基于模糊综合模型的尾矿库水工结构采动影响评价

陈靖波

(广东金泰达安全科技有限公司，广东 广州 510220)

0 引言

模糊综合评价方法是模糊数学中应用的比较广泛的一种方法，该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价[1-3]。针对于尾矿库水工结构设施的采动造成的主要影响和损害，由于坝体承受较大的荷载，不仅包括坝体的自重，还包括尾矿侧压力、渗透场压力等，而尾矿库水工构筑物的岩体地基的主要岩石力学问题，是对坝基岩体进行承载稳定性评价的重要力学计算点。

1 尾矿库坝基滑移及稳定性分析

尾矿库的坝体是水工构筑物的主要承载和传载构件，由于坝体承受较大的荷载，不仅包括坝体的自重，还包括尾矿侧压力、渗透场压力等，对下部地基有较高的要求[4-6]。因此，一般大型的尾矿水工坝址都选在岩石地基上，水工岩石地基的特点是承受的荷载较大，且荷载涉及较大的岩体区域。尾矿水工构筑物的岩体地基的主要岩石力学问题是对坝基岩体进行承载稳定性评价。

1.1 尾矿库坝基滑移方式

尾矿库坝基滑移方式主要有3种失稳形式。

表层滑动破坏：坝基中的岩体剪切强度远远大于坝体与岩基基础面的强度，同时岩体坚固完整且无显著软弱结构面，大坝的失稳多沿接触面产生。

基岩结构面滑动：在基岩内存在节理、裂隙、软弱夹层，或存在其他不利稳定的结构面的情况下，产生的活动。

混合滑动破坏：坝体失稳时，一部分沿混凝土与岩基接触面滑动，另一部分则沿岩体中某一软弱结构面产生滑动。

1.2 尾矿库坝基稳定性分析

尾矿库重力坝是重要而常用的一种坝型，其特点是依靠坝体自身重量维持稳定[7-9]。一般情况下，尾矿库坝体与基岩接触面是一个薄弱环节，因此必须沿该接触面核算坝体的抗滑稳定性，尾矿库坝体受力如图1所示，结合图1进行力学计算，方法见抗剪强度公式(1)、抗剪断强度公式(2)。

图1 尾矿库坝体受力图

(1)

式中：V—由坝体传至岩基表面的总垂直荷载；H—坝体承受的总水平荷载；U—坝底抗压力；f—坝体混凝土与岩基接触面上的摩擦系数。

(2)

式中：f′—坝体混凝土坝基接触面的抗剪断摩擦系数；c—坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力；F—坝基截面积。

2 尾矿坝体的深层滑动稳定性计算

尾矿坝体岩基中经常存在各种不同形式的软弱结构面，当其产状易于导致坝体的滑动时，则坝体连同其下部的部分岩体将沿软弱面产生深层滑动[10]。

2.1 滑面倾向上游的情况

如图2所示，AB为岩基中倾向上游的软弱结构面，其倾角为α。当坝体在水平推力作用下，坝体连同其下的三角形块体ABC有可能沿软弱面AB产生滑动。作用于坝体的水平方向合力以H表示，其中包括冲击力、坝前淤积和泥沙水平推力以及上游渗透压力和上游压力；图中以V表示坝体的总垂直荷载以及三角形块体ABC的重量之和。分别计算滑动面上的抗滑力R以及滑动块体沿滑动方向的阻滑力S。

图2 尾矿库坝体坝基内滑面倾向上游的受力图

R=(Hsinα+Vcosα-U)f+cF

(3)

S=Hcosα-Vsinα

(4)

式中：f—滑动面上的断摩擦系数；c—粘结力；F—滑动面面积。由此可得抗滑安全系数如下。

(5)

2.2 滑面倾向下游的情况

滑面稳定性分析：如果尾矿库坝基内出现倾向下游滑面，此时必须验算坝下岩体沿此软弱面并通过另一可能滑面BC产生滑移的安全系数。由于BC面的位置是未知的，因此AB，BC结构面的不同组合将形成岩基中的各种可能滑面。坝体显然是沿抗滑稳定性最差的那一组合滑面产生滑动。在图3(a)所示情况中，显然组合滑面ABC的稳定性较差。

“等K法”计算抗滑力和滑动力：选用“等K法”计算深层滑动并对这种滑面进行稳定性分析时，首先将滑动块体ABC沿垂直面BD将其分割成左右两块。如图3(b)所示，作用于BD面上的推力以P表示，其大小、方向为未知，一般常假定P的作用线与滑面AB平行，这时各块体的受力情况如图3(c)所示。根据受力情况可分别计算块体(1)与块体(2)的抗滑力和滑动力。

块体(1)

图3 尾矿库坝体坝基内滑面倾向下游的受力图

抗滑力=(V1cosα-U1-Hsinα)f1+c1F1+P

(6)

滑动力=Hcosα+V1sinα

(7)

式中：V1—坝体的总垂直荷载与块体(1)的重量之和；H—作用于坝体的总水平荷载。

块体(2)

抗滑力=(V2cosβ+Psin(α+β)-U2)f2+c2F2

(8)

滑动力=Hcos(α+β)-V2sinβ

(9)

式中：V2—块体(2)的自重。

“等K法”计算抗滑安全系数：用“等K法”计算抗滑安全系数时，根据是否按块体极限状态计算分为两种方法。

第一，不按块体极限状态计算的“等K法”，在此方法中，不考虑块体(1)、(2)是否处于极限平衡状态。根据上式分别计算各块体的抗滑力与滑动力，并由此求出各块体的安全系数K1与K2。

(10)

在“等K法”中，认为各块体的抗滑安全系数相同，即K1=K2=K，因此联立求解式(10)，即可确定坝基的深层抗滑安全系数K。

第二，按块体极限状态计算的“等K法”。根据块体沿相应滑面处于极限状态来确定坝基的抗滑安全系数，即认为当滑面AB和BC上的抗剪指标c1,f1以及c2,f2降低K倍后，块体(1)、(2)则同时处于极限平衡状态。因此，如将式(10)中的抗剪指标c1,f1分别替换为c1/K与f1/K，于是可求得块体(1)处于极限平衡状态时的抗滑力与滑动力如下

(11)

滑动力=Hcosα-V1sinα

(12)

由于块体(1)处于极限平衡状态，由此可得

Hcosα+V1sinα

(13)

同理，对于块体(2)也可得以下极限平衡方程

Pcos(α+β)-V2sinβ

(14)

将上式联立求解，即可求得安全系数K。

3 模糊综合评价模型及治理方案

3.1 建立层次结构

评价指标体系：针对尾矿库水工结构设施采动影响评价及损害，进行综合分析，做出合理的判断，将其影响和采动建立层次结构，表1为尾矿库水工结构设施采动影响评价指标体系。

表1 尾矿库水工结构设施采动影响评价指标体系

表2 尾矿库水工结构设施采动影响评价AHP指标

注：B1-人类的生命和身心健康；B2-财富性的资源性资产；B3-人类赖以生存与发展的环境；C1-死亡；C2-受伤；C3-失踪；C4-建筑物；C5-各类设施设备；C6-家庭财产；C7-地质环境破坏；C8-环境污染；C9-生态环境破坏

3.2 确定评语集及各指标的隶属度

评语集的确定：在分析尾矿库水工结构设施采动影响时，可以将其分为一定的等级。在此，从“专家打分”的角度把评价的等级分为“10分”“8分”“6分”“4分”“2分”五个等级，因此评语集表示为：V={10分，8分，6分，4分，2分}。

确定各指标的隶属度：采用评委会评分法确定隶属度rij。若评委会有n个人，那么对某一科技成果，指标层中某一指标隶属于V中某一评语的隶属度表示为n，rij=对C中的某一因子ui，全体评委中评其为V中第j个等级的人数/n。由于C中的 9个指标按人类的生命和身心健康B1、财富性和资源性资产B2、人类赖以生存与发展的环境B3三个准则分成了三类。把每个类别中的元素作为一个整体来构造评价矩阵，如人类的生命和身心健康B1中的“死亡C1”“受伤C2”“失踪C3”对评语集V中的五个等级而言，按上述的定义可得到3×5矩阵R1，同样可得到R2，R3，表3为尾矿库水工结构设施采动影响评价隶属度指标。

3.3 综合评价

归一化处理：

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

其中，“∘”取算子M(·，⊕)：·定义为a·b=a×b=ab；⊕定义为a⊕b=(a+b)∧1。

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

对B进行归一化处理得

表3 尾矿库水工结构设施采动影响评价隶属度指标表

准则层的模糊综合评价：根据上述计算结果，可得图4。在分析尾矿库水工结构设施采动影响时，指标按人类的生命和身心健康B1、财富性和资源性资产B2、人类赖以生存与发展的环境B3三个准则进行分析。而通过上述计算，结合图4可得，人类的生命和身心健康B1有47.46%的程度下为10分值影响、财富性和资源性资产B2有42.11%的程度下为10分值影响、人类赖以生存与发展的环境B3有38.86%的程度下为10分值影响，从而可以得出尾矿库水工结构设施采动影响和损害对于人类的生命和身心健康是不容忽视的，而其次对于财富性和资源性资产也不容忽视，最后对于人类赖以生存与发展的环境也需加强监督和治理。

图4 尾矿库水工结构设施采动影响的准则层饼状图

目标层的模糊综合评价：目标层以尾矿库的损害造成的各类影响结果为基础，从其影响和损害的三大影响和与之关联的九大因素进行分析后可得B=(0.426 3,0.213 8,0.194 7,0.148 7,0.052 4)，图5为尾矿库水工结构设施采动影响目标层饼状图。

图5 尾矿库水工结构设施采动影响目标层饼状图

根据上述计算结果，结合图5可得，其中对于尾矿库的损害造成的各类影响结果，有41.45%的程度下为10分值影响；有20.64%的程度下为8分值影响；有18.79%的程度下为6分值影响；有14.35%的程度下为4分值影响；有5.06%的程度下为2分值影响；从而可得对于尾矿库的损害造成的各类影响结果是不容忽视的。

3.4 治理方案和策略

针对尾矿库的损害造成的各类影响结果的综合评价分析，可以制定以下对策和措施。

检修和加固：加强对尾矿库的检修和加固，针对有损坏征兆的尾矿库可以采取注浆、回填等方法进行修缮。

勘测和勘查：在建设尾矿库前，对周边人文、地理、地质环境进行充分的勘测和勘查，尽可能将尾矿库建在人类活动少、损害程度最低的位置。

综合检测：建立综合监测机制，如：沉降监测、边坡监测、测斜监测等，做到预防机制下的综合检测，减少尾矿库水工结构设施的突发损坏的影响。

环境治理：做好人类赖以生存与发展的环境的检测和治理，保障尾矿库周边范围内环境达标，避免因环境的影响所造成的损害和损失。

4 结语

针对尾矿库水工结构设施的采动造成的主要影响和损害，对坝基岩体承载稳定性进行了岩石力学公式推导和计算，对尾矿库的坝基稳定性进行了力学分析，并对尾矿坝体的深层滑动稳定性中的滑面倾向上游和滑面倾向下游的情况进行了受力分析和力学公式推论。以尾矿库的损害造成的各类影响结果为基础，结合与之关联的九大因素，运用模糊综合评价模型，得出10分值评价下，人类的生命和身心健康B1是尾矿库水工结构设施的采动造成的主要影响和损害，占47.46%；财富性和资源性资产B2次之，占42.11%；人类赖以生存与发展的环境B3最小，占38.86%。针对各类影响结果的综合评价分析，提出治理方案和策略，进一步完善尾矿库水工结构设施的采动造成的主要影响和损害分析和评价，实现定性分析和定量计算的有机结合。