模糊聚類法在巖體結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用—以三河口水利樞紐工程為例

李 鵬 宋文博

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院 西安 710001）

1 引言

在巖體的力學(xué)和穩(wěn)定性分析中，巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分析是極為重要的基礎(chǔ)工作。巖體工程地質(zhì)分類、巖體力學(xué)指標(biāo)選取、巖體抗滑穩(wěn)定分析、滲透系數(shù)計(jì)算等工作中，巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀均是應(yīng)考慮的因素。尤其在壩肩穩(wěn)定性分析中，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀更是影響巖體抗滑穩(wěn)定的重要因素之一。傳統(tǒng)的工程分析主要采用玫瑰花圖、極點(diǎn)分布圖和等密度圖對其結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律進(jìn)行分析。近年來有部分學(xué)者采用模糊聚類的方法對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分析進(jìn)行了討論。

本文擬以三河口水利樞紐工程中壩線為例，通過傳統(tǒng)的玫瑰花圖方法和模糊聚類方法對壩址區(qū)平硐巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分布規(guī)律進(jìn)行討論，以期討論兩種方法在結(jié)構(gòu)面分析中的應(yīng)用范圍，為工程巖體質(zhì)量研究提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

三河口水庫壩址區(qū)位于佛坪縣大河壩鄉(xiāng)以北約3.8km的子午河峽谷段，屬秦嶺中段南麓中低山區(qū)。子午河在壩址區(qū)流向SW51°，擬建壩型為拱壩，壩肩巖體受力方向與河流走向大致平行。

研究區(qū)屬于秦嶺緯向構(gòu)造體系中留壩—山陽構(gòu)造帶略陽—寧陜斷裂亞帶，大致以大河壩、兩河一帶分為西段的略陽—洋縣斷裂帶和東段的寧陜—南寬坪斷裂帶，由多條平行斷裂組成，近東西向波狀展布。斷面多向北陡傾，擠壓破碎帶。透鏡體發(fā)育，炭化片理化普遍。主干斷裂旁側(cè)派生構(gòu)造發(fā)育，并指示主干斷裂具有順時(shí)針扭動(dòng)特征。主要是燕山早期和中期歸并改造早期生成的斷裂而強(qiáng)烈活動(dòng)的壓扭性斷裂帶，表明區(qū)域主要應(yīng)力方向?yàn)槟媳毕?。壩址區(qū)構(gòu)造分布見圖 1。壩址區(qū)主要為西北—東南走向逆斷層及褶皺，說明區(qū)域主要以東北—西南方向壓扭性地應(yīng)力為主。

圖1 區(qū)域主要斷裂分布略圖

3 玫瑰花圖法巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分組特點(diǎn)

通過對壩址區(qū)壩線不同高程、不同位置平硐結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀做玫瑰花圖統(tǒng)計(jì)（見圖 2）。壩址區(qū)不同高程、不同位置平硐結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分布呈一定規(guī)律：左壩肩，隨著高程增加，最優(yōu)勢裂隙走向由與河流走向呈大角度相交，部分高程近垂直相交，到高高程段與河流走向小角度相交到近似平行，且高高程區(qū)域裂隙基本走向除最優(yōu)裂隙外，其他各方向也均有發(fā)育。這可能是由于地應(yīng)力作用及作用時(shí)間不一所致，低高程老地層受地應(yīng)力作用時(shí)間較長，高高程新地層受地應(yīng)力作用時(shí)間較短。右壩肩，高程上與左壩肩大致規(guī)律相似，高高程區(qū)域裂隙基本走向除最優(yōu)裂隙外，其他各方向也均有發(fā)育。

圖2 各高程、各位置平硐結(jié)構(gòu)面玫瑰花圖

4 模糊聚類法及巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分組特點(diǎn)

4.1 模糊聚類法的基本原理

傳統(tǒng)的玫瑰花圖法分析巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀把結(jié)構(gòu)面的走向、傾向和傾角分開來分析，而模糊分類法則是同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)面的走向、傾向和傾角對巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行分組，將模糊聚類得到的聚類中心作為各分類的中心產(chǎn)狀，以得到更加合理的分類結(jié)果。

已有研究表明，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀模糊聚類方法對結(jié)構(gòu)面的分類合理，結(jié)果可靠（周玉新等，2005）。本研究將巖體結(jié)構(gòu)面傾向和傾角分別作為巖體結(jié)構(gòu)面的兩個(gè)特征值，將兩個(gè)特征值組合形成的巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相似的產(chǎn)狀進(jìn)行歸類。

4.2 模糊聚類法對工程巖體分類結(jié)果

在SPSS軟件中，使用k-mean算法對兩個(gè)特征值相似的產(chǎn)狀進(jìn)行歸類，從而對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行模糊聚類分析，將模糊聚類分析得到的聚類中心作為各分類的中心產(chǎn)狀（見表1）對最優(yōu)勢的2組結(jié)構(gòu)面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

結(jié)果表明，中壩線優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面傾角在 50～70o之間，為陡傾角結(jié)構(gòu)面，而走向分布上差異較大。左岸以與河流夾角較大結(jié)構(gòu)面為主，交角在30～50o，對壩肩抗滑影響不大，僅在局部高程段(PD24,540m左右，PD23,600m左右)出現(xiàn)與河流向近平行結(jié)構(gòu)面，構(gòu)成可能的側(cè)向切割面；右岸中壩線各高程段均分布有大量與河流走向近平行結(jié)構(gòu)面，易構(gòu)成可能的側(cè)向切割面，其中PD21(580m左右)兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面均可能構(gòu)成側(cè)向切割面。

表1 模糊聚類法結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分組結(jié)果

然而，模糊聚類法不能明確反映各組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的密度分布情況，因此不能比較橫向各平硐之間影響大小。因此，結(jié)合等密度圖(見圖3)分析容易發(fā)現(xiàn)：模糊聚類法分析結(jié)果與等密度圖結(jié)果較為一致，可以很好的反映各產(chǎn)狀的相對密度大小。除左岸 PD02(580m左右)外，其余兩組優(yōu)勢裂隙之和均大于20%，與斷層組合易構(gòu)成抗滑穩(wěn)定邊界。

圖3 各平硐裂隙等密度圖

5 結(jié)論與討論

傳統(tǒng)的玫瑰花圖法對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分組，是把結(jié)構(gòu)面的走向、傾向、傾角分開來分析。而利用模糊聚類法產(chǎn)狀分組則將走向、傾向、傾角結(jié)合在一起進(jìn)行分析。因此，使用玫瑰花圖和模糊聚類方法得出的巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分組結(jié)果、適用范圍各有差別。

傳統(tǒng)玫瑰花圖分組時(shí)更多受到區(qū)域構(gòu)造、風(fēng)化方向影響，而對結(jié)構(gòu)面走向、傾向的反映更為明顯，可以用來分析構(gòu)造、風(fēng)化引起的巖體質(zhì)量變化，分析巖體質(zhì)量情況。模糊聚類法更多的表征了巖體的產(chǎn)狀綜合分布特征，而巖體產(chǎn)狀分布對結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定分析具有重要作用，可以用來分析工程中巖體的抗滑穩(wěn)定情況，不足之處在于不能反映各結(jié)構(gòu)面分布密度。因此在工程實(shí)踐中應(yīng)依據(jù)實(shí)際需要結(jié)合等密度圖進(jìn)行應(yīng)用。

1 陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)局.陜西省區(qū)域地質(zhì)志[M].北京：地質(zhì)出版社，1989.

2 周玉新,周志芳,孫其國.巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的綜合模糊聚類分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(13):2283-2287.3 張春月,李曉奇.基于SPSS的模糊聚類分析.第七屆中國不確定系統(tǒng)年會(huì)論文集.重慶：2009，99-103.

4 G.S.Jr.科克, R.F.林克著,王仁鐸，劉紱堂譯.地質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析.北京：科學(xué)出版社,1978.