吳燕玲， 曾凱波，周 麟，李先福*

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

位于環(huán)太平洋構(gòu)造活動帶內(nèi)的大冶鐵礦是我國著名的接觸交代型鐵礦床，其東露天采場由象鼻山、獅子山、尖山三個礦段組成.目前大冶鐵礦申報為首批國家礦山公園，由于地表資源已枯竭而轉(zhuǎn)入地下開采，對邊坡巖體形成了新的擾動，加速了高陡邊坡的變形破壞.因此，如何安全有效地分析、評價邊坡的穩(wěn)定性，對于國家礦山公園采取合理措施保證游客和采礦人員與設(shè)備的安全具有重要的意義.

常見的邊坡穩(wěn)定分析理論主要有極限平衡理論、塑性極限分析、有限單元法、模糊綜合評價方法、灰色聚類評價方法、可靠度評價方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價方法等，然而這些評價方法都存在著一定的缺陷和局限性，要么算法過于復(fù)雜，可操作性不強(qiáng)，要么考慮的因素太少，計算誤差較大[1].由于常用的評價方法都存在著一定的缺陷和局限性.而層次分析法可以將復(fù)雜的指標(biāo)進(jìn)行分級分類，建立了簡單的層次分析圖，使較多影響邊坡穩(wěn)定性的因素真實地參與評判，不僅簡化了計算，還解決了由于指標(biāo)過多而難于確定各指標(biāo)權(quán)重的問題[2].

1 層次分析法

層次分析法(Analytical hierarchy process，簡稱AHP)是一種定性分析與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法.對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多準(zhǔn)則、多目標(biāo)決策問題，是一種有效的決策分析工具.其主要特點是通過建立遞階層次結(jié)構(gòu),把人們的判斷轉(zhuǎn)化為若干因素兩兩之間重要度的比較,從而把難于量化的定性判斷轉(zhuǎn)化為可操作的重要度的比較上面.在許多情況下,決策者可以直接使用AHP進(jìn)行決策,極大地提高了決策的有效性、可靠性和可行性,但其本質(zhì)是一種思維方式,它把復(fù)雜問題分解成多個組成因素,又將這些因素按支配關(guān)系分別形成遞階層次結(jié)構(gòu),通過兩兩比較的方法確定決策方案相對重要度的總的排序.整個過程體現(xiàn)了人決策思維的基本特征,即分解、判斷、綜合,克服了其它方法回避決策者主觀判斷的缺點[3-5].

2 層次分析法在大冶鐵礦邊坡危險性分析的應(yīng)用

2.1 東露天采場工程地質(zhì)分區(qū)

由于東露天采場的地質(zhì)情況復(fù)雜，根據(jù)大冶鐵礦東露天采場不同地段的巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等特征可以由西向東分為8個區(qū)(見圖1).8個區(qū)的工程地質(zhì)條件如表1.

表1 大冶鐵礦東露采分區(qū)工程地質(zhì)條件

圖1 大冶鐵礦東露天采場工程地質(zhì)分區(qū)圖[6]

2.2 影響邊坡危險性因素

影響邊坡危險性的因素很多，考慮所有的因素顯然不切實際，指標(biāo)過多會導(dǎo)致計算量太大，指標(biāo)太少又容易造成較大誤差，通過前面對大冶鐵礦東露天采場進(jìn)行分區(qū)研究，研究的不同分區(qū)工程地質(zhì)條件，研究斜坡形成的地質(zhì)歷史和所處的自然地理位置及地質(zhì)環(huán)境、斜坡的地貌和地質(zhì)結(jié)構(gòu)、發(fā)展演化階段及變形破壞行跡，來分析主要的和次要的影響因素，可以總結(jié)出影響東露采邊坡的穩(wěn)定性因素主要有巖土類型和性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水、誘發(fā)因素等.

2.3 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

2.3.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型 利用層次分析法，將影響高陡邊坡穩(wěn)定性的因素分為一級指標(biāo)、二級指標(biāo)、基礎(chǔ)指標(biāo).一級指標(biāo)主要為：環(huán)境因素和觸發(fā)因素環(huán)境因素的二級指標(biāo)為地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖體質(zhì)量、松散堆積物、植被、不良地質(zhì)現(xiàn)象，觸發(fā)因素的二級指標(biāo)地下開采；每一個二級指標(biāo)下面都有基礎(chǔ)指標(biāo).

每一級指標(biāo)的權(quán)重是根據(jù)影響邊坡危險性的程度及綜合每個專家打分取平均值得出的[7-8].大冶鐵礦東露天采場高陡邊坡危險性評價層次分析法的指標(biāo)體系如表2.

表2 大冶鐵礦東露天采場高陡邊坡危險性評價指標(biāo)體系[3]

2.3.2 對權(quán)向量進(jìn)行一致性檢驗 由表2可以看出來，對于邊坡的危險性主要受二級指標(biāo)(B)的影響，因此可以將二級指標(biāo)(B)權(quán)向量構(gòu)成檢驗矩陣.通過計算，檢驗矩陣的特征值是λ1=λ2=λ3=λ4=λ5=λ6=0，λ7=7，因此，矩陣的λmax=7,二級指標(biāo)(B)的個數(shù)n是7,所以λmax=n=7.說明該矩陣是一致性矩陣，上述權(quán)向量是合理的.

2.4 分析邊坡危險性

通過上面建立的評價體系，將每個基礎(chǔ)指標(biāo)對應(yīng)的狀態(tài)變量Xi賦值1或0(是就是1，否就是0).利用公式(1)，可以算出每個區(qū)的危險性程度，F(xiàn)表示危險程度，結(jié)果如表3.

F=0.8×[0.1×(0.8×X1+0.2×X1)+0.3×(0.4×(0.7×X3+0.3×X4)+0.6×(0.6×(0.3×X5+0.7×X6)+0.05×X7+0.35×X8))+0.3×(0.7×(0.05×X9+0.15×X10+0.5×X11+0.3×X12)+0.3×(0.5×X13+0.3×X14+0.2×X15))+0.05×( 0×X16+ 0.2×X17+ 0.3×X18+ 0.5×X19) +0.05×1(0)×X20+0.2×(0.1×1(0)×X21+0.9×1(0)×X22)]+0.2×1×[0.4×1(0)×X23+0.6×1(0)×X24)]

(1)

通過層次法對邊坡的危險性量化分析，上面計算的數(shù)據(jù)是在0～1之間，如果計算結(jié)果是0的話，表明影響邊坡危險的因素都不存在，邊坡處于非常穩(wěn)定狀態(tài)；如果計算結(jié)果是1的話，表明所有的影響邊坡危險性因素都具備，邊坡處于已經(jīng)破壞狀態(tài).根據(jù)黃建文等[1]提出采用0.5～1.0之間的數(shù)值來對兩者之間的重要程度進(jìn)行標(biāo)度，當(dāng)兩者間進(jìn)行比較時，將其看作一總體，按兩者占總體的百分比來確定其重要程度，這樣更能合理的反映實際情況.比如可用0.5表示兩者同等重要，其意義為兩者各占50%，邊坡處于極限平衡狀態(tài)；用0.6表示一者比另一者稍重要，其意義為一者占60%，而另一者占40%,邊坡不穩(wěn)定趨勢增多；……，這樣標(biāo)度能客觀的描述兩者之間的重要程度而不至于在計算分析中將它們之間關(guān)系進(jìn)一步擴(kuò)大.

根據(jù)表3的計算結(jié)果，大冶東露天采場Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)屬于已經(jīng)破壞的區(qū)域，而Ⅵ區(qū)是最不穩(wěn)定區(qū)；Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)是不穩(wěn)定區(qū)，Ⅴ區(qū)和Ⅶ 區(qū)是欠穩(wěn)定區(qū)，Ⅷ區(qū)是穩(wěn)定區(qū).

表3 不同分區(qū)的危險性程度

3 結(jié) 語

a. 層次分析法能將復(fù)雜的邊坡問題進(jìn)行分層次的、擬定量的、規(guī)范化的處理.該方法不受參評指標(biāo)數(shù)量限制,在條件允許的情況下,應(yīng)考慮充分選取各個方面的影響因素,以使評價結(jié)果更能反映實際情況.層次分析法能使較多影響邊坡穩(wěn)定性的因素真實地參與評判，不僅簡化了計算，還解決了由于指標(biāo)過多而難于確定各指標(biāo)權(quán)重的問題.該方法功能強(qiáng)，實際操作相對簡單，因此便于推廣，實用價值大.

b. 根據(jù)層次分析法研究，大冶東露天采場Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)屬于已經(jīng)破壞的區(qū)域，而Ⅵ區(qū)是最不穩(wěn)定區(qū)；Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)是不穩(wěn)定區(qū)，Ⅴ區(qū)和Ⅶ 區(qū)是欠穩(wěn)定區(qū)，Ⅷ區(qū)是穩(wěn)定區(qū).

致謝：參加研究的還有余世雄、劉雅玲、李建林、侯贈、謝海波、楊康康同學(xué).另外，本研究得到武漢工程大學(xué)大冶鐵礦邊坡課題組及大冶鐵礦的相關(guān)同志大力支持，在此一并感謝！

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