尾礦庫(kù)安全實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)方法研究初探

韓志磊，蘇 軍，楊小聰

（北京礦冶研究總院，北京100160）

尾礦庫(kù)是重大的工業(yè)危險(xiǎn)源，其安全管理至關(guān)重要。隨著國(guó)家安監(jiān)部門(mén)重視度的提高和相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，尾礦庫(kù)安全管理工作有了很大提高，主要體現(xiàn)在尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的普遍應(yīng)用。針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀，借助尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)資料的深入分析來(lái)評(píng)價(jià)尾礦庫(kù)的安全性就成為了一項(xiàng)重要工作。目前，基于尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)資料的研究大多是針對(duì)單項(xiàng)目（如壩體位移、浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)）、單測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)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(duì)尾礦庫(kù)壩體位移、浸潤(rùn)線等進(jìn)行分析預(yù)測(cè)［1－2］，結(jié)合監(jiān)測(cè)資料對(duì)尾礦庫(kù)安全性態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少。單測(cè)點(diǎn)數(shù)學(xué)模型在反映尾礦庫(kù)整體安全性態(tài)方面，還存在一定局限性，因此通過(guò)多項(xiàng)目、多測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及定性巡查資料對(duì)尾礦庫(kù)安全性態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)很有必要。

相對(duì)于尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析評(píng)價(jià)研究落后的現(xiàn)狀，水庫(kù)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(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)相關(guān)理論，同時(shí)考慮尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及數(shù)據(jù)分析的具體情況，構(gòu)建了尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)體系，研究了尾礦庫(kù)安全實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)方法。

1 實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)方法研究

1.1 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)涉及壩體位移、浸潤(rùn)線、干灘、庫(kù)水位、降雨量等項(xiàng)目，巡視檢查包括尾礦壩安全檢查、庫(kù)區(qū)安全檢查及防洪安全檢查。與水庫(kù)大壩不同，尾礦庫(kù)的整個(gè)運(yùn)行期也是其建設(shè)期，運(yùn)行情況變化較快，因此，對(duì)尾礦庫(kù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析非常重要，尤其是汛期的短時(shí)實(shí)施評(píng)價(jià)極為關(guān)鍵。尾礦庫(kù)評(píng)價(jià)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(kù)運(yùn)行環(huán)境的特殊性、系統(tǒng)化監(jiān)測(cè)設(shè)置及針對(duì)性分析研究相對(duì)較晚等狀況，所以尾礦庫(kù)綜合評(píng)價(jià)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)安全的綜合評(píng)價(jià)，資料不完善時(shí)可以實(shí)現(xiàn)針一些針對(duì)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)分析。本文根據(jù)尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)狀況，結(jié)合尾礦庫(kù)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)及巡查資料，構(gòu)建多層次、多指標(biāo)尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)體系如圖1［3－4］所示。

圖1 尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 綜合評(píng)價(jià)集

由《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》可知，尾礦庫(kù)安全度主要根據(jù)尾礦庫(kù)防洪能力和尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性確定，分為危庫(kù)、險(xiǎn)庫(kù)、病庫(kù)、正常庫(kù)四級(jí)［5］。除正常庫(kù)外，前三類只是病險(xiǎn)程度不同而已。規(guī)范中對(duì)安全度的模糊界定造成安監(jiān)部門(mén)或評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的尾礦庫(kù)安全評(píng)價(jià)結(jié)果具有很大人為性。

評(píng)價(jià)指標(biāo)的度量與評(píng)價(jià)等級(jí)相聯(lián)系，若等級(jí)數(shù)量劃分過(guò)少，將失于粗略，不利于尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)的真實(shí)合理反映；若等級(jí)數(shù)量劃分過(guò)多，又會(huì)使確定等級(jí)間界限的難度和計(jì)算工作量加大。本文參考大壩結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)中綜合評(píng)價(jià)集的劃分方法，同時(shí)結(jié)合尾礦庫(kù)安全規(guī)范中安全度的定義，將尾礦庫(kù)安全等級(jí)分為以下四個(gè)等級(jí)：安全、基本安全、不安全、很不安全［6］。用數(shù)學(xué)語(yǔ)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(píng)價(jià)指標(biāo)度量方法

1.3.1 定量指標(biāo)度量方法

對(duì)于不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，安全各等級(jí)的意義不同，因此評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分也不一樣。尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)中，有的指標(biāo)有明確的特征值，有的沒(méi)有明確規(guī)定的特征值。在指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分時(shí)，針對(duì)兩種情況采用不同的處理方式。

1）有明確特征值指標(biāo)。評(píng)價(jià)等級(jí)可根據(jù)其特征值來(lái)劃分，例如浸潤(rùn)線、安全超高、干灘長(zhǎng)度、降雨量等指標(biāo)?！段驳V設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)上游式尾礦堆積壩最小安全超高和最小灘長(zhǎng)、下游式和中線式尾礦壩最小灘長(zhǎng)以及尾礦堆積壩下游坡浸潤(rùn)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(jí)劃分。降雨量監(jiān)測(cè)常用降雨強(qiáng)度表示，我國(guó)氣象部門(mén)一般采用的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)（24小時(shí)計(jì)）如下。結(jié)合本研究中尾礦庫(kù)安全評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分以及降雨量等級(jí)特征值，將降雨分為如下幾個(gè)等級(jí)。

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

表1 尾礦庫(kù)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)

2）對(duì)于沒(méi)有明確特征值的指標(biāo)。尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)中，有些指標(biāo)沒(méi)有明確的特征值，如壩體位移、滲流量等。對(duì)于這些指標(biāo)，可以運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，結(jié)合置信水平對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行安全等級(jí)劃分，主要是將監(jiān)測(cè)值與監(jiān)測(cè)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)值的安全度［8］。

1.3.2 定性指標(biāo)度量方法

尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)的綜合評(píng)價(jià)既包括對(duì)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、不同測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析評(píng)價(jià)，也包括對(duì)巡視檢查內(nèi)容的定量評(píng)價(jià)。尾礦庫(kù)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(lái)表達(dá)，一般只能進(jìn)行定性描述，因此，對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行量化分析，一般采用專家評(píng)分方法，即根據(jù)尾礦庫(kù)安全評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，無(wú)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(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)獨(dú)立地對(duì)各定性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分（記專家對(duì)定性指標(biāo)的評(píng)分為），然后通過(guò)對(duì)位專家的評(píng)分進(jìn)行綜合而得到。目前常用的專家評(píng)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(duì)于有明確特征值的評(píng)價(jià)指標(biāo)（如浸潤(rùn)線、安全超高，干灘長(zhǎng)度，降雨量等）采用模糊統(tǒng)計(jì)的方式計(jì)算他們的隸屬度；對(duì)于沒(méi)有明確的特征值的指標(biāo)，借助統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，采取的形式，通過(guò)值的不同來(lái)區(qū)別不同的安全等級(jí)，運(yùn)用模糊統(tǒng)計(jì)方法確定其隸屬度。

上面已經(jīng)詳細(xì)介紹了各評(píng)價(jià)因素的各級(jí)特征值，并結(jié)合各級(jí)特征值對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的安全等級(jí)進(jìn)行了具體劃分。因此，對(duì)具體評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)的監(jiān)測(cè)值而言，其對(duì)應(yīng)的各安全等級(jí)隸屬度計(jì)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(duì)于不同的評(píng)價(jià)對(duì)象和不同的評(píng)價(jià)等級(jí)ki取值不同。rij（j＝1，2，3，4）為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，c為所有監(jiān)測(cè)值，n為評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)監(jiān)測(cè)值數(shù)目，vj（j＝1，2，3，4）為對(duì)應(yīng)的各安全等級(jí)。

1.5 權(quán)重的確定

尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)目標(biāo)的貢獻(xiàn)程度可用權(quán)值進(jìn)行界定，對(duì)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(kù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目眾多，層次也有所不同，所以其評(píng)價(jià)以多級(jí)綜合評(píng)價(jià)為主。

根據(jù)多層次綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可以得到評(píng)價(jià)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(zhǎng)度，安全高差，降雨得｝，U4＝｛u9，u10，u11｝＝｛防洪檢查，壩體檢查，庫(kù)區(qū)檢查｝。

第二層評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)因素。通過(guò)對(duì)不同指標(biāo)間的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析，建立符合實(shí)際情況的層次結(jié)構(gòu)圖。目標(biāo)層位于最高層，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的具體指標(biāo)位于最底層。

實(shí)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(duì)尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)的層次性，可采用層次分析法來(lái)確定各個(gè)評(píng)價(jià)因素相對(duì)于評(píng)價(jià)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(cè)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(duì)尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)實(shí)際，可將主客觀賦權(quán)結(jié)合使用，充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)資料和專家的作用，使綜合評(píng)價(jià)結(jié)果更為可靠［10］。

1.6 綜合評(píng)價(jià)方法

尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果是一個(gè)模糊的概念，綜合評(píng)價(jià)等級(jí)中安全、基本安全、不安全、很不安全之間，本質(zhì)上并沒(méi)有嚴(yán)格的界定。要對(duì)這樣一個(gè)模糊概念進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)模型總的表達(dá)式為［11］B＝（b1，b2，…，bn）＝W°R。式中：W是由m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值wi（i＝1，2，…，m）所形成的向量；R是由評(píng)價(jià)指標(biāo)ui對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)vj的隸屬度rij所形成的隸屬度矩陣；B是模型的評(píng)價(jià)結(jié)果形成的向量；“°”表示某種綜合評(píng)價(jià)運(yùn)算。

2 工程實(shí)例

以某尾礦庫(kù)為實(shí)例，驗(yàn)證本文所提方法的可行性和實(shí)用性。該尾礦庫(kù)為河谷型尾礦庫(kù)，采用上游式筑壩。2009年該尾礦庫(kù)建立了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括壩體變形監(jiān)測(cè)、浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)、干灘監(jiān)測(cè)以及降雨量監(jiān)測(cè)等。該自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)對(duì)尾礦庫(kù)主要技術(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)了解尾礦庫(kù)在運(yùn)行期間的安全狀態(tài)。以該尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)位移、浸潤(rùn)線埋深、干灘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)尾礦庫(kù)安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，考慮到實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)對(duì)尾礦庫(kù)運(yùn)行安全的重要性，采用某一分析時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，本次選擇2010年9月份作為分析評(píng)價(jià)時(shí)段。采用層次分析法計(jì)算綜合評(píng)價(jià)權(quán)值，結(jié)合該尾礦庫(kù)實(shí)際狀況，確定層次分析法的判斷矩陣。

計(jì)算得到尾礦庫(kù)安全實(shí)測(cè)性態(tài)評(píng)價(jià)因素集（壩體位移、浸潤(rùn)線埋深、干灘）的權(quán)重向量為W＝（0.2671，0.3425，0.3904）。

對(duì)于壩體位移、浸潤(rùn)線埋深、干灘長(zhǎng)度這三類評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分，采用模糊統(tǒng)計(jì)方法，求得該監(jiān)測(cè)時(shí)段隸屬度矩陣。

采用加權(quán)平均型評(píng)判模型得到綜合評(píng)判矩陣。

根據(jù)最大隸屬度原則，最大值出現(xiàn)在評(píng)判集，即分析時(shí)段內(nèi)尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)為安全，這與尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)人員巡視檢查評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。

3 結(jié)語(yǔ)

尾礦庫(kù)安全實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)是一個(gè)多層次、多指標(biāo)的復(fù)雜分析評(píng)價(jià)問(wèn)題，涉及到多項(xiàng)目、多測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的綜合分析以及定性資料的定量評(píng)價(jià)。本文根據(jù)尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)實(shí)施現(xiàn)狀，構(gòu)建了尾礦庫(kù)安全實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究。主要討論了綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和綜合評(píng)價(jià)集的確定、綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的度量方法、權(quán)值的確定以及綜合評(píng)價(jià)方法。以某尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)資料為例，對(duì)該方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，該方法為尾礦庫(kù)安全實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)提供了新的方法和思路。本方法將大壩實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)理論應(yīng)用于尾礦庫(kù)工程實(shí)際，同時(shí)結(jié)合尾礦庫(kù)工程實(shí)際及相關(guān)規(guī)范，針對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)性態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，比以往定性評(píng)價(jià)及單指標(biāo)分析評(píng)價(jià)更加客觀，對(duì)尾礦庫(kù)安全管理具有一定的指導(dǎo)意義。

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