尾礦庫安全實測性態綜合評價方法研究初探

韓志磊，蘇 軍，楊小聰

（北京礦冶研究總院，北京100160）

尾礦庫是重大的工業危險源，其安全管理至關重要。隨著國家安監部門重視度的提高和相關技術的不斷發展，尾礦庫安全管理工作有了很大提高，主要體現在尾礦庫在線監測技術的普遍應用。針對當前現狀，借助尾礦庫監測資料的深入分析來評價尾礦庫的安全性就成為了一項重要工作。目前，基于尾礦庫監測資料的研究大多是針對單項目（如壩體位移、浸潤線監測）、單測點的實測效應量建立數學模型（回歸分析、支持向量回歸機、灰色系統模型等），對尾礦庫壩體位移、浸潤線等進行分析預測［1－2］，結合監測資料對尾礦庫安全性態進行綜合評價的研究相對較少。單測點數學模型在反映尾礦庫整體安全性態方面，還存在一定局限性，因此通過多項目、多測點監測數據及定性巡查資料對尾礦庫安全性態進行綜合評價很有必要。

相對于尾礦庫監測數據綜合分析評價研究落后的現狀，水庫大壩相關的研究則比較成熟，因此本文借鑒大壩結構實測性態綜合評價相關理論，同時考慮尾礦庫監測現狀及數據分析的具體情況，構建了尾礦庫實測性態綜合評價體系，研究了尾礦庫安全實測性態綜合評價方法。

1 實測性態綜合評價方法研究

1.1 綜合評價指標體系

尾礦庫安全監測涉及壩體位移、浸潤線、干灘、庫水位、降雨量等項目，巡視檢查包括尾礦壩安全檢查、庫區安全檢查及防洪安全檢查。與水庫大壩不同，尾礦庫的整個運行期也是其建設期，運行情況變化較快，因此，對尾礦庫狀態的實時分析非常重要，尤其是汛期的短時實施評價極為關鍵。尾礦庫評價指標主要包括壩體安全、滲流安全、調洪安全及運行環境安全。壩體變形主要考慮壩體表面位移和內部位移狀態，滲流安全主要考慮壩體的滲壓及滲流量狀態等。

考慮到尾礦庫運行環境的特殊性、系統化監測設置及針對性分析研究相對較晚等狀況，所以尾礦庫綜合評價指標中將變形、滲流、調洪及巡查并列在同一層次，資料完整時可以實現尾礦庫安全的綜合評價，資料不完善時可以實現針一些針對項目的評價分析。本文根據尾礦庫安全監測狀況，結合尾礦庫不同監測項目、不同監測點及巡查資料，構建多層次、多指標尾礦庫實測性態綜合評價體系如圖1［3－4］所示。

圖1 尾礦庫實測性態綜合評價指標體系

1.2 綜合評價集

由《尾礦庫安全技術規程》可知，尾礦庫安全度主要根據尾礦庫防洪能力和尾礦庫壩體穩定性確定，分為危庫、險庫、病庫、正常庫四級［5］。除正常庫外，前三類只是病險程度不同而已。規范中對安全度的模糊界定造成安監部門或評價機構的尾礦庫安全評價結果具有很大人為性。

評價指標的度量與評價等級相聯系，若等級數量劃分過少，將失于粗略，不利于尾礦庫實測性態的真實合理反映；若等級數量劃分過多，又會使確定等級間界限的難度和計算工作量加大。本文參考大壩結構實測性態綜合評價中綜合評價集的劃分方法，同時結合尾礦庫安全規范中安全度的定義，將尾礦庫安全等級分為以下四個等級：安全、基本安全、不安全、很不安全［6］。用數學語言可表述為：

V＝｛v1，v2，v3，v4｝＝｛安全，基本安全，不安全，很不安全｝

1.3 評價指標度量方法

1.3.1 定量指標度量方法

對于不同的評價指標，安全各等級的意義不同，因此評價等級的劃分也不一樣。尾礦庫實測性態綜合評價指標中，有的指標有明確的特征值，有的沒有明確規定的特征值。在指標評價等級劃分時，針對兩種情況采用不同的處理方式。

1）有明確特征值指標。評價等級可根據其特征值來劃分，例如浸潤線、安全超高、干灘長度、降雨量等指標?！段驳V設施設計規范》對上游式尾礦堆積壩最小安全超高和最小灘長、下游式和中線式尾礦壩最小灘長以及尾礦堆積壩下游坡浸潤線最小埋深做了明確規定［7］。

同樣地，降雨也有明確的等級劃分。降雨量監測常用降雨強度表示，我國氣象部門一般采用的降雨強度標準（24小時計）如下。結合本研究中尾礦庫安全評價等級的劃分以及降雨量等級特征值，將降雨分為如下幾個等級。

結合尾礦庫規范中的具體規定以及降雨量等級的劃分，初步將這些有明確特征值的評價指標安全等級劃分如表1所示。具體實施中評價等級的劃分尚需結合專家意見、尾礦庫筑壩方式及等別的不同進行詳細研究確定，使得評價等級更加客觀實用。

表1 尾礦庫安全綜合評價指標評價等級

2）對于沒有明確特征值的指標。尾礦庫實測性態綜合評價中，有些指標沒有明確的特征值，如壩體位移、滲流量等。對于這些指標，可以運用數理統計理論，結合置信水平對這些指標進行安全等級劃分，主要是將監測值與監測模型擬合值及所建立的安全監控指標進行比較，結合安全等級標準來評價監測值的安全度［8］。

1.3.2 定性指標度量方法

尾礦庫實測性態的綜合評價既包括對不同監測項目、不同測點監測數據的分析評價，也包括對巡視檢查內容的定量評價。尾礦庫安全巡視檢查結果大多難以用確切的數值或數學公式來表達，一般只能進行定性描述，因此，對定性指標進行量化分析，一般采用專家評分方法，即根據尾礦庫安全評價的特點，無傾向性地選擇位專家，每位專家根據巡視檢查結果和自己的專業知識、實踐經驗獨立地對各定性指標進行評分（記專家對定性指標的評分為），然后通過對位專家的評分進行綜合而得到。目前常用的專家評分綜合方法有完全平均法、中間平均法和加權平均法等［9］。

1.4 隸屬度的確定

對于有明確特征值的評價指標（如浸潤線、安全超高，干灘長度，降雨量等）采用模糊統計的方式計算他們的隸屬度；對于沒有明確的特征值的指標，借助統計學方法，采取的形式，通過值的不同來區別不同的安全等級，運用模糊統計方法確定其隸屬度。

上面已經詳細介紹了各評價因素的各級特征值，并結合各級特征值對不同評價指標的安全等級進行了具體劃分。因此，對具體評價時段內的監測值而言，其對應的各安全等級隸屬度計算如下所示。

其中，μ為指標的均值或期望值，σ為指標的均方差，ki的取值和置信水平有關，對于不同的評價對象和不同的評價等級ki取值不同。rij（j＝1，2，3，4）為第i個評價指標相對于第j個評價等級的隸屬度，c為所有監測值，n為評價時段內監測值數目，vj（j＝1，2，3，4）為對應的各安全等級。

1.5 權重的確定

尾礦庫實測性態綜合評價指標對于評價目標的貢獻程度可用權值進行界定，對于貢獻大的指標，賦予較大的權值，貢獻較小的指標則賦予較小的權值。尾礦庫監測項目眾多，層次也有所不同，所以其評價以多級綜合評價為主。

根據多層次綜合評價指標體系可以得到評價因素集，分層次如下表示。

第一層：最終目標U＝｛U1，U2，U3，U4｝＝｛變形，滲流，調洪，巡查｝；第二層：U1＝｛u1，u2｝＝｛表面位移，內部位移｝，U2＝｛u3，u4，u5｝＝｛滲流壓力，滲流量，繞壩滲流｝，U3＝｛u6，u7，u8｝＝｛干灘長度，安全高差，降雨得｝，U4＝｛u9，u10，u11｝＝｛防洪檢查，壩體檢查，庫區檢查｝。

第二層評價因素根據具體情況可進一步細分為第三層、第四層…評價因素。通過對不同指標間的邏輯關系進行分析，建立符合實際情況的層次結構圖。目標層位于最高層，為實現目標的具體指標位于最底層。

實際應用中，可根據具體情況，選擇一種或者多種賦權值的方法，針對尾礦庫實測性態綜合評價的層次性，可采用層次分析法來確定各個評價因素相對于評價目標的權值?？紤]到層次分析法屬于主觀賦權，也可根據監測資料的貢獻程度，采用主成分分析法、因子分析法等客觀賦權法確定權值。針對尾礦庫實測性態綜合評價實際，可將主客觀賦權結合使用，充分發揮監測資料和專家的作用，使綜合評價結果更為可靠［10］。

1.6 綜合評價方法

尾礦庫實測性態綜合評價結果是一個模糊的概念，綜合評價等級中安全、基本安全、不安全、很不安全之間，本質上并沒有嚴格的界定。要對這樣一個模糊概念進行綜合評價，采用傳統數學上的非此即彼的確定方法十分困難，因此，一般需要借助現代數學理論方法（如模糊數學理論、灰色理論、突變理論等）結合層次分析法進行分析，如模糊數學中的模糊綜合評價模型總的表達式為［11］B＝（b1，b2，…，bn）＝W°R。式中：W是由m個評價指標的權值wi（i＝1，2，…，m）所形成的向量；R是由評價指標ui對評價等級vj的隸屬度rij所形成的隸屬度矩陣；B是模型的評價結果形成的向量；“°”表示某種綜合評價運算。

2 工程實例

以某尾礦庫為實例，驗證本文所提方法的可行性和實用性。該尾礦庫為河谷型尾礦庫，采用上游式筑壩。2009年該尾礦庫建立了自動化監測系統，系統監測內容包括壩體變形監測、浸潤線監測、干灘監測以及降雨量監測等。該自動化系統通過對尾礦庫主要技術數據的實時監測，可以實時了解尾礦庫在運行期間的安全狀態。以該尾礦庫實測位移、浸潤線埋深、干灘監測數據對尾礦庫安全狀態進行評價，考慮到實時評價對尾礦庫運行安全的重要性，采用某一分析時段數據進行分析評價，本次選擇2010年9月份作為分析評價時段。采用層次分析法計算綜合評價權值，結合該尾礦庫實際狀況，確定層次分析法的判斷矩陣。

計算得到尾礦庫安全實測性態評價因素集（壩體位移、浸潤線埋深、干灘）的權重向量為W＝（0.2671，0.3425，0.3904）。

對于壩體位移、浸潤線埋深、干灘長度這三類評價指標，根據評價等級的劃分，采用模糊統計方法，求得該監測時段隸屬度矩陣。

采用加權平均型評判模型得到綜合評判矩陣。

根據最大隸屬度原則，最大值出現在評判集，即分析時段內尾礦庫實測性態為安全，這與尾礦庫現場人員巡視檢查評價結果基本一致。

3 結語

尾礦庫安全實測性態綜合評價是一個多層次、多指標的復雜分析評價問題，涉及到多項目、多測點數據的綜合分析以及定性資料的定量評價。本文根據尾礦庫安全監測實施現狀，構建了尾礦庫安全實測性態綜合評價體系，對尾礦庫實測性態綜合評價方法進行研究。主要討論了綜合評價指標體系和綜合評價集的確定、綜合評價指標的度量方法、權值的確定以及綜合評價方法。以某尾礦庫實測資料為例，對該方法的可行性進行了驗證，該方法為尾礦庫安全實測性態綜合評價提供了新的方法和思路。本方法將大壩實測性態綜合評價理論應用于尾礦庫工程實際，同時結合尾礦庫工程實際及相關規范，針對實測數據對尾礦庫實測性態進行綜合評價，比以往定性評價及單指標分析評價更加客觀，對尾礦庫安全管理具有一定的指導意義。

［1］ 李鋼.基于灰色系統理論的尾礦庫壩體形變位移預測方法［J］.中國安全生產科學技術，2012（4）：107－110.

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［3］ 何金平，李珍照，施玉群.大壩結構實測性態綜合評價方法研究［J］.水力發電學報，2001（2）：36－42.

［4］ Corinne Curt，Aurélie Talon，Gilles Mauris.A dam assessment support system based on physical measurements，sensory evaluations and expert judgements［J］.Measurement，2011，44：192－201.

［5］ 國家安全生產監督管理總局.尾礦庫安全技術規程［S］.AQ 2006－2005，2006.

［6］ 李宗坤，姜景山，王廣印.土石壩實測性態綜合評價方法研究［J］.巖土工程學報，2007（2）：255－259.

［7］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.尾礦設施設計規范［S］.GB 50863－2013，2013.

［8］ 韓志磊，郭利杰，楊小聰.尾礦壩浸潤線在線監測回歸分析［J］.現代礦業，2012（5）：73－76.

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［10］ 謝季堅，劉承平.模糊數學及其應用［M］.武漢：華中科技大學出版社，2005.

［11］ 何金平，李珍照，施玉群.大壩結構實測性態綜合評價中的權重問題［J］.武漢大學學報：工學版，2001（6）：13－16.