層次分析法在大冶高陡邊坡危險(xiǎn)性分析中的應(yīng)用

吳燕玲， 曾凱波，周 麟，李先福*

(1. 中國(guó)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(dòng)帶內(nèi)的大冶鐵礦是我國(guó)著名的接觸交代型鐵礦床，其東露天采場(chǎng)由象鼻山、獅子山、尖山三個(gè)礦段組成.目前大冶鐵礦申報(bào)為首批國(guó)家礦山公園，由于地表資源已枯竭而轉(zhuǎn)入地下開采，對(duì)邊坡巖體形成了新的擾動(dòng)，加速了高陡邊坡的變形破壞.因此，如何安全有效地分析、評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)于國(guó)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(píng)價(jià)方法、灰色聚類評(píng)價(jià)方法、可靠度評(píng)價(jià)方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法等，然而這些評(píng)價(jià)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(jì)算誤差較大[1].由于常用的評(píng)價(jià)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(jí)分類，建立了簡(jiǎn)單的層次分析圖，使較多影響邊坡穩(wěn)定性的因素真實(shí)地參與評(píng)判，不僅簡(jiǎn)化了計(jì)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(jiǎn)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(duì)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(diǎn)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(gè)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(duì)重要度的總的排序.整個(gè)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(diǎn)[3-5].

2 層次分析法在大冶鐵礦邊坡危險(xiǎn)性分析的應(yīng)用

2.1 東露天采場(chǎng)工程地質(zhì)分區(qū)

由于東露天采場(chǎng)的地質(zhì)情況復(fù)雜，根據(jù)大冶鐵礦東露天采場(chǎng)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(gè)區(qū)(見圖1).8個(gè)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(chǎng)工程地質(zhì)分區(qū)圖[6]

2.2 影響邊坡危險(xiǎn)性因素

影響邊坡危險(xiǎn)性的因素很多，考慮所有的因素顯然不切實(shí)際，指標(biāo)過多會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量太大，指標(biāo)太少又容易造成較大誤差，通過前面對(duì)大冶鐵礦東露天采場(chǎng)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(jí)指標(biāo)、二級(jí)指標(biāo)、基礎(chǔ)指標(biāo).一級(jí)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(jí)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(jí)指標(biāo)地下開采；每一個(gè)二級(jí)指標(biāo)下面都有基礎(chǔ)指標(biāo).

每一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重是根據(jù)影響邊坡危險(xiǎn)性的程度及綜合每個(gè)專家打分取平均值得出的[7-8].大冶鐵礦東露天采場(chǎng)高陡邊坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)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(chǎng)高陡邊坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[3]

2.3.2 對(duì)權(quán)向量進(jìn)行一致性檢驗(yàn) 由表2可以看出來，對(duì)于邊坡的危險(xiǎn)性主要受二級(jí)指標(biāo)(B)的影響，因此可以將二級(jí)指標(biāo)(B)權(quán)向量構(gòu)成檢驗(yàn)矩陣.通過計(jì)算，檢驗(yàn)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(jí)指標(biāo)(B)的個(gè)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(xiǎn)性

通過上面建立的評(píng)價(jià)體系，將每個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)對(duì)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(gè)區(qū)的危險(xiǎn)性程度，F(xiàn)表示危險(xiǎn)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(duì)邊坡的危險(xiǎn)性量化分析，上面計(jì)算的數(shù)據(jù)是在0～1之間，如果計(jì)算結(jié)果是0的話，表明影響邊坡危險(xiǎn)的因素都不存在，邊坡處于非常穩(wěn)定狀態(tài)；如果計(jì)算結(jié)果是1的話，表明所有的影響邊坡危險(xiǎn)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(duì)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(shí)，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(shí)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(shì)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(jì)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(jì)算結(jié)果，大冶東露天采場(chǎng)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(xiǎn)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(píng)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(gè)方面的影響因素,以使評(píng)價(jià)結(jié)果更能反映實(shí)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(shí)地參與評(píng)判，不僅簡(jiǎn)化了計(jì)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(shí)際操作相對(duì)簡(jiǎn)單，因此便于推廣，實(shí)用價(jià)值大.

b. 根據(jù)層次分析法研究，大冶東露天采場(chǎng)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(zèng)、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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