帷幕注漿工程質(zhì)量模糊綜合評價模型

李元松，吳春華，段鑫，李洋，董開源

1.武漢工程大學資源土木工程學院，湖北 武漢 430074；2.黃石市礦山安全檢測檢驗所，湖北黃石 435000

帷幕注漿工程質(zhì)量模糊綜合評價模型

李元松1，吳春華2，段鑫1，李洋1，董開源2

1.武漢工程大學資源土木工程學院，湖北 武漢 430074；2.黃石市礦山安全檢測檢驗所，湖北黃石 435000

帷幕注漿工程質(zhì)量驗收指標與工作過程具有模糊性與不確定性，現(xiàn)有的單因素評價或多因素混合評價都難以給出定量結(jié)論，提出運用模糊綜合評價方法.基于模糊決策理論，嘗試將帷幕注漿工程質(zhì)量的影響因素進行分類并量化，根據(jù)專家經(jīng)驗與影響因子的特點，選用對應的隸屬函數(shù)，應用層次分析法確定權(quán)重系數(shù)，建立帷幕注漿工程質(zhì)量的定量評價模型，并將該模型用于大冶礦帶3個典型巖溶礦床帷幕注漿堵水工程的質(zhì)量評價與鑒定，結(jié)果與抽水試驗和后期運營狀態(tài)具有高度的一致性.

巖溶礦床；地下水防治；帷幕注漿；工程質(zhì)量；評價模型

0 引言

帷幕注漿堵水方法因其既能有效堵水，又能保護地下水資源、防止地面塌陷等地質(zhì)環(huán)境災害，符合國家安全、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，應用越來越廣泛，尤其是深埋礦產(chǎn)資源的開發(fā).我國大多數(shù)富水巖溶礦床的開采，均或多或少使用了帷幕注漿技術(shù)進行地下涌水的封堵與阻隔［1－4］.然而，帷幕注漿工程具有典型的隱蔽工程特點，其工程施工質(zhì)量檢查和效果評價一直是困擾工程界的難題，現(xiàn)有的單因素評價或多因素混合評價都難以給出定量結(jié)論［5－7］.筆者認為，工程質(zhì)量的好與壞具有一定的模糊性，影響工程質(zhì)量的因素也具有模糊性.模糊數(shù)學可以不考慮這些因素的作用過程，而根據(jù)已有工程質(zhì)量評估的專家經(jīng)驗，量化各影響因素的權(quán)重，通過模糊運算得出定量評價結(jié)果.本文試圖應用模糊綜合評價理論，結(jié)合多個溶巖礦山帷幕堵水工程質(zhì)量檢測評定實踐，建立帷幕注漿工程質(zhì)量綜合評價模型，以供類似注漿工程質(zhì)量檢測鑒定時參考.

1 模糊綜合評價基本理論

1.1 基本步驟

a．構(gòu)造影響因素集X＝｛x1，x1，．．，xm｝，評語集Y＝｛y1，y1，．．，ym｝.對集X中的因素xi（i＝1，2，…，m）做單因素評判，確定xi對yj（j＝1，2，…，n）的隸屬度rij，由此得出第i個因素xi的單因素評判集ri＝（ri1， ri2，．．，rim）.

b．確定隸屬函數(shù).根據(jù)工程經(jīng)驗，確定相應的隸屬度計算方法及相應公式.

c．根據(jù)隸屬函數(shù)構(gòu)建模糊評判矩陣R.

R為論域X到論域Y的一個模糊關系，rij表示因素對抉擇等級yj的隸屬度.

e．一致性檢驗.由矩陣R求出的W是否合理，還需按式（1）進行隨機一致性檢驗.

式（1）中：CR為一致性比率；CI為一致性指標；由式（2）計算：

其中：λmax為判斷矩陣的最大特征根，其值按式（3）計算：

式（3）中，m為R的階數(shù)，RI為R的平均隨機一致性指標，由隨機試驗確定，RI取值見表1［11］.

表1 層次分析法的平均隨機一致性指標值Table 1 Mean random consistency index of AHP

當CR＜0．1時，即認為R的一致性良好，說明權(quán)數(shù)分配是合理的；否則，就需重構(gòu)R，直至取得一致性為止.

f．進行模糊綜合評判.考慮權(quán)值分配，則綜合評判模型為：

1.2 模糊合成運算模型

模糊合成運算理論方法很多，實際應用經(jīng)常采用如下幾種模型.

a．M（Λ，V）模型.

這種模型的特點是運算簡單，不足方面是只考慮了主因素，忽略次要信息.

這是M（∧，V）模型的改進型，它與M（∧，V）的區(qū)別是用乘法代替“∧”，其優(yōu)點是它兼顧了所有因素，乘法運算不丟失信息.

與M（∧，V）接近，但比M（∧，V）更為精細，由此得到的評判結(jié)果在一定程度上反映了非主要指標.

該模型的特點是以權(quán)重大小均衡兼顧所有因素，體現(xiàn)出整體綜合特性.

e．模型V－M（·，+）

運算時wi必須歸一化.該模型的特點是既考慮了所有因素的影響，同時保留了單因素評判的全部信息.

2 帷幕工程質(zhì)量評價模型

2.1 評價因子的選擇

影響帷幕注漿工程質(zhì)量的因素眾多，包括水文地質(zhì)因素、設計因素、注漿材料、施工工藝和施工管理等.如果不加區(qū)分，問題就變得相當復雜.只有抓住主要矛盾，放下次要因素，問題才得以簡化.據(jù)此，選擇工程質(zhì)量評估中常見且有效的因素作為評價因子：

a．質(zhì)量保證資料的完整性.根據(jù)相關質(zhì)量檢驗標準，資料的完整程度分為三個等級，評定標準：

1）所用材料質(zhì)量檢驗結(jié)果；

2）材料配比和試驗數(shù)據(jù)；

3）隱蔽工程施工的詳細記錄；

4）質(zhì)量控制指標的試驗記錄及試驗報告；

5）施工過程中異常情況記錄及其影響分析；

6）發(fā)生質(zhì)量事故，經(jīng)處理后，達到設計要求的認可證明材料等.

上述1－6項完整者為Ⅰ級，優(yōu)；1－2項不完整者為Ⅱ級，合格；缺項或3項及以上資料不全者劃為Ⅲ級，不合格.

b．帷幕設計參數(shù).

1）帷幕軸線地址；2）帷幕型式；3）幕墻厚度；4）擴散半徑；5）鉆孔間距.

上述1－5項符合設計要求者為Ⅰ級，優(yōu)；1項不符合設計要求者為Ⅱ級，合格；2項及以上不符合設計要求者為Ⅲ級，不合格.

c．注漿施工.

單孔質(zhì)量：1）鉆孔質(zhì)量；2）注漿材料、配比及濃度變換；3）注漿壓力；4）結(jié)束標準.其中4項均符合設計要求者為Ⅰ級；1項及以上不符合設計要求者為Ⅱ級.

整體質(zhì)量：90%鉆孔質(zhì)量為Ⅰ級者，優(yōu)良，80%鉆孔質(zhì)量為Ⅰ級者評為合格，否則不合格.

d．壓水試驗.

檢查孔壓水試驗：1）透水率≤3 lu為I級；2）透水率3～5 lu為Ⅱ級；3）透水率＞5 lu為Ⅲ級.

90%以上的壓水段為I級者為優(yōu)良；80%壓水段為I級者，或90%以上壓水段為Ⅱ級或以上者為合格，否則不合格.

e．鉆孔巖芯R.Q.D值R.Q.D值大于75%為I級；50%～75%為Ⅱ級；30%～50%Ⅲ級；小于30%為Ⅳ級.

所有檢查鉆孔R.Q.D值，評為I級超過總數(shù)90%的為優(yōu)良；70%為I級者，或80%以上鉆孔R.Q.D值為Ⅱ級者為合格，否則不合格.

f．結(jié)石體質(zhì)量.

1）結(jié)石體抗壓強度≥10 MPa為Ⅰ級，否則為Ⅱ級；2）滲透系數(shù)≤10-7m／d為Ⅰ級，否則為Ⅱ級.

90%結(jié)石體為Ⅰ級者判為優(yōu)良，80%結(jié)石體為Ⅰ級者判為合格，否則不合格.

g．CT檢測試驗.

1）無大的斷層、破碎帶未被充填為Ⅰ級；否則為Ⅱ級.

2）無大的溶洞、或主徑流帶未被充填密實者為Ⅰ級；否則為Ⅱ級.

上述兩項均為Ⅰ級者定為Ⅰ級，優(yōu)良，1項評為Ⅰ級者，定合格，否則不合格.

h．抽水試驗.

1）堵水率達到設計要求者定為Ⅰ級，否則定為Ⅱ級.

2）抽水試驗達到穩(wěn)定流條件者定為Ⅰ級，否則定為Ⅱ級.

上述兩項均為Ⅰ級者定為Ⅰ級，優(yōu)良；1項評為Ⅰ級者定為合格，否則不合格.

i．水位觀測.

1）水位變化無異常者定為Ⅰ級，否則定為Ⅱ級.

2）幕內(nèi)外落差顯著者定為Ⅰ級，否則定為Ⅱ級.

上述兩項均為Ⅰ級者定為Ⅰ級，優(yōu)；1項評為Ⅰ級者定為合格，否則不合格.

因此，選取上述9種因素作為評價因子，建立評價因子模糊集合：

工程質(zhì)量分為優(yōu)良、合格、不合格3個等級，建立模糊集合：

2.2 隸屬度的確定

對于離散型變量隸屬度的取值，目前還沒有普遍認可的確定方法，主要根據(jù)專家經(jīng)驗，結(jié)合工程情況評定，可參考表2取值.

表2 注漿工程質(zhì)量相關因素隸屬度Table 2 Membership degree of factors related to grouting

2.3 權(quán)重的確定

確定評價因素的權(quán)重有多種方法.由于工程環(huán)境的復雜性和模糊性，用數(shù)學模型確定評價因素的權(quán)重較為困難，有時對工程地質(zhì)、水文條件和帷幕所處的環(huán)境地質(zhì)條件與施工技術(shù)條件分析不足而過分地依賴數(shù)學模型，確定的權(quán)重可能不盡合理，相反，根據(jù)專家的經(jīng)驗判斷，其結(jié)論更為可靠.本文評價主要AHP法確定權(quán)重，是多位專家的經(jīng)驗判斷結(jié)合數(shù)學模型，通過運算確定權(quán)重，是一種較為合理、可行的分析方法.它強調(diào)人的思維判斷在決策中的作用，通過一定的模式規(guī)范決策思維過程，適用于定性與定量因素相結(jié)合的工程決策問題.帷幕注漿工程質(zhì)量評價的層次分析法確定權(quán)重的矩陣打分見表3.

2.4 綜合評價模型

依據(jù)上述模糊綜合評價理論，結(jié)合多個帷幕注漿專家的工程經(jīng)驗，得出如下帷幕注漿工程的評價參數(shù)與評價步驟：

表3 評價因子矩陣打分表Table 3 Evaluation factor matrix

a．評語集＝｛優(yōu)良，合格，不合格｝；

b．因子集＝｛資料，帷幕設計，施工質(zhì)量，壓水試驗，結(jié)石體質(zhì)量，R．Q．D值，CT檢測，抽水試驗，水位觀測｝；

c．權(quán)重集合A={0.023,0.112,0.180,0.158,0.045, 0.089,0.068,0.189,0.135}；

d．確定因素的隸屬度，建立評判矩陣R；

e．進行模糊運算，得出評判集B＝A·R

f．根據(jù)最大隸屬度準則對帷幕注漿工程質(zhì)量進行模糊綜合評判.

3 工程應用

作者有幸參與了湖北大冶礦帶幾個典型巖溶礦床帷幕注漿工程質(zhì)量驗收評價，詳細信息將另文介紹，收集到的數(shù)據(jù)按上述方法進行整理，結(jié)果如表4所示.

表4 幾個典型矽卡巖礦床帷幕注漿工程質(zhì)量數(shù)據(jù)Table 4 Grouting curtain engineering quality information of typical Karst water-filled deposits

根據(jù)表4和表2選取評價因子的隸屬度，形成的關系矩陣分別為：

按上述模型V計算質(zhì)量評價集B分別為：

大紅山：B1＝（0．419，0．464，0．115）；鯉泥湖：B2＝（0．277，0．487，0．235）；大志山：B3＝（0．288，0．486，0．225）.

由最大隸屬度準則，可以判斷上述3個礦山帷幕注漿工程質(zhì)量均為合格，相對而言，優(yōu)良＋合格的偏移值，大紅山礦＝0．883，鯉泥湖＝0．764，大志山礦＝0．774，大紅山礦注漿效果更好.根據(jù)后期的生產(chǎn)排水量，3個礦山的平均帷幕堵水率分別達到75%，71%和72．5%，說明采用模糊評價模型能較為客觀地反映注漿工程的整體質(zhì)量和綜合效果.

4 結(jié)語

a．模糊綜合評價模型既能考慮專家的工程經(jīng)驗，又能通過數(shù)學推演給出定量結(jié)論，比較適合帷幕注漿工程這類涉及因素眾多，難以定量分析的質(zhì)量驗收評價與鑒定問題，3個巖溶礦山大型帷幕注漿工程質(zhì)量評價鑒定的實踐表明，模糊綜合評價模型是成功的.

b．對于工程中經(jīng)常出現(xiàn)的離散型變量，目前仍沒有合適的方法確定其隸屬度，專家確定法依賴專家的經(jīng)驗與判斷力，需進一步的理論研究.

致謝

感謝大志山礦業(yè)公司、鯉泥湖礦業(yè)公司、大紅山礦業(yè)公司及中南基礎工程公司提供項目經(jīng)費支持及寶貴的原始資料！

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Fuzzy comprehensive evaluation model of grouting curtain engineering quality

LI Yuan－song1，WU Chun－h(huán)ai2，DUAN Xin1，LI Yang1，DONG Kai－yuang2
1．School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2．Huangshi Institute of Mine Safety Inspection，Huangshi 435000，China

It is difficult to get the quantitative conclusion by the single factor evaluation and the multi－factor synthetic evaluation because the check indexes of curtain grouting engineering quality and the work processes have the characteristics of ambiguity and uncertainty．The method of fuzzy comprehensive evaluation was proposed．Based on fuzzy decision theory，factors influencing the quality of the curtain grouting engineering and water plugging effect evaluation were classified by analytic hierarchy process method to determine the weight coefficient，then a quantitative evaluation model of the curtain grouting engineering quality was built，which was used in evaluation and appraisal of quality in Daye ore with multiple typical karst deposit curtain grouting water plugging engineering，and the results are satisfactory．

Karst water－filled deposit；groundwater blockage；grouting curtain；engineering quality；assessment model

TU 443

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.08.001

1674－2869（2015）08－0001－05

本文編輯：龔曉寧

2015－04－30

李元松（1964－），男，湖北應城人，教授，博士.研究方向：巖土工程領域的教學與研究工作.