尾矿库安全实测性态综合评价方法研究初探

韩志磊，苏 军，杨小聪

（北京矿冶研究总院，北京100160）

尾矿库是重大的工业危险源，其安全管理至关重要。随着国家安监部门重视度的提高和相关技术的不断发展，尾矿库安全管理工作有了很大提高，主要体现在尾矿库在线监测技术的普遍应用。针对当前现状，借助尾矿库监测资料的深入分析来评价尾矿库的安全性就成为了一项重要工作。目前，基于尾矿库监测资料的研究大多是针对单项目（如坝体位移、浸润线监测）、单测点的实测效应量建立数学模型（回归分析、支持向量回归机、灰色系统模型等），对尾矿库坝体位移、浸润线等进行分析预测［1－2］，结合监测资料对尾矿库安全性态进行综合评价的研究相对较少。单测点数学模型在反映尾矿库整体安全性态方面，还存在一定局限性，因此通过多项目、多测点监测数据及定性巡查资料对尾矿库安全性态进行综合评价很有必要。

相对于尾矿库监测数据综合分析评价研究落后的现状，水库大坝相关的研究则比较成熟，因此本文借鉴大坝结构实测性态综合评价相关理论，同时考虑尾矿库监测现状及数据分析的具体情况，构建了尾矿库实测性态综合评价体系，研究了尾矿库安全实测性态综合评价方法。

1 实测性态综合评价方法研究

1.1 综合评价指标体系

尾矿库安全监测涉及坝体位移、浸润线、干滩、库水位、降雨量等项目，巡视检查包括尾矿坝安全检查、库区安全检查及防洪安全检查。与水库大坝不同，尾矿库的整个运行期也是其建设期，运行情况变化较快，因此，对尾矿库状态的实时分析非常重要，尤其是汛期的短时实施评价极为关键。尾矿库评价指标主要包括坝体安全、渗流安全、调洪安全及运行环境安全。坝体变形主要考虑坝体表面位移和内部位移状态，渗流安全主要考虑坝体的渗压及渗流量状态等。

考虑到尾矿库运行环境的特殊性、系统化监测设置及针对性分析研究相对较晚等状况，所以尾矿库综合评价指标中将变形、渗流、调洪及巡查并列在同一层次，资料完整时可以实现尾矿库安全的综合评价，资料不完善时可以实现针一些针对项目的评价分析。本文根据尾矿库安全监测状况，结合尾矿库不同监测项目、不同监测点及巡查资料，构建多层次、多指标尾矿库实测性态综合评价体系如图1［3－4］所示。

图1 尾矿库实测性态综合评价指标体系

1.2 综合评价集

由《尾矿库安全技术规程》可知，尾矿库安全度主要根据尾矿库防洪能力和尾矿库坝体稳定性确定，分为危库、险库、病库、正常库四级［5］。除正常库外，前三类只是病险程度不同而已。规范中对安全度的模糊界定造成安监部门或评价机构的尾矿库安全评价结果具有很大人为性。

评价指标的度量与评价等级相联系，若等级数量划分过少，将失于粗略，不利于尾矿库实测性态的真实合理反映；若等级数量划分过多，又会使确定等级间界限的难度和计算工作量加大。本文参考大坝结构实测性态综合评价中综合评价集的划分方法，同时结合尾矿库安全规范中安全度的定义，将尾矿库安全等级分为以下四个等级：安全、基本安全、不安全、很不安全［6］。用数学语言可表述为：

V＝｛v1，v2，v3，v4｝＝｛安全，基本安全，不安全，很不安全｝

1.3 评价指标度量方法

1.3.1 定量指标度量方法

对于不同的评价指标，安全各等级的意义不同，因此评价等级的划分也不一样。尾矿库实测性态综合评价指标中，有的指标有明确的特征值，有的没有明确规定的特征值。在指标评价等级划分时，针对两种情况采用不同的处理方式。

1）有明确特征值指标。评价等级可根据其特征值来划分，例如浸润线、安全超高、干滩长度、降雨量等指标。《尾矿设施设计规范》对上游式尾矿堆积坝最小安全超高和最小滩长、下游式和中线式尾矿坝最小滩长以及尾矿堆积坝下游坡浸润线最小埋深做了明确规定［7］。

同样地，降雨也有明确的等级划分。降雨量监测常用降雨强度表示，我国气象部门一般采用的降雨强度标准（24小时计）如下。结合本研究中尾矿库安全评价等级的划分以及降雨量等级特征值，将降雨分为如下几个等级。

结合尾矿库规范中的具体规定以及降雨量等级的划分，初步将这些有明确特征值的评价指标安全等级划分如表1所示。具体实施中评价等级的划分尚需结合专家意见、尾矿库筑坝方式及等别的不同进行详细研究确定，使得评价等级更加客观实用。

表1 尾矿库安全综合评价指标评价等级

2）对于没有明确特征值的指标。尾矿库实测性态综合评价中，有些指标没有明确的特征值，如坝体位移、渗流量等。对于这些指标，可以运用数理统计理论，结合置信水平对这些指标进行安全等级划分，主要是将监测值与监测模型拟合值及所建立的安全监控指标进行比较，结合安全等级标准来评价监测值的安全度［8］。

1.3.2 定性指标度量方法

尾矿库实测性态的综合评价既包括对不同监测项目、不同测点监测数据的分析评价，也包括对巡视检查内容的定量评价。尾矿库安全巡视检查结果大多难以用确切的数值或数学公式来表达，一般只能进行定性描述，因此，对定性指标进行量化分析，一般采用专家评分方法，即根据尾矿库安全评价的特点，无倾向性地选择位专家，每位专家根据巡视检查结果和自己的专业知识、实践经验独立地对各定性指标进行评分（记专家对定性指标的评分为），然后通过对位专家的评分进行综合而得到。目前常用的专家评分综合方法有完全平均法、中间平均法和加权平均法等［9］。

1.4 隶属度的确定

对于有明确特征值的评价指标（如浸润线、安全超高，干滩长度，降雨量等）采用模糊统计的方式计算他们的隶属度；对于没有明确的特征值的指标，借助统计学方法，采取的形式，通过值的不同来区别不同的安全等级，运用模糊统计方法确定其隶属度。

上面已经详细介绍了各评价因素的各级特征值，并结合各级特征值对不同评价指标的安全等级进行了具体划分。因此，对具体评价时段内的监测值而言，其对应的各安全等级隶属度计算如下所示。

其中，μ为指标的均值或期望值，σ为指标的均方差，ki的取值和置信水平有关，对于不同的评价对象和不同的评价等级ki取值不同。rij（j＝1，2，3，4）为第i个评价指标相对于第j个评价等级的隶属度，c为所有监测值，n为评价时段内监测值数目，vj（j＝1，2，3，4）为对应的各安全等级。

1.5 权重的确定

尾矿库实测性态综合评价指标对于评价目标的贡献程度可用权值进行界定，对于贡献大的指标，赋予较大的权值，贡献较小的指标则赋予较小的权值。尾矿库监测项目众多，层次也有所不同，所以其评价以多级综合评价为主。

根据多层次综合评价指标体系可以得到评价因素集，分层次如下表示。

第一层：最终目标U＝｛U1，U2，U3，U4｝＝｛变形，渗流，调洪，巡查｝；第二层：U1＝｛u1，u2｝＝｛表面位移，内部位移｝，U2＝｛u3，u4，u5｝＝｛渗流压力，渗流量，绕坝渗流｝，U3＝｛u6，u7，u8｝＝｛干滩长度，安全高差，降雨得｝，U4＝｛u9，u10，u11｝＝｛防洪检查，坝体检查，库区检查｝。

第二层评价因素根据具体情况可进一步细分为第三层、第四层…评价因素。通过对不同指标间的逻辑关系进行分析，建立符合实际情况的层次结构图。目标层位于最高层，为实现目标的具体指标位于最底层。

实际应用中，可根据具体情况，选择一种或者多种赋权值的方法，针对尾矿库实测性态综合评价的层次性，可采用层次分析法来确定各个评价因素相对于评价目标的权值。考虑到层次分析法属于主观赋权，也可根据监测资料的贡献程度，采用主成分分析法、因子分析法等客观赋权法确定权值。针对尾矿库实测性态综合评价实际，可将主客观赋权结合使用，充分发挥监测资料和专家的作用，使综合评价结果更为可靠［10］。

1.6 综合评价方法

尾矿库实测性态综合评价结果是一个模糊的概念，综合评价等级中安全、基本安全、不安全、很不安全之间，本质上并没有严格的界定。要对这样一个模糊概念进行综合评价，采用传统数学上的非此即彼的确定方法十分困难，因此，一般需要借助现代数学理论方法（如模糊数学理论、灰色理论、突变理论等）结合层次分析法进行分析，如模糊数学中的模糊综合评价模型总的表达式为［11］B＝（b1，b2，…，bn）＝W°R。式中：W是由m个评价指标的权值wi（i＝1，2，…，m）所形成的向量；R是由评价指标ui对评价等级vj的隶属度rij所形成的隶属度矩阵；B是模型的评价结果形成的向量；“°”表示某种综合评价运算。

2 工程实例

以某尾矿库为实例，验证本文所提方法的可行性和实用性。该尾矿库为河谷型尾矿库，采用上游式筑坝。2009年该尾矿库建立了自动化监测系统，系统监测内容包括坝体变形监测、浸润线监测、干滩监测以及降雨量监测等。该自动化系统通过对尾矿库主要技术数据的实时监测，可以实时了解尾矿库在运行期间的安全状态。以该尾矿库实测位移、浸润线埋深、干滩监测数据对尾矿库安全状态进行评价，考虑到实时评价对尾矿库运行安全的重要性，采用某一分析时段数据进行分析评价，本次选择2010年9月份作为分析评价时段。采用层次分析法计算综合评价权值，结合该尾矿库实际状况，确定层次分析法的判断矩阵。

计算得到尾矿库安全实测性态评价因素集（坝体位移、浸润线埋深、干滩）的权重向量为W＝（0.2671，0.3425，0.3904）。

对于坝体位移、浸润线埋深、干滩长度这三类评价指标，根据评价等级的划分，采用模糊统计方法，求得该监测时段隶属度矩阵。

采用加权平均型评判模型得到综合评判矩阵。

根据最大隶属度原则，最大值出现在评判集，即分析时段内尾矿库实测性态为安全，这与尾矿库现场人员巡视检查评价结果基本一致。

3 结语

尾矿库安全实测性态综合评价是一个多层次、多指标的复杂分析评价问题，涉及到多项目、多测点数据的综合分析以及定性资料的定量评价。本文根据尾矿库安全监测实施现状，构建了尾矿库安全实测性态综合评价体系，对尾矿库实测性态综合评价方法进行研究。主要讨论了综合评价指标体系和综合评价集的确定、综合评价指标的度量方法、权值的确定以及综合评价方法。以某尾矿库实测资料为例，对该方法的可行性进行了验证，该方法为尾矿库安全实测性态综合评价提供了新的方法和思路。本方法将大坝实测性态综合评价理论应用于尾矿库工程实际，同时结合尾矿库工程实际及相关规范，针对实测数据对尾矿库实测性态进行综合评价，比以往定性评价及单指标分析评价更加客观，对尾矿库安全管理具有一定的指导意义。

［1］ 李钢.基于灰色系统理论的尾矿库坝体形变位移预测方法［J］.中国安全生产科学技术，2012（4）：107－110.

［2］ 李娟，李翠平，李春民.支持向量回归机在尾矿坝浸润线预测中的应用［J］.中国安全生产科学技术，2009，5（1）：76－79.

［3］ 何金平，李珍照，施玉群.大坝结构实测性态综合评价方法研究［J］.水力发电学报，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］ 国家安全生产监督管理总局.尾矿库安全技术规程［S］.AQ 2006－2005，2006.

［6］ 李宗坤，姜景山，王广印.土石坝实测性态综合评价方法研究［J］.岩土工程学报，2007（2）：255－259.

［7］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.尾矿设施设计规范［S］.GB 50863－2013，2013.

［8］ 韩志磊，郭利杰，杨小聪.尾矿坝浸润线在线监测回归分析［J］.现代矿业，2012（5）：73－76.

［9］ 姜帆.土石坝安全综合评价系统技术研究［D］.沈阳：沈阳农业大学，2007.

［10］ 谢季坚，刘承平.模糊数学及其应用［M］.武汉：华中科技大学出版社，2005.

［11］ 何金平，李珍照，施玉群.大坝结构实测性态综合评价中的权重问题［J］.武汉大学学报：工学版，2001（6）：13－16.