地下洞室群圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析及系統(tǒng)研發(fā)

地下洞室群圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析及系統(tǒng)研發(fā)

張超,張社榮,崔溦,王超

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

摘要：地下洞室群圍巖穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)研究尚處于起步階段，為快速準(zhǔn)確地對(duì)施工期地下洞室群圍巖穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤分析，基于層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，形成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡視檢查、數(shù)值模擬三維一體的評(píng)價(jià)體系，并考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)性確定地下洞室群圍巖發(fā)生事故可能性等級(jí)。根據(jù)不同圍巖破壞形式，提出適用于地下洞室群圍巖穩(wěn)定的損失估算方法，引入當(dāng)量法概念，確定地下洞室群圍巖穩(wěn)定損失等級(jí)。結(jié)合地下洞室群圍巖發(fā)生事故可能性等級(jí)和預(yù)估的地下洞室群圍巖穩(wěn)定性損失等級(jí)，經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)矩陣最終確定地下洞室群圍巖穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。采用C#.Net、SQL SERVER和Python混合編程技術(shù)，研發(fā)一套能確定地下洞室群圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某在建大型水電站的地下洞室群，能準(zhǔn)確確定影響地下洞室群圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素和危險(xiǎn)區(qū)域，實(shí)時(shí)指導(dǎo)施工過(guò)程，規(guī)避可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，保證地下洞室群施工安全。

關(guān)鍵詞：地下洞室群； 圍巖； 層次分析法； 模糊綜合評(píng)價(jià)； 當(dāng)量法； 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析； 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU923

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-640X(2015)03-0073-08

Abstract：Risk research on stability of the surrounding rock of the underground carven group is still in its initial period. In order to make a dynamic tracing of risk analysis of stability of the surrounding rock in the process of construction of the underground carven group rapidly and accurately, an evaluation system is composed of the observed data and patrol inspection data and numerical simulation data based on an analytic hierarchy process method and a fuzzy comprehensive evaluation method. Dynamic evaluation content and a dynamic criterion are also considered at the same time to determine the level of the probability of an accident of the surrounding rock of the underground carven group. The estimation methods of the loss which is suitable for the surrounding rock of the underground carven group are put forward based on different forms of destruction of the surrounding rock, and the concept of an equivalent law is also introduced to determine the level of the loss of the surrounding rock of the underground carven group if the accident happens. Finally, the risk level of the surrounding rock of the underground carven group is determined by risk matrix and both the level of probability of the accident of the surrounding rock of the underground carven group and the level of the loss of the surrounding rock of the underground carven group. A dynamic risk calculation system for stability of the surrounding rock of the underground carven group is developed by using microsoft visual C#.Net technology and SQL server 2008 database and Python language. The system is used to analyse risks in an underground carven group of a hydropower station project in China during its construction and it could find key factors acting on stability of the surrounding rock and accurately determing the danger zone of the surrounding rock. The progress of the construction of the underground carven group is real-time guided and the risk which may exist is also avoided so that the safety and reliability of construction of the underground cavern group can be ensured.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.012

收稿日期：2014-09-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179120)；博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20130032110045)

作者簡(jiǎn)介：王哲學(xué)(1989—)， 男， 河北承德人， 碩士研究生， 主要從事土動(dòng)力學(xué)與海洋巖土工程研究。

隨著大型水電站工程的興建，地下洞室群逐漸成為水電站廠(chǎng)房布置的首選，但其施工難度大大超過(guò)一般地下工程，圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題日益突出。江權(quán)等[1]從認(rèn)識(shí)論的角度提出數(shù)值仿真技術(shù)服務(wù)于地下工程實(shí)踐的PFP分析方法，并通過(guò)三維有限差分?jǐn)?shù)值方法模擬了拉西瓦水電站地下洞室群全開(kāi)挖過(guò)程，從整體上揭示了地下洞室群分期開(kāi)挖時(shí)圍巖變形場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)、能量釋放率的時(shí)間演化過(guò)程與空間分布特征[2]；馮小磊等[3]基于變形、應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)溪洛渡水電站左岸地下洞室安全進(jìn)行了分析；李景龍[4]提出了地下洞室群風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一般方法并研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)。但綜合考慮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡視檢查、數(shù)值模擬三方面對(duì)地下洞室群圍巖穩(wěn)定性發(fā)生事故可能性等級(jí)的研究尚無(wú)先例。因此,提出基于層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法確定圍巖發(fā)生事故可能性等級(jí)，并結(jié)合當(dāng)量法對(duì)地下洞室群圍巖穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

1風(fēng)險(xiǎn)含義與計(jì)算

1.1風(fēng)險(xiǎn)含義

為研究地下洞室群圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，首先需要研究風(fēng)險(xiǎn)的含義，但無(wú)論是地下洞室群還是其他工程項(xiàng)目，由于所要研究的工程問(wèn)題十分復(fù)雜，學(xué)術(shù)界至今對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的含義仍然存在一定分歧，不同專(zhuān)家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)含義的表達(dá)不盡相同，但均包括事故發(fā)生的概率和造成損失的大小這兩個(gè)基本要素，僅兩要素之間函數(shù)關(guān)系不同，即

(1)

式中:R為風(fēng)險(xiǎn);P為事故發(fā)生的概率;C為事故發(fā)生的損失。

目前較為常用函數(shù)關(guān)系是風(fēng)險(xiǎn)矩陣的方法[5]，根據(jù)發(fā)生事故的概率等級(jí)和預(yù)估造成的損失等級(jí)最終確定洞室圍巖穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

1.2概率等級(jí)的確定

1.2.1層次分析法層次分析法[6](AHP，Analytic Hierarchy Process)為通過(guò)邀請(qǐng)水利行業(yè)內(nèi)的專(zhuān)家對(duì)建立的地下洞室群圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系中同一層次不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要程度逐一進(jìn)行比較，最終確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法步驟簡(jiǎn)述如下：

(1)分析影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相互邏輯關(guān)系，構(gòu)建符合理論知識(shí)的評(píng)價(jià)體系。

(2)在整個(gè)評(píng)價(jià)體系中，從最底層開(kāi)始至頂層逐層對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，判斷兩者對(duì)于其上一層次評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性，根據(jù)1-9及其倒數(shù)標(biāo)度法構(gòu)成判斷矩陣。

(3)依據(jù)判斷矩陣求解最大特征根及其相對(duì)應(yīng)的特征向量。為保證已建判斷矩陣滿(mǎn)足評(píng)價(jià)要求，還需對(duì)最大特征根進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(4)得出各層評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

1.2.2模糊綜合評(píng)價(jià)法模糊綜合評(píng)價(jià)法[7-8](FSEM, Fuzzy Synthetic Evaluation Model)是一種能夠?qū)⒍ㄐ栽u(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化成定量評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)方法，該方法計(jì)算步驟簡(jiǎn)述如下：

(1)設(shè)定影響各個(gè)洞室圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)以及各個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)選擇適當(dāng)?shù)哪：植己瘮?shù)計(jì)算評(píng)價(jià)體系中當(dāng)前層評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，并根據(jù)隸屬度向量組成模糊矩陣。

(3)利用AHP計(jì)算出來(lái)的當(dāng)前層評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重以及模糊矩陣，求解其上一層次評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。根據(jù)最大隸屬度原則，確定各個(gè)洞室發(fā)生事故概率等級(jí)的最終結(jié)果。

1.3損失等級(jí)的確定

施工期地下洞室群可能發(fā)生各種不同破壞模式的安全事故，如塌方、巖爆、脆性開(kāi)裂等，這些事故可能導(dǎo)致施工人員當(dāng)場(chǎng)死亡或受傷、施工材料損壞、施工機(jī)械損壞、工期延長(zhǎng)以及其他巨額經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要施工現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際情況對(duì)可能出現(xiàn)的事故進(jìn)行預(yù)判，并對(duì)地下洞室群圍巖發(fā)生破壞的損失進(jìn)行定量計(jì)算。將損失劃分為人員損失、直接經(jīng)濟(jì)損失、間接經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境和社會(huì)影響損失。針對(duì)不同破壞模式提出了不同的適應(yīng)于地下洞室群圍巖破壞的損失計(jì)算公式及參數(shù)取值,為節(jié)省篇幅,僅以塌方為例進(jìn)行詳述。

人員損失按照預(yù)估的塌方區(qū)域面積、工作面的人數(shù)、非工作面人數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算如下：

nd=α(f 1p 1A 1+f 2p 2(S-A 1))/S　(2)

nh=β(f1p1A1+f2p2(S-A1))/S

(3)

nw=γ(f1p1A1+f2p2(S-A1))/S

(4)

式中：nd,nh和nw分別為死亡人數(shù)、重傷人數(shù)和輕傷人數(shù)；f1和f2分別為工作面和非工作面風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；p1和p2為工作面和非工作面人數(shù)；A1為工作面面積；S為該層已開(kāi)挖的總面積；α，β，γ為受傷程度系數(shù)，三者總和為1。

工作面和非工作面的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)取值見(jiàn)表1[9-10]，權(quán)重為：

0.2(塌方面積)，0.2(救援時(shí)間),0.2(人員對(duì)危險(xiǎn)認(rèn)知水平)，0.2(應(yīng)急預(yù)案的充分性)，0.1(發(fā)生事故時(shí)的天氣)，0.1(發(fā)生事故的時(shí)間)。

直接經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算式如下：

(5)

式中：DC為直接經(jīng)濟(jì)損失；BP為機(jī)械買(mǎi)入價(jià)格；q機(jī)械折舊率；t為機(jī)械使用時(shí)間；CP為機(jī)械當(dāng)前評(píng)估價(jià)格；BM為材料買(mǎi)入總價(jià)；p為材料損失率。

間接經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算式如下：

INDC=TC+EC+MC+OC

(6)

式中:INDC為間接經(jīng)濟(jì)損失;TC為工期費(fèi)用；EC為應(yīng)急費(fèi)用；MC為修復(fù)費(fèi)用；OC為其它費(fèi)用。

社會(huì)影響損失與環(huán)境影響損失共分為4個(gè)不同層次：輕微、一般、嚴(yán)重、非常嚴(yán)重。

針對(duì)地下洞室群施工中人員損失、直接經(jīng)濟(jì)損失、間接經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境和社會(huì)影響損失的計(jì)量方式不統(tǒng)一的問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)損失結(jié)果量化歸一，擬采用當(dāng)量法[11]確定損失等級(jí)。

根據(jù)《工程建設(shè)重大事故報(bào)告和調(diào)查程序規(guī)定》和《中華人民共和國(guó)國(guó)家賠償法》有關(guān)規(guī)定，系統(tǒng)提供一套默認(rèn)當(dāng)量參數(shù)。但考慮到事故損失受事故大小不同、地下洞室群規(guī)模不同、各地方經(jīng)濟(jì)水平不同等因素的影響，本系統(tǒng)提供當(dāng)量的自定義設(shè)置功能。此處以默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行分析，1個(gè)后果當(dāng)量等同于以下任意一種后果損失：一是1人死亡或10人重傷或50人輕傷；二是直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失總和為300萬(wàn)元。

環(huán)境影響損失和社會(huì)影響損失當(dāng)量值分別是：2(輕微的)，5(一般的)，13(嚴(yán)重的)和18(非常嚴(yán)重的)。

總當(dāng)量計(jì)算式如下：

(7)

圖1　地下洞室群圍巖穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)整體思路 Fig.1 Overall thought for risk analysis of stability of surrounding rock of underground carven group

當(dāng)DL>20，13

2地下洞室群圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

2.1地下洞室群圍巖穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)整體思路

基于層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，形成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡視檢查、數(shù)值模擬三維一體的評(píng)價(jià)體系，并考慮評(píng)價(jià)體系、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)性，對(duì)地下洞室群圍巖發(fā)生事故的可能性等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。將地下洞室群圍巖發(fā)生事故的損失劃分為人員損失、直接經(jīng)濟(jì)損失、間接經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境社會(huì)影響損失，采用當(dāng)量法進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)，綜合考慮發(fā)生事故的可能性等級(jí)及可能造成的損失等級(jí),由1.1節(jié)風(fēng)險(xiǎn)矩陣法確定單一洞室的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),計(jì)算全部洞室圍巖穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)后,采用百分制方法，先由專(zhuān)家確定各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的評(píng)分值，然后由式(8)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)值Q，判斷Q所在區(qū)間對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)即為地下洞室群圍巖穩(wěn)定性最終風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。整體評(píng)價(jià)思路如圖1所示。

(8)

式中：Q為地下洞室群圍巖穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)量化處理值；a為層次分析法確定的對(duì)應(yīng)洞室的權(quán)重；N為各個(gè)等級(jí)的評(píng)分值，為簡(jiǎn)化計(jì)算取對(duì)應(yīng)等級(jí)區(qū)間的中值。

2.2評(píng)價(jià)體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

上文提到了地下洞室群圍巖穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)整體思路，為確定地下洞室群圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，需先根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法和層次分析法確定發(fā)生危險(xiǎn)的可能性等級(jí)[12],其評(píng)價(jià)體系如圖2所示，該評(píng)價(jià)體系充分考慮了隨著各個(gè)洞室的開(kāi)挖，監(jiān)測(cè)儀器的類(lèi)型、數(shù)量不斷增加的情況以及針對(duì)地下洞室群分層開(kāi)挖的特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖2　模糊綜合評(píng)價(jià)層次體系 Fig.2 Hierarchy system of fuzzy comprehensive evaluation

圖3　位移-折減系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn) Fig.3 Relation curve of displacement and reduction coefficients

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)工程實(shí)際情況，常采用經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法以及數(shù)值模擬方法動(dòng)態(tài)擬定。為節(jié)省篇幅,這里僅介紹通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)地下洞室圍巖變形發(fā)生事故可能性等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)擬定。

強(qiáng)度折減法評(píng)價(jià)依據(jù)主要有3個(gè)，分別是數(shù)值計(jì)算不收斂、特征點(diǎn)突變以及塑性區(qū)貫通，本文采用特征點(diǎn)突變作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定的依據(jù)。

首先，在地下洞室群數(shù)值仿真模型上映射工程最新的地質(zhì)信息以及開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)度信息。利用當(dāng)前施工步的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地下洞室群圍巖力學(xué)參數(shù)(如彈模)進(jìn)行反演。然后針對(duì)地下洞室群施工過(guò)程中每個(gè)開(kāi)挖狀態(tài)，采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，通過(guò)不斷折減凝聚力、內(nèi)摩擦角進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，獲得當(dāng)前計(jì)算開(kāi)挖狀態(tài)下(與實(shí)際開(kāi)挖狀態(tài)相一致)各個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移-折減系數(shù)的相關(guān)關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3所示。大量數(shù)值模擬結(jié)果表明,地下洞室頂拱及邊墻處位移折減后均產(chǎn)生類(lèi)似曲線(xiàn)。

由圖3可知，圍巖變形大小隨著參數(shù)不斷折減共分為3個(gè)不同的變化階段，分別是勻速變形階段、加速變形階段以及破壞階段。圖中A點(diǎn)是勻速變形階段與加速變形階段的分界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中不可能發(fā)生事故等級(jí)的最大值以及很少發(fā)生事故等級(jí)的最小值；B點(diǎn)為很少發(fā)生事故等級(jí)的最大值，同時(shí)也是可能發(fā)生事故等級(jí)的最小值；C點(diǎn)是數(shù)值計(jì)算最后能夠收斂的點(diǎn)，說(shuō)明超出該點(diǎn)后，圍巖穩(wěn)定性已經(jīng)發(fā)生破壞，故C點(diǎn)為可能發(fā)生事故等級(jí)的最大值以及非常可能發(fā)生等級(jí)的最小值。

2.3數(shù)值模擬結(jié)果的存儲(chǔ)與提取

系統(tǒng)數(shù)值模擬信息管理模塊利用Python語(yǔ)言對(duì)Abaqus軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，用戶(hù)無(wú)需掌握Abaqus軟件操作便可對(duì)地下洞室群三維模型進(jìn)行有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含4個(gè)表，分別是建筑物坐標(biāo)范圍表(包括建筑物名稱(chēng)、位置、三維坐標(biāo)范圍)、節(jié)點(diǎn)表(包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)和節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo))、單元表(包括單元編號(hào)、單元的節(jié)點(diǎn)編號(hào)、單元所屬分組、單元體積)以及結(jié)果表(包括開(kāi)挖日期、節(jié)點(diǎn)編號(hào)、位移應(yīng)力等)。

進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)時(shí)，需調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果。由于篇幅所限，這里僅以主副廠(chǎng)房某典型斷面頂拱處z向最大位移為例進(jìn)行說(shuō)明。首先，在建筑物坐標(biāo)范圍表中找出該典型斷面頂拱三維坐標(biāo)范圍，考慮到頂拱附近圍巖的作用，該空間范圍適當(dāng)擴(kuò)大；然后，在節(jié)點(diǎn)表中找到滿(mǎn)足上述空間范圍的節(jié)點(diǎn)編號(hào)；最后，在結(jié)果表中找到當(dāng)前開(kāi)挖日期下，滿(mǎn)足條件的節(jié)點(diǎn)編號(hào)的z向位移最大值。

2.4地下洞室群圍巖穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

地下洞室群圍巖穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具體步驟如下：

(1)根據(jù)最新的洞室開(kāi)挖進(jìn)度信息、支護(hù)信息、監(jiān)測(cè)儀器安裝信息、不良地質(zhì)信息建立(或更新)用于數(shù)值模擬計(jì)算的地下洞室群三維大尺度精細(xì)化模型，同時(shí)建立(或更新)地下洞室群圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系,主要是增加評(píng)價(jià)模型中的監(jiān)測(cè)斷面、監(jiān)測(cè)儀器以及需要進(jìn)行數(shù)值模擬重點(diǎn)分析的典型剖面。

(2)通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息管理模塊錄入各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；經(jīng)巡視檢查信息管理模塊錄入各個(gè)洞室最新巡視檢查數(shù)據(jù)；根據(jù)最新模型通過(guò)開(kāi)發(fā)Abaqus程序進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

(3)依據(jù)最新評(píng)價(jià)體系，采用層次分析法確定各層指標(biāo)的主觀(guān)權(quán)重。

(4)對(duì)新增的評(píng)價(jià)指標(biāo)和上次評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際不符的評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定,如沒(méi)有新增和與實(shí)際不符的評(píng)價(jià)指標(biāo)則跳過(guò)此步。

(5)調(diào)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡視檢查數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬數(shù)據(jù)以及各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)評(píng)價(jià)體系中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)從下到上逐一評(píng)價(jià)，不僅獲得最終單一洞室發(fā)生危險(xiǎn)的可能性等級(jí)，亦可獲得各層評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)生危險(xiǎn)的可能性等級(jí)。

(6)由各個(gè)洞室的損失等級(jí)，得出單一洞室的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。由式(8)確定地下洞室群圍巖穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與工程應(yīng)用

依據(jù)上述評(píng)價(jià)方法，以Visual Studio 2010為編程平臺(tái)、C#.Net為編程語(yǔ)言、SQL Server 2008為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)地下洞室群圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)。

以國(guó)內(nèi)某在建水電站地下洞室群為例，進(jìn)行地下洞室群圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析。截止2014年6月30日，該地下洞室群主副廠(chǎng)房開(kāi)挖至第3層(共10層)且支護(hù)完成，主變室開(kāi)挖至第2層(共5層)，但支護(hù)尚未全部完成，尾水閘門(mén)室開(kāi)挖至第3層(共4層)且支護(hù)完成，尾水調(diào)壓井開(kāi)挖至第1層(共5層)且支護(hù)完成，大部分區(qū)域工程開(kāi)挖后立刻埋設(shè)了監(jiān)測(cè)儀器。本次分析選取最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2014年6月27日)，最新巡視檢查數(shù)據(jù)(2014年6月30日)，根據(jù)最新開(kāi)挖、支護(hù)情況，利用Python語(yǔ)言對(duì)Abaqus軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，計(jì)算當(dāng)前洞室圍巖位移、應(yīng)力等信息，所有數(shù)據(jù)均通過(guò)系統(tǒng)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1更新評(píng)價(jià)體系及權(quán)重

圖4　更新評(píng)價(jià)體系與錄入標(biāo)準(zhǔn) Fig.4 Updated evaluation system and entry standard

主副廠(chǎng)房高程1 493.5 m處新增多點(diǎn)位移計(jì)10套、錨桿應(yīng)力計(jì) 10套，因此，需對(duì)原有模型評(píng)價(jià)體系及相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行更新(如圖4)。首先在系統(tǒng)中錄入新增儀器的測(cè)點(diǎn)編號(hào)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)生成新的評(píng)價(jià)體系。然后選擇專(zhuān)家，由專(zhuān)家根據(jù)1-9及其倒數(shù)標(biāo)度法進(jìn)行兩兩指標(biāo)評(píng)判構(gòu)成判斷矩陣，系統(tǒng)能夠自動(dòng)根據(jù)判斷矩陣計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)權(quán)重。以廠(chǎng)房工程B-B斷面(0+025 m)頂拱處為例，C5-CF-B-M-01-00和C5-CF-B-M-01-01權(quán)重各為0.25，其余3個(gè)測(cè)點(diǎn)權(quán)重約為0.17，這是因?yàn)榍皟蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)距離開(kāi)挖面較近，而開(kāi)挖表面存在四類(lèi)凝灰?guī)r，需要重點(diǎn)給予關(guān)注，這也表明專(zhuān)家擬定的權(quán)重具有較強(qiáng)的可靠性。此外，對(duì)于巡視檢查各評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)可通過(guò)此模塊進(jìn)行批量錄入。

圖5　基于數(shù)值仿真的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的擬定 Fig.5 Fitted evaluation criteria based on a method of numerical simulation

3.2數(shù)值仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

利用前文闡述的數(shù)值仿真方法進(jìn)行評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的擬定，如圖5所示，首先在數(shù)值仿真模型中映射好進(jìn)度、支護(hù)等信息，選取2014年6月30日作為評(píng)價(jià)時(shí)間，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中主副廠(chǎng)房C5-CF-A-M-01-01測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相對(duì)位移值為20.03 mm，然后，進(jìn)行有限元參數(shù)折減計(jì)算，計(jì)算完畢后單擊“繪圖分析”按鈕即可得出該測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移安全等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果為綠色等級(jí)與藍(lán)色等級(jí)的臨界值21.05 mm，藍(lán)色等級(jí)與黃色等級(jí)的臨界值23 mm,黃色等級(jí)與紅色等級(jí)的臨界值29 mm。

圖6　風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果 Fig.6 Analysis results of risk

3.3動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

基于以上方法研發(fā)地下洞室群動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)，截至2014年6月30日，對(duì)獲取的地下洞室群圍巖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡視檢查數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，分析結(jié)果如圖6。

圖6中左半部分窗體的樹(shù)形視圖以不同顏色表示各評(píng)價(jià)因素發(fā)生事故概率等級(jí)，雙擊節(jié)點(diǎn)，可查看數(shù)據(jù)、曲線(xiàn)等詳細(xì)信息，見(jiàn)右下角窗體。同時(shí)，系統(tǒng)給出單一洞室和地下洞室群發(fā)生事故的概率等級(jí)(取4種可能性中概率最大者，本次分析均為“不可能”)和各個(gè)洞室的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。分析表明，地下洞室群圍巖穩(wěn)定性整體處于綠色無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的穩(wěn)定狀態(tài)，這與當(dāng)前地下洞室群開(kāi)挖至此的實(shí)際情況相符。

4結(jié)語(yǔ)

(1)將風(fēng)險(xiǎn)概念引入施工期地下洞室群圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，提出了一套基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡視檢查、數(shù)值模擬三維一體的評(píng)價(jià)體系，確定圍巖發(fā)生事故可能性等級(jí)，同時(shí)結(jié)合當(dāng)量法的概念研發(fā)了地下洞室群圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)。

(2)針對(duì)施工期地下洞室群，提出一套較為合適的損失等級(jí)評(píng)價(jià)方法，由于該方面理論研究基本處于空白階段，因此后期還需進(jìn)一步完善。

(3)以國(guó)內(nèi)某在建水電站施工期地下洞室群為例進(jìn)行分析，分析結(jié)果與實(shí)際狀況吻合，表明該評(píng)價(jià)方法是合理的；系統(tǒng)能夠找出影響地下洞室群圍巖穩(wěn)定的危險(xiǎn)區(qū)域(本次分析中測(cè)點(diǎn)C5-CF-B-M-01-01和C5-CF-B-M-01-02以及廠(chǎng)房底板處于很少發(fā)生事故等級(jí)，相對(duì)于其他評(píng)價(jià)結(jié)果為不可能發(fā)生事故等級(jí)的需重點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注)和不安全因素(變形稍大)，表明該系統(tǒng)是一個(gè)良好的輔助分析工具。

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Dynamic risk analysis and system development for stability of surrounding rock of underground carven group

ZHANG Chao, ZHANG She-rong, CUI Wei, WANG Chao

(StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Key words： underground carven group; surrounding rock; analytic hierarchy process; fuzzy comprehensive evaluation; an equivalent method; dynamic risk analysis; system research and development

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E-mail: wangzhexue0117@126.com通信作者：王建華(tdwjh@tju.edu.cn)