失蹤C(jī)3”對評語集V中的五個等級而言，按上述的定義可得到3×5矩陣R1，同樣可得到R2，R3，表3為尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施采動影響評價隸屬度指標(biāo)。

3.3 綜合評價

歸一化處理：

B=(b1,b2,b3,b4,b5)

其中，“°”取算子M(·，⊕)：·定義為a·b=a×b=ab；⊕定義為a⊕b=(a+b)∧1。

B=(0.426 3,0.213 8,0.194 7,0.148 7,0.052 4)

對B進(jìn)行歸一化處理得

表3 尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施采動影響評價隸屬度指標(biāo)表

準(zhǔn)則層的模糊綜合評價：根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可得圖4。在分析尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施采動影響時，指標(biāo)按人類的生命和身心健康B1、財富性和資源性資產(chǎn)B2、人類賴以生存與發(fā)展的環(huán)境B3三個準(zhǔn)則進(jìn)行分析。而通過上述計(jì)算，結(jié)合圖4可得，人類的生命和身心健康B1有47.46%的程度下為10分值影響、財富性和資源性資產(chǎn)B2有42.11%的程度下為10分值影響、人類賴以生存與發(fā)展的環(huán)境B3有38.86%的程度下為10分值影響，從而可以得出尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施采動影響和損害對于人類的生命和身心健康是不容忽視的，而其次對于財富性和資源性資產(chǎn)也不容忽視，最后對于人類賴以生存與發(fā)展的環(huán)境也需加強(qiáng)監(jiān)督和治理。

圖4 尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施采動影響的準(zhǔn)則層餅狀圖

目標(biāo)層的模糊綜合評價：目標(biāo)層以尾礦庫的損害造成的各類影響結(jié)果為基礎(chǔ)，從其影響和損害的三大影響和與之關(guān)聯(lián)的九大因素進(jìn)行分析后可得B=(0.426 3,0.213 8,0.194 7,0.148 7,0.052 4)，圖5為尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施采動影響目標(biāo)層餅狀圖。

圖5 尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施采動影響目標(biāo)層餅狀圖

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合圖5可得，其中對于尾礦庫的損害造成的各類影響結(jié)果，有41.45%的程度下為10分值影響；有20.64%的程度下為8分值影響；有18.79%的程度下為6分值影響；有14.35%的程度下為4分值影響；有5.06%的程度下為2分值影響；從而可得對于尾礦庫的損害造成的各類影響結(jié)果是不容忽視的。

3.4 治理方案和策略

針對尾礦庫的損害造成的各類影響結(jié)果的綜合評價分析，可以制定以下對策和措施。

檢修和加固：加強(qiáng)對尾礦庫的檢修和加固，針對有損壞征兆的尾礦庫可以采取注漿、回填等方法進(jìn)行修繕。

勘測和勘查：在建設(shè)尾礦庫前，對周邊人文、地理、地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行充分的勘測和勘查，盡可能將尾礦庫建在人類活動少、損害程度最低的位置。

綜合檢測：建立綜合監(jiān)測機(jī)制，如：沉降監(jiān)測、邊坡監(jiān)測、測斜監(jiān)測等，做到預(yù)防機(jī)制下的綜合檢測，減少尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施的突發(fā)損壞的影響。

環(huán)境治理：做好人類賴以生存與發(fā)展的環(huán)境的檢測和治理，保障尾礦庫周邊范圍內(nèi)環(huán)境達(dá)標(biāo)，避免因環(huán)境的影響所造成的損害和損失。

4 結(jié)語

針對尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施的采動造成的主要影響和損害，對壩基巖體承載穩(wěn)定性進(jìn)行了巖石力學(xué)公式推導(dǎo)和計(jì)算，對尾礦庫的壩基穩(wěn)定性進(jìn)行了力學(xué)分析，并對尾礦壩體的深層滑動穩(wěn)定性中的滑面傾向上游和滑面傾向下游的情況進(jìn)行了受力分析和力學(xué)公式推論。以尾礦庫的損害造成的各類影響結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合與之關(guān)聯(lián)的九大因素，運(yùn)用模糊綜合評價模型，得出10分值評價下，人類的生命和身心健康B1是尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施的采動造成的主要影響和損害，占47.46%；財富性和資源性資產(chǎn)B2次之，占42.11%；人類賴以生存與發(fā)展的環(huán)境B3最小，占38.86%。針對各類影響結(jié)果的綜合評價分析，提出治理方案和策略，進(jìn)一步完善尾礦庫水工結(jié)構(gòu)設(shè)施的采動造成的主要影響和損害分析和評價，實(shí)現(xiàn)定性分析和定量計(jì)算的有機(jī)結(jié)合。