基于改进物元可拓模型的透水堆石坝稳定性分析

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 工程概况

弓长岭尾矿坝位于辽宁省辽阳市弓长岭区平山镇境内，距离镇政府所在地平山镇约2km。该尾矿坝始建于20世纪50年代，初期坝型为透水堆石坝，主要建筑物包括基础坝和排水设施。该尾矿坝的坝顶高程为420.00m，最大坝高75m，坝顶长205m。坝体上游面设置由土工布和砂砾石料组成的反滤层以及排水盲沟，坝体堆石料为质地坚硬的中风化和微风化安山岩。坝址区的沟谷为典型的V字结构，高程在394.50～486.20m之间，属于典型的低山侵蚀型谷地。坝址区的基岩岩层受构造应力作用，节理裂隙较发育。坝址区属于汤河水系，主要地表水为小细河与西沟沟内溪水，地下水为第四系碎石层潜水。

2 透水堆石坝稳定性评价方法

2.1 改进物元可拓模型

可拓学理是我国于20世纪80年代发展起来的，是通过对客观事物发展规律与可能性的深入发掘，达到事物之间矛盾的有效解决的创新学科[1]。物元理论的基本思想是将客观世界中的事物和事件之间的联系转化为数学模型，以研究客观事物的可拓性及内在变化规律。物元理论与可拓理论的有效结合，可以通过对研究对象的特征与联系进行定性与定量的方法转化为经典域、值域和评价等级，并基于可拓理论对评价对象的等级进行准确定位[2]。

本次研究的透水堆石坝稳定性评价是一项涉及诸多影响因素的复杂性工作，物元可拓法与传统方法相比具有多因子评价过程中的诸多优越性，例如，可以克服层次分析法中的主观因素对评价结果的影响；结果存在多种可能，并非传统研究方法在结果上的非黑即白，因此，在解决矛盾性问题上具有显著优势和较强的适应性[3]。将改进物元可拓法用于透水堆石坝稳定性评价，首先需要确定透水堆石坝稳定性的各项分级指标，利用隶属函数计算出各个评价指标的隶属度，并以此为基础建立典域、节域以及待评物元，然后利用关联函数计算单因素的综合关联度，确定各项指标对坝体稳定性的影响程度，最后计算变量特征值，确定坝体的稳定性等级[4]。

2.2 透水堆石坝稳定性等级

对透水堆石坝稳定性的评价是一项复杂工作，会受到坝体、各种设施以及管理等多种因素的影响。因此，需要集合各个评价指标对坝体稳定性的影响，形成综合性等级评价。当前，对坝体稳定性的评价尚无严格标准，因此出现了多种等级划分方式。其中有代表性的是按照坝体安全等级进行四级划分以及按照我国尾矿坝安全技术规程进行五级划分[5]。本次研究采用四级划分，分别划分为Ⅰ级(稳定)、Ⅱ级(基本稳定)、Ⅲ级(不稳定)、Ⅳ级(极不稳定)，对应正常大坝、病坝、险坝以及危坝四个不同状态。

2.3 透水堆石坝稳定性指标分级

为了对透水堆石坝的稳定性进行准确评价，需要按照科学性、系统性和可操作性的原则选取评价指标[6]。结合相关研究成果以及坝体失稳事故的具体分析，研究确定由19个具体指标组成的稳定性指标体系[7]。对上述指标体系中的所有指标进行具体分析，以选择衡量的具体方式，进而将其分为定性和定量分析两大类，其中11个为定量指标、8个为定性指标。根据坝体安全技术规程、工程经验以及相关专家的评价确定19个指标的分级标准，见表1。表1中的前11个指标为定量型指标，可以根据相关的技术规范标准结合透水堆石坝的实际情况给出具体数据；后8个指标为定性型指标，可以根据相关研究成果和专家经验进行打分，并划分出等级。

表1 评价指标分级标准

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2.4 稳定性指标隶属度

在透水堆石坝稳定性评价过程中，由于指标的量纲存在不同，会对评价结果造成影响甚至使评价结果失效，进而无法进行综合稳定性评价[8]。因此，本次研究中通过构建隶属度函数，求出无量纲指标隶属值，以保证稳定性评价的顺利进行。对上述19个指标的具体特征进行分析，发现部分指标属于越大越有利，而部分指标则属于越小越有利，因此研究中根据两种指标的数值特征，构建出待求物元的公式，以确定两种隶属函数。根据隶属函数计算表1中各个指标分级标准的隶属值范围，结果见表2。在具体工程分析中，根据指标实测数值计算各个指标的隶属值，根据表2中的隶属值等级范围对坝体的稳定性进行衡量。

表2 评价指标隶属值等级范围

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3 弓长岭尾矿坝稳定性评价结果

研究中搜集了弓长岭尾矿坝的施工组织设计、实验室测量数据以及现场勘测资料，结合相关领域的专家打分，获得19个评价指标的实测数值。以实测数值为基础，根据构建的模型，计算弓长岭尾矿坝各指标的单因素综合关联度，结果见3。由表3的计算结果可知，本文所选取的19个评价指标中无一指向坝体的极不稳定状态，说明坝体的稳定性良好。但是，在19个指标中，有1个指标评价为Ⅲ级，12个指标评价为Ⅱ级，因此，对这些指标需要寻找背后的问题，并采取必要措施，使各个指标逐步趋向于Ⅰ级。

表3 各指标综合关联度计算结果

根据单因素综合关联度计算结果，求出四个等级的综合关联度，其最大值为0.3129，因此，弓长岭尾矿坝稳定性评价等级为Ⅰ级。根据上述关联度求解结果，进一步计算出等级变量的特征值为1.31，说明弓长岭尾矿坝稳定性等级为1.31级，相对于Ⅰ级稳定性风险稍大。

4 结 论

透水堆石坝是尾矿坝的重要坝型，如果管理不善而发生溃坝事故，势必对下游群众的生命财产安全造成严重影响。本文以辽宁省辽阳市弓长岭尾矿坝为对象，利用改进物元可拓模型对透水堆石坝的稳定性评价进行研究。结果显示，弓长岭尾矿坝稳定性等级为1.31级，相对于Ⅰ级稳定性风险稍大，在所选取的19个评价指标中无一指向坝体的极不稳定状态，说明坝体的稳定性良好。但是，在19个指标中，有1个指标评价为Ⅲ级，12个指标评价为Ⅱ级，因此，要对这些指标指向的问题，强化管理和处置，不断提升尾矿坝的稳定性。