基于改進(jìn)物元可拓模型的透水堆石壩穩(wěn)定性分析

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 工程概況

弓長嶺尾礦壩位于遼寧省遼陽市弓長嶺區(qū)平山鎮(zhèn)境內(nèi)，距離鎮(zhèn)政府所在地平山鎮(zhèn)約2km。該尾礦壩始建于20世紀(jì)50年代，初期壩型為透水堆石壩，主要建筑物包括基礎(chǔ)壩和排水設(shè)施。該尾礦壩的壩頂高程為420.00m，最大壩高75m，壩頂長205m。壩體上游面設(shè)置由土工布和砂礫石料組成的反濾層以及排水盲溝，壩體堆石料為質(zhì)地堅(jiān)硬的中風(fēng)化和微風(fēng)化安山巖。壩址區(qū)的溝谷為典型的V字結(jié)構(gòu)，高程在394.50～486.20m之間，屬于典型的低山侵蝕型谷地。壩址區(qū)的基巖巖層受構(gòu)造應(yīng)力作用，節(jié)理裂隙較發(fā)育。壩址區(qū)屬于湯河水系，主要地表水為小細(xì)河與西溝溝內(nèi)溪水，地下水為第四系碎石層潛水。

2 透水堆石壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

2.1 改進(jìn)物元可拓模型

可拓學(xué)理是我國于20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，是通過對(duì)客觀事物發(fā)展規(guī)律與可能性的深入發(fā)掘，達(dá)到事物之間矛盾的有效解決的創(chuàng)新學(xué)科[1]。物元理論的基本思想是將客觀世界中的事物和事件之間的聯(lián)系轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，以研究客觀事物的可拓性及內(nèi)在變化規(guī)律。物元理論與可拓理論的有效結(jié)合，可以通過對(duì)研究對(duì)象的特征與聯(lián)系進(jìn)行定性與定量的方法轉(zhuǎn)化為經(jīng)典域、值域和評(píng)價(jià)等級(jí)，并基于可拓理論對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的等級(jí)進(jìn)行準(zhǔn)確定位[2]。

本次研究的透水堆石壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是一項(xiàng)涉及諸多影響因素的復(fù)雜性工作，物元可拓法與傳統(tǒng)方法相比具有多因子評(píng)價(jià)過程中的諸多優(yōu)越性，例如，可以克服層次分析法中的主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響；結(jié)果存在多種可能，并非傳統(tǒng)研究方法在結(jié)果上的非黑即白，因此，在解決矛盾性問題上具有顯著優(yōu)勢和較強(qiáng)的適應(yīng)性[3]。將改進(jìn)物元可拓法用于透水堆石壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，首先需要確定透水堆石壩穩(wěn)定性的各項(xiàng)分級(jí)指標(biāo)，利用隸屬函數(shù)計(jì)算出各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度，并以此為基礎(chǔ)建立典域、節(jié)域以及待評(píng)物元，然后利用關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算單因素的綜合關(guān)聯(lián)度，確定各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響程度，最后計(jì)算變量特征值，確定壩體的穩(wěn)定性等級(jí)[4]。

2.2 透水堆石壩穩(wěn)定性等級(jí)

對(duì)透水堆石壩穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜工作，會(huì)受到壩體、各種設(shè)施以及管理等多種因素的影響。因此，需要集合各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響，形成綜合性等級(jí)評(píng)價(jià)。當(dāng)前，對(duì)壩體穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)尚無嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，因此出現(xiàn)了多種等級(jí)劃分方式。其中有代表性的是按照壩體安全等級(jí)進(jìn)行四級(jí)劃分以及按照我國尾礦壩安全技術(shù)規(guī)程進(jìn)行五級(jí)劃分[5]。本次研究采用四級(jí)劃分，分別劃分為Ⅰ級(jí)(穩(wěn)定)、Ⅱ級(jí)(基本穩(wěn)定)、Ⅲ級(jí)(不穩(wěn)定)、Ⅳ級(jí)(極不穩(wěn)定)，對(duì)應(yīng)正常大壩、病壩、險(xiǎn)壩以及危壩四個(gè)不同狀態(tài)。

2.3 透水堆石壩穩(wěn)定性指標(biāo)分級(jí)

為了對(duì)透水堆石壩的穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，需要按照科學(xué)性、系統(tǒng)性和可操作性的原則選取評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]。結(jié)合相關(guān)研究成果以及壩體失穩(wěn)事故的具體分析，研究確定由19個(gè)具體指標(biāo)組成的穩(wěn)定性指標(biāo)體系[7]。對(duì)上述指標(biāo)體系中的所有指標(biāo)進(jìn)行具體分析，以選擇衡量的具體方式，進(jìn)而將其分為定性和定量分析兩大類，其中11個(gè)為定量指標(biāo)、8個(gè)為定性指標(biāo)。根據(jù)壩體安全技術(shù)規(guī)程、工程經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)專家的評(píng)價(jià)確定19個(gè)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。表1中的前11個(gè)指標(biāo)為定量型指標(biāo)，可以根據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合透水堆石壩的實(shí)際情況給出具體數(shù)據(jù)；后8個(gè)指標(biāo)為定性型指標(biāo)，可以根據(jù)相關(guān)研究成果和專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行打分，并劃分出等級(jí)。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表

2.4 穩(wěn)定性指標(biāo)隸屬度

在透水堆石壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)過程中，由于指標(biāo)的量綱存在不同，會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成影響甚至使評(píng)價(jià)結(jié)果失效，進(jìn)而無法進(jìn)行綜合穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[8]。因此，本次研究中通過構(gòu)建隸屬度函數(shù)，求出無量綱指標(biāo)隸屬值，以保證穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的順利進(jìn)行。對(duì)上述19個(gè)指標(biāo)的具體特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)部分指標(biāo)屬于越大越有利，而部分指標(biāo)則屬于越小越有利，因此研究中根據(jù)兩種指標(biāo)的數(shù)值特征，構(gòu)建出待求物元的公式，以確定兩種隸屬函數(shù)。根據(jù)隸屬函數(shù)計(jì)算表1中各個(gè)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬值范圍，結(jié)果見表2。在具體工程分析中，根據(jù)指標(biāo)實(shí)測數(shù)值計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的隸屬值，根據(jù)表2中的隸屬值等級(jí)范圍對(duì)壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行衡量。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬值等級(jí)范圍

續(xù)表

3 弓長嶺尾礦壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

研究中搜集了弓長嶺尾礦壩的施工組織設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室測量數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場勘測資料，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的專家打分，獲得19個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測數(shù)值。以實(shí)測數(shù)值為基礎(chǔ)，根據(jù)構(gòu)建的模型，計(jì)算弓長嶺尾礦壩各指標(biāo)的單因素綜合關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見3。由表3的計(jì)算結(jié)果可知，本文所選取的19個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中無一指向壩體的極不穩(wěn)定狀態(tài)，說明壩體的穩(wěn)定性良好。但是，在19個(gè)指標(biāo)中，有1個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)為Ⅲ級(jí)，12個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)為Ⅱ級(jí)，因此，對(duì)這些指標(biāo)需要尋找背后的問題，并采取必要措施，使各個(gè)指標(biāo)逐步趨向于Ⅰ級(jí)。

表3 各指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)單因素綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果，求出四個(gè)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度，其最大值為0.3129，因此，弓長嶺尾礦壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ級(jí)。根據(jù)上述關(guān)聯(lián)度求解結(jié)果，進(jìn)一步計(jì)算出等級(jí)變量的特征值為1.31，說明弓長嶺尾礦壩穩(wěn)定性等級(jí)為1.31級(jí)，相對(duì)于Ⅰ級(jí)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)稍大。

4 結(jié) 論

透水堆石壩是尾礦壩的重要壩型，如果管理不善而發(fā)生潰壩事故，勢必對(duì)下游群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響。本文以遼寧省遼陽市弓長嶺尾礦壩為對(duì)象，利用改進(jìn)物元可拓模型對(duì)透水堆石壩的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，弓長嶺尾礦壩穩(wěn)定性等級(jí)為1.31級(jí)，相對(duì)于Ⅰ級(jí)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)稍大，在所選取的19個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中無一指向壩體的極不穩(wěn)定狀態(tài)，說明壩體的穩(wěn)定性良好。但是，在19個(gè)指標(biāo)中，有1個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)為Ⅲ級(jí)，12個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)為Ⅱ級(jí)，因此，要對(duì)這些指標(biāo)指向的問題，強(qiáng)化管理和處置，不斷提升尾礦壩的穩(wěn)定性。