可拓物元法在洞室?guī)r體質(zhì)量分級(jí)中的應(yīng)用

蔡 斌，劉 暢

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 概 述

地下洞室工程中，有多種圍巖分類評(píng)價(jià)方法，常用的有HC法、RQ法、RMR法等，每種方法考慮的因素不一?？赏卦u(píng)判則從可拓集合理論出發(fā)，建立多指標(biāo)性能參數(shù)的質(zhì)量評(píng)定模型，通過定量的數(shù)值表示評(píng)價(jià)結(jié)果。這種評(píng)判方法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以從中選用不同的考慮因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，這樣可以使評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)化地接近實(shí)際的工程地質(zhì)情況，分類結(jié)果自然比傳統(tǒng)分類方法更加準(zhǔn)確。本文以西南大渡河中游龍頭石水電站3號(hào)泄洪洞為實(shí)例，結(jié)合隸屬度的概念，應(yīng)用可拓理論對(duì)巖體進(jìn)行分類，選取最適合工程實(shí)際的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立基于洞室?guī)r體質(zhì)量分級(jí)的物元可拓評(píng)價(jià)模型，較好地解決了工程中的實(shí)際問題，為洞室?guī)r體質(zhì)量分級(jí)的綜合評(píng)價(jià)提供了一條新的途徑。

2 物元可拓評(píng)價(jià)模型

2.1 物 元

給定事物N關(guān)于特征C的量值為v，以有序三元R=(N，C，v)組作為描述事物的基木物元。如果事物N有n個(gè)特征C1，C2，…，Cn和相應(yīng)的模糊量值v1，v2，…，vn，則R為n維模糊物元，簡(jiǎn)記為R=(N，C，V)。

(1)

式中Ni——第i段待評(píng)洞室?guī)r體;

Cj——影響洞室?guī)r體質(zhì)量的因素(j=1，2，…，n);

Vij——第i段洞室?guī)r體對(duì)應(yīng)于Cj的量值。

2.2 經(jīng)典域、節(jié)域

經(jīng)典域可表示為：

式中R0i——為一個(gè)物元;

Ni——第i個(gè)評(píng)價(jià)類別，即洞室?guī)r體質(zhì)量類別；

Ci——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即影響巖體質(zhì)量的因數(shù)；

Vi——Ci為所規(guī)定的量值范圍，即經(jīng)典域，Vij=〈aij，bij〉(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)。

節(jié)域可表示為：

式中P——評(píng)價(jià)類別的個(gè)體，即洞室?guī)r體質(zhì)量類別個(gè)體；

VPj——P關(guān)于Ci所取的量值范圍，即P的節(jié)域〈aPj,bPj〉。

2.3 確定待評(píng)物元

對(duì)待評(píng)的事物P，將所收集到的數(shù)據(jù)用物元表示，即可得到待評(píng)物元R：

式中vi——p關(guān)于Ci的量值，即待評(píng)事物的所有具體數(shù)據(jù)。

2.4 確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于各類別等級(jí)的關(guān)聯(lián)度

洞室?guī)r體各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于各類別等級(jí)的關(guān)聯(lián)度為：

|Vij|=|bij-aij|

2.5 確定待評(píng)物元關(guān)于等級(jí)t的關(guān)聯(lián)度

待評(píng)物元關(guān)于等級(jí)t的關(guān)聯(lián)度，即計(jì)算巖體質(zhì)量類別的關(guān)聯(lián)度，Wi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)系數(shù)，在綜合評(píng)價(jià)中,考慮到各因素對(duì)圍巖分級(jí)的影響程度不同,應(yīng)根據(jù)其作用大小分別賦予不同的權(quán)值。權(quán)值的計(jì)算方法可根據(jù)實(shí)際情況選取,不同的評(píng)價(jià)目的及評(píng)價(jià)因子按不同的公式進(jìn)行計(jì)算。在此采用下式計(jì)算：

2.6 判定巖體質(zhì)量等級(jí)

若Kt0(p)=maxKt(p)，則可判定巖體質(zhì)量類別為t0類。

另外，p的等級(jí)變量特征值t*

從t*的數(shù)值可以看出待評(píng)事物p偏向另一級(jí)的程度，即屬于巖體質(zhì)量t0類別的程度。

3 物元可拓評(píng)價(jià)模型的工程實(shí)例應(yīng)用

龍頭石水電站位于四川省西部大渡河中游，是一座以發(fā)電為主的大型水利水電樞紐工程，水庫(kù)總庫(kù)容1.199 4億m3，電站裝機(jī)容量700MW。其3號(hào)泄洪洞布置于左岸，設(shè)計(jì)洞長(zhǎng)660.95m ,隧洞斷面為城門洞型，斷面尺寸15.0m×16.5m(寬×高)。電站位于中高山的開闊河谷地段，壩址出露巖石主要為澄江期粗?；◢弾r和細(xì)?；◢弾r，并有后期侵入的少量各類基性脈巖。壩址地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，無(wú)區(qū)域性斷層通過，構(gòu)造型式以南北向輝綠巖脈發(fā)育的擠壓破碎帶、錯(cuò)動(dòng)帶和小斷層為主，地下水主要為基巖裂隙水和第四系松散堆積層孔隙水。3號(hào)泄洪洞室區(qū)巖性為花崗巖，其間穿插有輝綠巖脈，弱風(fēng)化～微新，巖體總體以鑲嵌～次塊狀結(jié)構(gòu)為主。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

根據(jù)洞室圍巖分類規(guī)范并結(jié)合實(shí)際情況，在對(duì)龍頭石水電站3號(hào)泄洪洞開挖后實(shí)測(cè)地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，控制洞室?guī)r體質(zhì)量的影響因素主要有：巖石抗壓強(qiáng)度(Rb)、巖石縱波波速(VP)、巖體完整性系數(shù)(KV)、體積節(jié)理數(shù)(Jv)、巖體緊密程度及地下水狀態(tài)。因此選取以上影響因數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)各指標(biāo)量化分級(jí)，經(jīng)過量化處理后得到表1。

表1 龍頭石水電站洞室?guī)r體質(zhì)量分級(jí)指標(biāo)

注：表中部分標(biāo)準(zhǔn)值為水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范取值并結(jié)合本工程實(shí)際地質(zhì)條件修正后的量值。

根據(jù)3號(hào)泄洪洞實(shí)測(cè)地質(zhì)資料及主要工程地質(zhì)特征，現(xiàn)場(chǎng)巖體質(zhì)量定性分段并綜合分析，給出各段評(píng)價(jià)指標(biāo)值，見表2。

3.2 模型計(jì)算步驟

下面選取洞室第1段為例，說(shuō)明物元可拓法的分析計(jì)算步驟。

(1)巖體質(zhì)量經(jīng)典域、節(jié)域物元。根據(jù)表1中的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)構(gòu)造出經(jīng)典域、節(jié)域物元，這里只舉例給出巖體質(zhì)量Ⅲ級(jí)的經(jīng)典域物元，其他級(jí)別類推。

表2 3號(hào)泄洪洞圍巖的可拓物元分級(jí)指標(biāo)值

注：表中所列數(shù)據(jù)為算術(shù)平均值。

巖體質(zhì)量節(jié)域物元：

(2)待評(píng)物元。根據(jù)表2第1段洞室各因素指標(biāo)數(shù)據(jù)形成待評(píng)物元。

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算。根據(jù)前面計(jì)算公式，計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)C1對(duì)各質(zhì)量等級(jí)的關(guān)聯(lián)度如下：

同理可得：

K12(v11)=-0.25，K14(v11)=-0.1，K15(v11)=-0.357

同理可得到此段其他評(píng)價(jià)指標(biāo)C2～C6關(guān)于各質(zhì)量等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表3所示。

表3 Kit(vtj)計(jì)算結(jié)果

(4)巖體質(zhì)量等級(jí)關(guān)聯(lián)度計(jì)算。利用關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式計(jì)算此段關(guān)于Ⅰ級(jí)巖體質(zhì)量的關(guān)聯(lián)度為

=(0.45/2.36)*(-0.438)+(0.577/2.36)*(-0.389)+(0.17/2.36)*(-0.773)+(0.533/2.36)*(-0.44)+ (0.33/2.36)*(-0.588)+ (0.3/2.36)*(-0.5)=(-0.084)+ (-0.095)+ (-0.056)+ (-0.099)+ (-0.082)+ (-0.064)=-0.48

同理可得到此段洞室?guī)r體關(guān)于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ質(zhì)量等級(jí)的關(guān)聯(lián)度分別為

K12(1)=-0.36,K13(1)=-0.05,K14(1)=0.19,K15(1)=-0.34。

(5)巖體質(zhì)量等級(jí)判定。根據(jù)質(zhì)量等級(jí)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果按照評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，由于K14(1)=maxK1t(1) ，則可判定巖體質(zhì)量類別為Ⅳ類。

則t0=4，根據(jù)前面公式，等級(jí)變量特征值

從t*的數(shù)值可以看出此段巖體質(zhì)量級(jí)別為第Ⅳ類偏向第Ⅲ類。

同理，對(duì)隧洞其他段進(jìn)行可拓分析，最后可得到該隧洞可拓分析結(jié)果，從分析結(jié)果可以看出，使用可拓物元分析評(píng)價(jià)的結(jié)果與水利水電規(guī)范圍巖分類(HC)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致(見表4)。

表4 3號(hào)泄洪洞圍巖分類對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)運(yùn)用可拓物元模型對(duì)洞室?guī)r體質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，是一次新的嘗試，其方法是可行的，結(jié)論是可靠的。

(2)該方法從計(jì)算過程看，具有概念清晰、計(jì)算簡(jiǎn)便、評(píng)價(jià)結(jié)果分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

(3)該方法評(píng)價(jià)結(jié)果與常規(guī)方法評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，結(jié)果較為理想，為工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了一種新方法，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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