萬(wàn)飛 汪曉霖 尹里剛
摘要: 采用和諧度評(píng)價(jià)模型與STAB軟件模擬相結(jié)合的方法,以某露天礦山三級(jí)排土場(chǎng)為例,借助和諧度評(píng)價(jià)模型建立排土場(chǎng)穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)模型,并采用模糊層次分析法對(duì)重要性不同的各指標(biāo)因素賦予不同權(quán)重,將排土場(chǎng)3個(gè)剖面代表區(qū)域作為評(píng)價(jià)目標(biāo),基于和諧度方程得出各剖面單指標(biāo)、多指標(biāo)和諧度矩陣,綜合評(píng)價(jià)排土場(chǎng)各剖面的安全級(jí)別分別為:1—1剖面為正常級(jí),2—2剖面和3—3剖面為較正常級(jí)。運(yùn)用STAB軟件計(jì)算各剖面的安全系數(shù),驗(yàn)證了評(píng)價(jià)結(jié)果。二者結(jié)果一致,評(píng)價(jià)效果較好,可供同類型礦山參考借鑒。
關(guān)鍵詞: 和諧度評(píng)價(jià);STAB軟件模擬;排土場(chǎng);穩(wěn)定性;安全系數(shù)
中圖分類號(hào):TD854+.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1001-1277(2020)11-0038-05 doi:10.11792/hj20201107
引 言
排土場(chǎng)是露天礦山的重要工程之一,其運(yùn)行狀況一直是礦山安全檢查工作的重點(diǎn)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了廣泛研究,王占平等[1]運(yùn)用AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)模型與Geostudio模擬結(jié)合的方法,通過(guò)綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系所形成的判斷矩陣,對(duì)影響排土場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的因素賦予相應(yīng)權(quán)重,最后通過(guò)隸屬度構(gòu)建對(duì)應(yīng)的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣,評(píng)價(jià)得出其穩(wěn)定等級(jí)為正常級(jí),同時(shí)采用數(shù)值計(jì)算驗(yàn)算評(píng)價(jià)結(jié)果。胡軍等[2]提出了運(yùn)用BP-遺傳算法改進(jìn)傳統(tǒng)的排土場(chǎng)安全系數(shù)計(jì)算方法,基于瑞典條分法求解過(guò)程,運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法求出圓弧滑面的圓心、半徑和安全系數(shù)三者之間的函數(shù)表達(dá)式,根據(jù)遺傳算法,迭代計(jì)算得出滑坡面的最小安全系數(shù),其相應(yīng)滑面即為該邊坡的極易滑動(dòng)面。甘海闊等[3]將空間和二維模擬計(jì)算相融合,對(duì)排土場(chǎng)多區(qū)域下的邊坡安全性、滑坡機(jī)制及安全度等方面開(kāi)展研究分析。目前,多數(shù)研究集中在排土場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算中,考慮的影響因素較為單一。
和諧度評(píng)價(jià)模型在水資源分配、水質(zhì)評(píng)價(jià)等[4]領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛,但在排土場(chǎng)領(lǐng)域鮮有報(bào)道。綜合考慮礦山排土場(chǎng)的運(yùn)行特點(diǎn),將和諧度評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于排土場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)估領(lǐng)域,得出排土場(chǎng)代表性剖面的安全級(jí)別,并應(yīng)用STAB軟件計(jì)算排土場(chǎng)的安全系數(shù),將二者相結(jié)合來(lái)綜合評(píng)判排土場(chǎng)穩(wěn)定性。
1 工程概況
某露天礦山排土場(chǎng)位于湖北省武漢市江夏區(qū)烏龍泉鎮(zhèn)境內(nèi),區(qū)內(nèi)地形屬丘陵地貌,海拔高程范圍約為40~80 m,地勢(shì)較平緩。該排土場(chǎng)按地形屬于山坡型,采用汽車運(yùn)輸—推土機(jī)排土工藝,由低到高分層堆排,屬于多臺(tái)階覆蓋式排土場(chǎng)。排土場(chǎng)總?cè)莘e406.8×104 m3,堆置高34 m,場(chǎng)地條件為一般場(chǎng)地。排土場(chǎng)最終階段高10 m,安全平臺(tái)寬8 m,臺(tái)階坡面角34°,最終邊坡角28.8°。排土場(chǎng)內(nèi)有57 m、67 m、77 m 3個(gè)水平?;鶐r為白云質(zhì)灰?guī)r,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí),場(chǎng)地?zé)o明顯不良地質(zhì)現(xiàn)象。地下水上部滯水賦存于排棄土層中,無(wú)統(tǒng)一自由水面;巖溶水賦存于灰?guī)r巖溶中;基巖裂隙水賦存于下二疊統(tǒng)灰?guī)r和石炭系黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r裂隙中,總體水量不大且不均勻。排棄物為剝離廢石土,總體看上細(xì)下粗,主要由灰?guī)r碎石和少量角礫及黏性土,含塊石及少量巖屑填成;呈干—稍濕松散狀態(tài)。
2 和諧度綜合評(píng)價(jià)
和諧度評(píng)價(jià)法是參照研究目標(biāo)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,確定其影響因素并考慮重要程度進(jìn)行權(quán)重加權(quán)計(jì)算,結(jié)合和諧度方程得出和諧度矩陣,通過(guò)計(jì)算和諧度的值來(lái)得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)論或?qū)υu(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行分級(jí)。針對(duì)多因素耦合的現(xiàn)實(shí)工程問(wèn)題,將復(fù)雜因素概括為各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)并計(jì)算其和諧度值,通過(guò)和諧度方程定量計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)和諧度值,得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)論,達(dá)到對(duì)研究對(duì)象量化評(píng)價(jià)的目的[5-6]。
2.1 綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
影響排土場(chǎng)穩(wěn)定性的因素較多, 大體可分為排土場(chǎng)所處區(qū)域工程地質(zhì)條件、排土場(chǎng)堆積體結(jié)構(gòu)及排土工藝和外部作用力等。結(jié)合GB 51119—2015 《冶金礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》及國(guó)內(nèi)學(xué)者相關(guān)研究[7],綜合該排土場(chǎng)特點(diǎn),確定排土場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,見(jiàn)圖1。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查情況,將排土場(chǎng)穩(wěn)定程度參照規(guī)范中定義的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)劃分為: 正常級(jí)、較正常級(jí)、病級(jí)和危險(xiǎn)級(jí)4個(gè)等級(jí),具體指標(biāo)等級(jí)劃分見(jiàn)表1。
2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定
對(duì)于特定環(huán)境下的研究對(duì)象而言,不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其影響的程度一般不同,故應(yīng)根據(jù)研究對(duì)象對(duì)指標(biāo)的敏感程度賦予指標(biāo)不同權(quán)重。常用的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法有模糊判斷法、層次分析法、主觀調(diào)研法、極差法、熵值法等。考慮影響排土場(chǎng)穩(wěn)定性因素的多樣性與復(fù)雜性,采用模糊層次分析法來(lái)計(jì)算權(quán)重,運(yùn)用主、客觀相結(jié)合的方式評(píng)判各指標(biāo)的權(quán)重值。
采用模糊層次分析法的算法流程,首先根據(jù)指標(biāo)間的相對(duì)重要程度構(gòu)建模糊互補(bǔ)判斷矩陣,設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)集U={u1,u2,…,un},表示對(duì)研究目標(biāo)而言各指標(biāo)之間相比較對(duì)其敏感性程度的模糊互補(bǔ)判斷矩陣( Q )為:
Q =q11 q12 … q1n
q21 q22 … q2n
qn1 qn2 … qnn
(1)
式中:0≤qij≤1,qii=0.5,qij+qji=1;qij為指標(biāo)ui比指標(biāo)uj對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象重要的隸屬度,qij值越大,指標(biāo)ui比指標(biāo)uj重要性越突出,qij=0.5時(shí),表示指標(biāo)ui和指標(biāo)uj對(duì)研究目標(biāo)重要性等同。
采用公式(2)確定各指標(biāo)的權(quán)重( W i):
W i= ∑ n i=1 qij-1+ n 2n(n-1)(i=1,2,…,n)? ?(2)
對(duì)于模糊矩陣可采用模糊一致性來(lái)驗(yàn)證其正確性,任取下標(biāo)i、j、k,都有對(duì)應(yīng)的qij=qik-qjk+0.5;若等式不成立,則構(gòu)建新模糊矩陣并再次計(jì)算權(quán)重值。
綜合考慮各評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間重要性進(jìn)行比較,采用數(shù)值0.1~0.9區(qū)分重要程度并構(gòu)建矩陣。針對(duì)第一項(xiàng)指標(biāo)工程地質(zhì)條件(A1)、堆積體結(jié)構(gòu)(A2)、外部因素(A3),其兩兩間對(duì)比重要程度之后構(gòu)建模糊互補(bǔ)判斷矩陣( Q )如下:
Q =0.5 0.7 0.8
0.3 0.5 0.6
0.2 0.4 0.5(3)
由式(2)計(jì)算得到權(quán)重大小。
計(jì)算得, W =(0.417,0.317,0.266)。
第二項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重確定:
工程地質(zhì)條件(A1), Q 1=0.5 0.6 0.7
0.4 0.5 0.6
0.3 0.4 0.5,
計(jì)算得, W 1=(0.383,0.333,0.284)。
堆積體結(jié)構(gòu)(A2), Q 2=0.5 0.8 0.6
0.2 0.5 0.3
0.4 0.7 0.5,
計(jì)算得, W 2=(0.400,0.250,0.350)。
外部因素(A3),Q3= 0.5 0.3 0.4 0.4 0.4
0.7 0.5 0.6 0.6 0.6
0.6 0.4 0.5 0.5 0.5
0.6 0.4 0.5 0.5 0.5
0.6 0.4 0.5 0.5 0.5
,
計(jì)算得, W 3=(0.175,0.225,0.200,0.200,0.200)。
2.3 單指標(biāo)和諧度矩陣
單指標(biāo)和諧度方程公式為:
HDp=ai-bj(4)
式中:HDp為因素p所對(duì)應(yīng)的和諧度值,用以表示該指標(biāo)下研究目標(biāo)的和諧程度,其中HD∈[-1,1],HD值大小與和諧程度呈正相關(guān)關(guān)系;a為統(tǒng)一度;b為分歧度;a、b∈[0,1];i為統(tǒng)一系數(shù);j為分歧系數(shù);i、j∈[0,1]。
構(gòu)建單指標(biāo)和諧度矩陣具體操作步驟:對(duì)于某一評(píng)判指標(biāo)M(m1,m2,…,mn),其中,m1,m2,…,mn為該評(píng)價(jià)目標(biāo)的n個(gè)指標(biāo)值。假設(shè)分歧度b=0,則將統(tǒng)一度a等效為該指標(biāo)計(jì)算的和諧度值HD。按照隸 屬度原則求出對(duì)象指標(biāo)統(tǒng)一度a,根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)(見(jiàn)表1)評(píng)判各指標(biāo)mi的隸屬級(jí)別,則與其相對(duì)應(yīng)的等級(jí)規(guī)定為1,需指出低于該級(jí)別的等級(jí)也為1,表示該指標(biāo)也符合比此等級(jí)低的要求。全部隸屬度值構(gòu)建為隸屬度矩陣,即為所求的單指標(biāo)隸屬度矩陣。
根據(jù)上述定義,假設(shè)和諧度方程中統(tǒng)一系數(shù)i=1,分歧系數(shù)j=0,即統(tǒng)一度值等效為所求的和諧度值,mHDp稱為指標(biāo)m的和諧度值。所有mHDp值構(gòu)成的矩陣,即為單指標(biāo)和諧度矩陣。
選取該露天礦山三級(jí)排土場(chǎng)3個(gè)有代表性的剖面(見(jiàn)圖2)作為和諧目標(biāo)。
按照表1綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立單指標(biāo)和諧度矩陣,該矩陣各元素見(jiàn)表2。
2.4 多指標(biāo)和諧度矩陣
多指標(biāo)和諧度計(jì)算方法如下:
HDy=∑ n k=1W mHDky (5)
式中:HDy為評(píng)價(jià)目標(biāo)m的某項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合和諧度值;mHDky為評(píng)價(jià)目標(biāo)m的k指標(biāo)某一類型的和諧度值;HDy、mHDky∈[0,1]。
根據(jù)表2所得排土場(chǎng)各剖面的單指標(biāo)和諧度矩陣,結(jié)合公式(5)可得相應(yīng)剖面的多指標(biāo)和諧度矩陣,該矩陣各元素見(jiàn)表3。
2.5 評(píng)價(jià)結(jié)果分析
依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及和諧度矩陣,排土場(chǎng)各剖面和諧度評(píng)價(jià)的值有如下關(guān)系:HD1≤HD2≤…≤HDn,其中HD1,HD2,…,HDn分別為排土場(chǎng)各剖面的和諧度值。假設(shè)HD0為目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值,且HD0∈[0,1]。若HDn≥HD0時(shí),則將n作為該評(píng)價(jià)體系下目標(biāo)所屬評(píng)價(jià)等級(jí)。根據(jù)表3多指標(biāo)和諧度矩陣計(jì)算結(jié)果可得:HD1≤HD2≤HD3≤HD4,其結(jié)果與評(píng)判依據(jù)相符合。故假設(shè)HD0=1,則基于對(duì)指標(biāo)和諧度計(jì)算下排土場(chǎng)各剖面評(píng)價(jià)結(jié)果為:1—1剖面為正常級(jí),2—2剖面和3—3剖面為較正常級(jí)。
3 STAB軟件模擬
3.1 STAB軟件
STAB軟件是陳組煜院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的主要用于土質(zhì)邊坡和土石壩邊坡穩(wěn)定性分析的軟件。其在巖質(zhì)邊坡,特別是具有軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡,也有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。該軟件提供有效應(yīng)力法的計(jì)算功能。另外,該軟件還提供邊坡穩(wěn)定性分析的通用條分法及各種簡(jiǎn)化方法,包括瑞典法、畢肖普法、陸軍工程師團(tuán)法、羅厄法等;同時(shí),還提供圓弧和任意形狀滑裂面的計(jì)算功能,提供線性和非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算功能,提供邊坡穩(wěn)定性分析領(lǐng)域中傳統(tǒng)的各種分析方法的計(jì)算功能。該軟件還可應(yīng)用一次二階矩、蒙特卡洛和Rosenblerth法進(jìn)行可靠度分析,提供邊坡穩(wěn)定的可靠度指標(biāo),也可自動(dòng)搜索相應(yīng)最小可靠度指標(biāo)的臨界滑裂面。
3.2 模擬結(jié)果及分析
結(jié)合礦山排土場(chǎng)現(xiàn)狀、現(xiàn)場(chǎng)踏勘和收集的資料,應(yīng)用STAB軟件建立模型,輸入排土場(chǎng)物理力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表4),各剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖3~5。利用極限平衡法分別計(jì)算各剖面堆積體與基底接觸面在正常運(yùn)行、降雨、地震3種工況下的安全系數(shù)(見(jiàn)表5)。地震加速度按設(shè)防烈度6度設(shè)計(jì)加速度0.05g折減(折減系數(shù)取0.25)[8]。
根據(jù)STAB軟件計(jì)算結(jié)果,排土場(chǎng)沿堆積體與基底接觸面滑動(dòng)的安全系數(shù)滿足排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。
其中,1—1剖面在3種工況下的安全系數(shù)均大于1.15,且有一定安全儲(chǔ)備,當(dāng)前狀態(tài)下存在發(fā)生此種滑動(dòng)危險(xiǎn)的概率很小,評(píng)價(jià)等級(jí)為正常級(jí)。2—2剖面和3—3剖面在正常和降雨工況下安全系數(shù)大于1.15,但地震工況下安全系數(shù)介于1.10~1.15,總體符合規(guī)范要求,評(píng)價(jià)等級(jí)為較正常級(jí),排土場(chǎng)總體穩(wěn)定性較好。STAB軟件計(jì)算結(jié)果與和諧度評(píng)價(jià)結(jié)果相符。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文基于和諧度理論方法體系,考慮影響排土場(chǎng)穩(wěn)定性的3方面共11種因素作為和諧度評(píng)判指標(biāo),結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范建立排土場(chǎng)評(píng)價(jià)的綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),并采用模糊層次分析法對(duì)重要性不同的各指標(biāo)因素賦予不同權(quán)重,將排土場(chǎng)3個(gè)剖面代表區(qū)域作為評(píng)價(jià)目標(biāo),運(yùn)用和諧度理論方程計(jì)算得出各剖面單指標(biāo)、多指標(biāo)和諧度矩陣,綜合評(píng)價(jià)排土場(chǎng)各剖面的安全級(jí)別。評(píng)價(jià)結(jié)果:1—1剖面為正常級(jí),2—2剖面和3—3剖面為較正常級(jí)。最后運(yùn)用STAB軟件計(jì)算出各剖面的安全系數(shù),2種方法互相補(bǔ)充和驗(yàn)證。結(jié)果表明,將二者相結(jié)合可使排土場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)估更加全面、科學(xué)、可靠。
[參 考 文 獻(xiàn)]
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Analysis of the waste dump stability based on harmony
degree evaluation model and STAB simulation
Wan Fei,Wang Xiaolin,Yin Ligang
( Sinosteel Wuhan Safety & Environmental Protection Research Institute Co. ,Ltd.)
Abstract: In a case study of a three-level waste dump of an open-pit mine,harmony degree comprehensive evaluation model and STAB simulation are combined to establish a waste dump stability comprehensive evaluation model with the help of harmony degree comprehensive evaluation model,and the fuzzy analytic hierarchy process is used to assign different weights to different index factors of different importance,where the representative regions of three sections in the waste dump are taken as evaluation objectives,and single index,multiple index and harmony degree matrix of each section are obtained based on harmony degree equation.The safety level of each section in the waste dump is comprehensively evaluated as follows:Section 1-1 normal,Section 2-2 and 3-3 relatively normal.The safety factors are verified by the calculation of STAB.The results are consistent,indicating good evaluation effect,and can be used as reference by similar mines.
Keywords: harmony degree evaluation;STAB simulation;waste dump;stability;safety factor