尾礦壩地震穩(wěn)定性分析的區(qū)間模型及應(yīng)用

董隴軍，趙國(guó)彥，宮鳳強(qiáng)，李志國(guó)

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

尾礦壩地震穩(wěn)定性分析的區(qū)間模型及應(yīng)用

董隴軍，趙國(guó)彥，宮鳳強(qiáng)，李志國(guó)

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

在尾礦壩地震穩(wěn)定性分析中，為適應(yīng)計(jì)算參數(shù)本身具有的隨機(jī)性和未確知性，將計(jì)算參數(shù)轉(zhuǎn)換成盲數(shù)形式；針對(duì)尾礦壩地震穩(wěn)定的極限平衡分析問(wèn)題，提出一種計(jì)算尾礦壩安全系數(shù)的新方法，并將該模型應(yīng)用到某尾礦壩的地震穩(wěn)定性分析中。實(shí)際分析結(jié)果表明：運(yùn)用盲數(shù)運(yùn)算法則可以計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)在不同取值區(qū)間內(nèi)的可信度，克服了傳統(tǒng)方法描述過(guò)于絕對(duì)化的問(wèn)題，為判斷尾礦壩的穩(wěn)定狀態(tài)提供了更全面的依據(jù)；該尾礦壩邊坡安全系數(shù)低于1.3的可能性為13%，即在發(fā)生烈度為Ⅶ度的地震時(shí)該尾礦壩安全的可能性為87%，失穩(wěn)的可能性較小，與實(shí)際情況相吻合；盲數(shù)理論在尾礦壩地震穩(wěn)定性分析中能更好地考慮參數(shù)的不確定性，完善了尾礦壩穩(wěn)定性分析理論，為尾礦壩穩(wěn)定性的分析提供了一條新的途徑。

尾礦壩工程；區(qū)間分析模型；盲數(shù)；地震穩(wěn)定性；安全系數(shù)

尾礦壩工程中物理力學(xué)參數(shù)的選取是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，存在大量的不確定性因素。穩(wěn)定性分析所涉及的參數(shù)如黏聚力、內(nèi)摩擦角、重度等往往不是定值，屬于不確定性信息。在傳統(tǒng)的尾礦壩地震穩(wěn)定性的分析中，大多是按照經(jīng)驗(yàn)，忽略了計(jì)算參數(shù)的未確知性，將不確定性問(wèn)題作為確定性問(wèn)題考慮[1?7]。這些不確定

性信息包括隨機(jī)性、模糊性、灰性、未確知性等，相應(yīng)的表達(dá)處理理論為概率統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)、灰色數(shù)學(xué)、未確知數(shù)學(xué)等。如何全面考慮這些不確定性信息，提高計(jì)算的可靠性成為工程技術(shù)人員關(guān)心的問(wèn)題，為此，許多研究者進(jìn)行了大量地探索和研究[8?16]。劉開(kāi)弟等[17]建立了未確知數(shù)學(xué)的理論體系，董隴軍等[5?9]將未確知測(cè)度理論發(fā)展到邊坡的地震穩(wěn)定性分析、膨脹土等級(jí)判定、采空區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、圍巖穩(wěn)定性分析等領(lǐng)域，取得了較好的效果。李朝甫等[2]將灰色系統(tǒng)理論用于滑坡位移分析中；徐衛(wèi)亞等[3]將模糊集理論應(yīng)用到邊坡穩(wěn)定分析常用的極限平衡方法中，建立了穩(wěn)定性分析的模糊計(jì)算方法；周建普等[4]將邊坡定值分析法與可靠性方法結(jié)合，考慮土性參數(shù)的變異性和不確定性。趙志峰等[1]將盲數(shù)理論應(yīng)用到邊坡安全穩(wěn)定分；析研究中。但是，這些研究大都是邊坡工程方面的，關(guān)于尾礦壩方面的研究較少。實(shí)際情況的限制和地質(zhì)條件的復(fù)雜性使得很難對(duì)巖土體進(jìn)行大量、準(zhǔn)確的試驗(yàn)，從而難以得到參數(shù)的準(zhǔn)確值或概率分布，因此，在使用模糊數(shù)學(xué)等方法的過(guò)程中難以確定參數(shù)值合理的隸屬函數(shù)，給求解帶來(lái)了困難[1]?；疑碚撝袇^(qū)間型灰數(shù)多是定義在一個(gè)區(qū)間內(nèi)，可靠性分析方法也需要用大量的試驗(yàn)資料來(lái)確定參數(shù)的變異性等不確定性指標(biāo)?？紤]到以上問(wèn)題以及尾礦壩工程中參數(shù)的不確定性往往是多種不確定性(如模糊性和隨機(jī)性)的混合；因此，采用一種新的數(shù)學(xué)方法來(lái)表達(dá)多種信息的不確定性顯得尤為必要，即可以表示含有隨機(jī)性、模糊性、灰性及未確知性中2種或2種以上不確定性的信息[17]，在這方面盲數(shù)理論提供了較好的思路。在此，本文作者基于極限平衡分析方法及盲數(shù)理論建立尾礦壩地震穩(wěn)定性分析的區(qū)間模型。

1 盲數(shù)的基本原理

盲數(shù)是未確知數(shù)學(xué)中用于表達(dá)和處理同時(shí)具有 2種或2種以上不確定性信息的數(shù)學(xué)工具[17]。

1.1 盲數(shù)的定義

1.2 盲數(shù)的期望值

設(shè)a和b為實(shí)數(shù)，且a≤b。稱(a+b)/2為區(qū)間型灰數(shù)[a,b]的“心”，記作 Θ[a ,b]= (a+b)/2。若f(x)為盲數(shù)，且表達(dá)形式見(jiàn)式(1)，則盲數(shù)f(x)的期望值可以表示為

1.3 盲數(shù)的四則運(yùn)算

設(shè)A與B為盲數(shù)，以加法為例，表1中稱A與B為可能值帶邊和矩陣，由小到大排列的實(shí)數(shù)列x1,x2, …,xk和y1,y2, …,ym分別稱為A與B的可能值序列，且分別稱為帶邊矩陣的縱邊和橫邊，互相垂直的直線分別稱為帶邊矩陣的橫軸和縱軸。

表1 A與B的可能值帶邊和矩陣Table 1 Sum matrix of A and B for probability

對(duì)照盲數(shù)加法定義，只需把和運(yùn)算中的可能值帶邊和矩陣中的“和”改為相應(yīng)的減、乘、除，從而把可能值帶邊和矩陣變?yōu)榭赡苤祹н厹p、乘、除矩陣，其他不變，即可得到未確知有理數(shù)積的定義。

1.4 盲數(shù)的可信度計(jì)算

表 2所示為A和B的可信度帶邊積矩陣，f(x1),f(x2), …,f(xk)和g(y1),g(y2), …,g(ym)分別稱為A和B的可信度序列，且分別稱為帶邊矩陣的縱邊和橫邊，互相垂直的直線分別稱為帶邊矩陣的橫軸和縱軸。

設(shè)A和B為盲數(shù)，分別表示為分布密度形式，即

表2 A和B的可信度帶邊積矩陣Table 2 Product matrix of A and B for reliability

則事件A/B≥r的可信度表示為

式中：B表示某一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)閾值，一般為實(shí)數(shù)值形式；r是按實(shí)際問(wèn)題要求而確定的某個(gè)已知實(shí)數(shù)。

2 地震荷載下尾礦壩穩(wěn)定性分析的區(qū)間模型

尾礦壩的設(shè)計(jì)以及安全評(píng)價(jià)過(guò)程中均需要進(jìn)行地震情況下的穩(wěn)定性驗(yàn)算。地震附加荷載可分解為水平附加荷載Ei和豎向附加荷載Ei′，計(jì)算公式分別為：

式中：C為地震綜合影響系數(shù)，常取用C=0.25；Wi為第i分條的質(zhì)量；ai和ai′分別為水平與豎向地震加速度分布系數(shù)；Kc表示水平地震系數(shù)，為地面最大地震平均加速度與重力加速度之比，即 Kc=ai/g；表示豎向地震系數(shù)，=2Kc/3。

根據(jù)已有研究成果及規(guī)程[18]，對(duì)于土質(zhì)或巖質(zhì)邊坡，其變形破壞模式可按圓弧形破壞方式進(jìn)行研究[1]。對(duì)尾礦壩而言，在其正常運(yùn)行期間，浸潤(rùn)線通常介于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面和坡面之間，此時(shí)的尾礦壩穩(wěn)定性驗(yàn)算必須考慮浸潤(rùn)線的影響，下面給出此種最常見(jiàn)情況下結(jié)構(gòu)抗力A以及荷載效應(yīng)B的計(jì)算公式。

為盡可能得到最精確的計(jì)算結(jié)果，需考慮動(dòng)水力的作用。但是，動(dòng)水力方向與垂直分條的豎直方向并不一致，故不能簡(jiǎn)單地套用土條重力的處理方法。實(shí)際上，采用圓弧法分析邊坡穩(wěn)定性本質(zhì)上是考量滑動(dòng)力矩與抗滑力矩的相對(duì)大小，考慮動(dòng)水力時(shí)的尾礦壩結(jié)構(gòu)抗力及荷載效應(yīng)表達(dá)為抗滑力矩和滑動(dòng)力矩。由于動(dòng)水力的位置和作用方向均容易確定，因此，運(yùn)用力矩進(jìn)行處理還起到了簡(jiǎn)化分析計(jì)算的效果。

圖1 考慮地震和浸潤(rùn)線作用的尾礦壩圓弧破壞剖面圖Fig.1 Slope section of arc of destruction considering impact of tailings dam infiltration and seism

如圖1所示，坡面方程為g(x)，圓弧形滑動(dòng)面方程為y(x)，浸潤(rùn)線efg的方程為ω(x)。設(shè)浸潤(rùn)線、坡面以及圓弧滑動(dòng)面所圍部分(fgBf)的面積為W，作用在這部分壩體上的動(dòng)水力合力為D，則D的作用點(diǎn)在面積fgBf的形心，作用方向可假定與fg平行(如圖中箭頭所示)，動(dòng)水力對(duì)滑動(dòng)面圓心的力臂為L(zhǎng)1。h1i和h2i分別表示采用垂直分條分析尾礦壩穩(wěn)定性時(shí)浸潤(rùn)線之上部分與浸潤(rùn)線之下部分的土條長(zhǎng)度。動(dòng)水力可按下式計(jì)算：

式中：GD表示作用在單位體積壩體上的動(dòng)水力；w為水的重度；I為在面fgBf范圍內(nèi)的水頭梯度平均值，可近似假設(shè)I等于fg連線的坡度。

實(shí)際計(jì)算第i個(gè)土條的質(zhì)量Wi時(shí)，若計(jì)算抗滑指標(biāo)，則在浸潤(rùn)線之下部分應(yīng)考慮水的浮力作用；若計(jì)算滑動(dòng)指標(biāo)，則采用飽和容重。于是，考慮浸潤(rùn)線后的尾礦壩結(jié)構(gòu)抗力A的計(jì)算公式可表示為：式中：i為第i分條底面與水平面的夾角；li為第i分條底面弧長(zhǎng)；Wi為第i分條質(zhì)量； 和sat分別為尾礦天然重度和飽和重度；c′和f′分別為尾砂的有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦因數(shù)。

荷載效應(yīng)B的計(jì)算公式可表示為：尾礦壩結(jié)構(gòu)抗力A和荷載效應(yīng)B的區(qū)間數(shù)分別為：

3 實(shí)例應(yīng)用研究

某尾礦庫(kù)的等級(jí)為二等庫(kù)，堆積壩尾礦主要由尾細(xì)砂、尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土堆積而成，局部出現(xiàn)少量尾中砂。其地震基本烈度為Ⅶ度。采用上游法堆壩，堆積邊坡為1：6。最終總壩高210 m，最終堆積標(biāo)高為1.3 km，總庫(kù)容為1.84×108m3，有效庫(kù)容為1.6×108m3，依據(jù)該尾礦壩的工程勘察報(bào)告，尾礦壩的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3[16]。

根據(jù)式(11～13)，經(jīng)計(jì)算得：尾礦壩安全系數(shù)F的取值介于0.91與1.10之間的可能性為3%；介于1.11與1.29之間的可能性為10%；介于1.30與1.97之間的可能性為53%；介于1.98與2.86之間可能性為27%；介于2.87與3.22之間的可能性為0.07。通過(guò)以上分析可見(jiàn)：該尾礦壩安全系數(shù)取值在1.30以下的可能性為13%。與傳統(tǒng)極限分析定值方法相比，這種表示方式全面地反映了在各個(gè)不同取值區(qū)間的可能性，避免了由于參數(shù)取值單一而造成的計(jì)算安全系數(shù)時(shí)的偏差，從而能更全面地判斷邊坡的安全穩(wěn)定狀態(tài)，完善了尾礦壩穩(wěn)定性分析理論。

表3 尾礦壩物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical indicators of tailings dam

根據(jù)該尾礦壩邊坡工程的重要性等級(jí)和《規(guī)程》[18]，此尾礦壩邊坡的允許安全系數(shù)可以取為1.30。采用式(3)可以計(jì)算出F小于 1.30的概率為P(F＞1.3)=0.03+0.10=0.13=13%，由此可知，該尾礦壩邊坡安全系數(shù)低于1.3的可能性為13%，即在發(fā)生烈度為Ⅶ度的地震時(shí)該尾礦壩的安全性為87%，失穩(wěn)的可能性較小，這一點(diǎn)與實(shí)際情況相吻合。在2008—08—30，該尾礦壩所在區(qū)域也發(fā)生了5.0級(jí)地震，壩體穩(wěn)定性良好，未發(fā)生滑坡或失穩(wěn)現(xiàn)象。盡管尾礦壩目前安全狀況較好，但也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，主管部門要重視尾礦壩的安全設(shè)施的維護(hù)，在后期筑壩的過(guò)程中應(yīng)該采取更加合理的筑壩方式，增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)實(shí)際尾礦壩工程中參數(shù)的不確定性和試驗(yàn)資料的有限性，基于極限平衡分析方法及盲數(shù)理論建立了尾礦壩穩(wěn)定性分析的區(qū)間模型。該模型可以充分考慮分析中所涉及的計(jì)算參數(shù)的不確定性，將安全系數(shù)用盲數(shù)形式表達(dá)。

(2) 與傳統(tǒng)極限平衡分析方法相比，尾礦壩地震穩(wěn)定性分析的區(qū)間模型可以實(shí)現(xiàn)將安全系數(shù)可能的各種情況用可信度表示，從而得到較為全面的結(jié)果，給安全穩(wěn)定評(píng)判提供了較充分的依據(jù)，完善了尾礦壩穩(wěn)定性分析理論。

(3) 該尾礦壩邊坡安全系數(shù)低于 1.3的可能性為13%，表明存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，主管部門要重視尾礦壩的安全設(shè)施的維護(hù)，在后期筑壩的過(guò)程中應(yīng)該改進(jìn)的筑壩方式，加強(qiáng)浸潤(rùn)線的觀測(cè)，以便增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性。

(4) 盲數(shù)理論在在尾礦壩穩(wěn)定性分析中的研究還只是初步嘗試，在今后的研究工作中，在如何更為有效地確定合理的力學(xué)參數(shù)取值區(qū)間、條分?jǐn)?shù)等問(wèn)題方面有待進(jìn)一步研究，以增強(qiáng)該方法在實(shí)際工程中的適用性和可推廣性。

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(編輯 趙俊)

Interval analysis model of tailings dam seismic stability and its application

DONG Long-jun, ZHAO Guo-yan, GONG Feng-qiang, LI Zhi-guo

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The calculation parameters including the mixture of multi uncertainty were transformed to the blind data to express the uncertainty of the calculation parameters in the tailings dam engineering. The theory of blind information was applied to the rigid limiting equilibrium method for tailings dam seismic stability. A new method of safety factor was applied to the seismic stability analysis of a tailings dam. The results show that the corresponding confidence level of safety factor at different numerical value intervals can be calculated by blind data algorithms. The more comprehensive result is provided to judge the stability state of tailings dam consequently, overcoming the defect of absolutely definitive description in the traditional methods. The tailings dam slope safety factor is less than 1.3, and the corresponding possibility is 13%, indicating that the probability of the tailing dam safety is 87% in the event of seismic intensity of Ⅶdegrees, which is consistent with the actual situation. It is a new way to analyze seismic stability of tailing dams, and the result is more detailed and reliable.

tailings dam engineering; interval analysis model; blind data; seismic stability; safety factor

TV649；TD926.4

A

1672?7207(2011)01?0164?06

2010?09?06；

2010?12?21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50934006)；中南大學(xué)學(xué)位論文創(chuàng)新項(xiàng)目(1343-74335000020)

董隴軍(1984?)，男，甘肅隴西人，博士研究生，從事采礦與巖土工程可靠性及災(zāi)害控制研究；電話：18711191205；E-mail: csudlj@163.com