基于模糊RES-可拓學(xué)理論的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)
——以普朗銅礦區(qū)為例

楊朝義，柯 超，羊勁松，周鵬超,4，沙有財(cái)，吳益平,3*

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 香格里拉 674400；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)普朗銅礦實(shí)踐教學(xué)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地，云南 香格里拉 674400；4.中化地質(zhì)礦山總局湖南地質(zhì)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)是巖體工程地質(zhì)條件綜合分析和場(chǎng)地工程特性判別的重要手段，是地下工程設(shè)計(jì)和施工建設(shè)最重要的參考指標(biāo)之一[1-2]。隨著礦床開(kāi)挖、城市交通建設(shè)、核廢料埋藏、國(guó)防建設(shè)等人類工程活動(dòng)逐步向地球深部推進(jìn)，工程巖體變形與破壞性問(wèn)題日漸突出，地下工程災(zāi)害防控和施工安全建設(shè)日漸重要[3]。為了更好地解決上述問(wèn)題，能夠準(zhǔn)確地對(duì)深部巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)顯得尤為重要。

為了準(zhǔn)確地對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的相關(guān)研究，并提出了一系列巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法，如巖石荷載分類法[4]、RQD分級(jí)方法[5]、Q系統(tǒng)法[6]、RMR分類法[7]、GSI分類法[8-9]和國(guó)標(biāo)BQ分級(jí)法[10]等。但上述評(píng)價(jià)方法大多以定量與定性相結(jié)合的方式來(lái)評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量，其指標(biāo)參數(shù)存在誤差大和依賴于人工經(jīng)驗(yàn)判別等諸多問(wèn)題[11]，在實(shí)際工程運(yùn)用中往往準(zhǔn)確性不高。

隨著科技進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，深度學(xué)習(xí)在確定巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和選取評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)等方面的運(yùn)用逐漸廣泛，其方法理論可以提高巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，其中巖石工程系統(tǒng)(RES)理論、可拓學(xué)理論等新技術(shù)理論方法在實(shí)際工程中得到了較好的應(yīng)用。在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重方面，代表性的方法有模糊數(shù)學(xué)綜合判定法[12]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[13]和支持向量機(jī)法[14]等，但這些方法在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí)忽略了評(píng)價(jià)指標(biāo)因素之間的相互影響關(guān)系[15]，為此本文采用考慮了不同評(píng)價(jià)指標(biāo)之間相互影響關(guān)系的巖石工程系統(tǒng)(RES)理論來(lái)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。在選取巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)方面，自蔡文等[16]于1983年提出可拓學(xué)理論之后，王錦國(guó)等[17]首次將可拓學(xué)理論與巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)相結(jié)合，對(duì)溪洛渡水電站壩基巖體工程質(zhì)量進(jìn)行了多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)；周漢民[18]、賈超等[19]應(yīng)用可拓學(xué)理論方法，解決了巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)中定性與定量因素相結(jié)合評(píng)價(jià)等問(wèn)題；康志強(qiáng)等[20-21]基于層次分析法的可拓學(xué)理論，對(duì)地下洞室圍巖和大型巖質(zhì)邊坡巖體質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)；梁桂蘭等[22]通過(guò)采用熵權(quán)法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，并結(jié)合可拓學(xué)方法對(duì)工程壩基巖體質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。但上述學(xué)者在使用可拓學(xué)理論時(shí)側(cè)重于巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)模型的改進(jìn)或改良，忽視了可拓學(xué)理論對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值只進(jìn)行單一次評(píng)價(jià)，未考慮到其巖體破碎段情況等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文引入概率模糊集理論[23]，使巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)取值具有隨機(jī)性和不確定性，通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)區(qū)間的多次評(píng)價(jià)來(lái)提高巖體質(zhì)量預(yù)測(cè)等級(jí)的準(zhǔn)確度，使巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)選擇與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巖體質(zhì)量等級(jí)情況更加吻合。

為此，本文以普朗銅礦區(qū)為研究區(qū)，首先通過(guò)室內(nèi)巖石單軸壓縮試驗(yàn)、超聲波成像測(cè)井技術(shù)、井下光學(xué)視頻成像技術(shù)和巖心滾動(dòng)掃描技術(shù)等多種方法，獲取研究區(qū)巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度RC、巖體變形模量E、巖體RQD值、巖體體積節(jié)理系數(shù)JV、巖體完整性指數(shù)KV和地下水狀態(tài)Q等巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；然后通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定和指標(biāo)參數(shù)選取等方法進(jìn)行改進(jìn)，提出適用于巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型，并利用該改進(jìn)模型對(duì)普朗銅礦區(qū)zk3007鉆孔和區(qū)域巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析；最后結(jié)合RES-云模型和簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)函數(shù)-可拓學(xué)模型，進(jìn)一步驗(yàn)證該模型的有效性和可實(shí)施性，以為深部巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)提供一種可行的新思路。

1 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)模型建立

1.1 概率模糊集理論

概率模糊理論使得評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)取值更具有隨機(jī)性和不確定性，而不是取評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值，其能夠更好地模擬出巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)的實(shí)際分布情況。該理論定義[23]如下：

設(shè)有一變量x∈X，其模糊隸屬度u位于0～1區(qū)間內(nèi)。有一概率空間(Ux，ρ，P)可用來(lái)描述概率模糊集A，且Ux=[0,1]，而ρ是一個(gè)σ域。p(u)為概率密度函數(shù)，且在ρ上可描述對(duì)應(yīng)的隸屬度。對(duì)于任何給定域Ux中的任一模糊隸屬度u，都存在如下關(guān)系：

(1)

其中概率模糊集A為

(2)

該方法是在選取高斯函數(shù)作為主隸屬度函數(shù)的基礎(chǔ)上，以模糊集的標(biāo)準(zhǔn)差值ξ作為變量，進(jìn)行隨機(jī)變化，建立的概率模糊集為

(3)

式中：c為中心均值；ξ為模糊集的標(biāo)準(zhǔn)差值，呈正態(tài)分布；xk為輸入值。

基于上述公式(1)～(3)，構(gòu)建概率模糊集Ai如下

(4)

式中：u(xi)(i=1,2,…,n)為x相對(duì)于模糊集Ai的隸屬度；FAi為描述u(xi)的概率分布函數(shù)。

1.2 可拓學(xué)理論

可拓學(xué)理論是一種基于可拓距來(lái)表達(dá)巖體矛盾問(wèn)題的特征、對(duì)象和量值及變化情況的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，其通過(guò)建立基元(對(duì)象，特征，量值)將巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分類為經(jīng)典域與節(jié)域。

巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)中巖體質(zhì)量某一級(jí)別所對(duì)應(yīng)的多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其相應(yīng)的取值區(qū)間為經(jīng)典域Ri可表示如下：

(5)

式中：Ni為巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的第i個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)；Cj為巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)；Vij為相應(yīng)的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值范圍。

節(jié)域Rp可表示如下:

(6)

式中：Np為全部巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)；Cj為巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)；Vpj為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的全部巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)的取值范圍。

在確定經(jīng)典域和節(jié)域后，引入待評(píng)基元Rx，其可表示如下：

(7)

式中：P為單元編號(hào)；Cj為巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)；Vj為相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際數(shù)據(jù)取值。

基于以上步驟建立巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的經(jīng)典域和節(jié)域，之后即可計(jì)算待評(píng)基元Rx各評(píng)價(jià)指標(biāo)值與經(jīng)典域Ri和節(jié)域Rp之間的可拓距:

(8)

巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算公式如下：

(9)

基于上述公式，可以計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)與不同巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)i的關(guān)聯(lián)度Kti(Vij)值，再與相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值wj按下式計(jì)算，可得到待評(píng)基元對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)i的總關(guān)聯(lián)度K(N)：

K(N)=∑ωjKi(Vj)

(10)

巖體質(zhì)量的預(yù)測(cè)等級(jí)即取總關(guān)聯(lián)度最大值。

1.3 巖石工程系統(tǒng)(RES)理論

巖石工程系統(tǒng)(RES)理論是考慮了不同評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相互影響關(guān)系及其各自對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的影響程度來(lái)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值的一種方法。通過(guò)將各評(píng)價(jià)指標(biāo)以交互影響矩陣(見(jiàn)圖1)進(jìn)行編碼排列，按下式可計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值wi：

圖1 不同評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的交互影響矩陣

(11)

在圖1中，Pi為影響巖體質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中P1對(duì)P2的影響反映為I12值，而P2對(duì)P1的影響則反映為I21值。通過(guò)將圖1中的行值進(jìn)行匯總，即為該評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響程度，即表示為原因(Ci)；將圖1中的列值進(jìn)行匯總，即為整個(gè)系統(tǒng)對(duì)該評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，表示為效果(Ei)；通過(guò)將Ci值與Ei值相加，即為該評(píng)價(jià)指標(biāo)在整個(gè)系統(tǒng)中的影響程度。

1.4 基于模糊RES-可拓學(xué)理論的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)模型建立

通過(guò)構(gòu)建可拓學(xué)理論中的待評(píng)巖體基本單元，計(jì)算出巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度值，并結(jié)合RES所得到的相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，繼而得到巖體質(zhì)量的預(yù)測(cè)等級(jí)。但由于可拓學(xué)理論對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值只進(jìn)行單一次評(píng)價(jià)，未考慮到其巖體破碎段情況，因此本文引入了概率模糊集理論，使得評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)取值具有隨機(jī)性和不確定性，通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)區(qū)間的多次評(píng)價(jià)來(lái)提高巖體質(zhì)量等級(jí)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，從而提出了基于模糊RES-可拓學(xué)理論的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，見(jiàn)圖2。其具體步驟流程如下：

圖2 基于模糊RES-可拓學(xué)理論的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

(1) 基于待評(píng)價(jià)指標(biāo)建立概率模糊集。巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)分為5級(jí)，待評(píng)價(jià)指標(biāo)為Bi，而B(niǎo)ij為每一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的概率模糊集，在獲取多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)值后，統(tǒng)計(jì)平均值αk和標(biāo)準(zhǔn)差βk，構(gòu)建概率模糊集函數(shù)。

(2) 評(píng)價(jià)指標(biāo)值取樣。在巖體質(zhì)量每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)概率模糊集函數(shù)圖形的隨意一條曲線中隨機(jī)選取一點(diǎn)的x坐標(biāo)值作為評(píng)價(jià)值，并重復(fù)選取多次。

(3) 數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理。將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，以消除各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間不同單位的差異。

(4) 模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)。通過(guò)構(gòu)建可拓學(xué)理論中的待評(píng)巖體基本單元——基元、節(jié)域和經(jīng)典域，計(jì)算出巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度值，并結(jié)合RES所得到的相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，繼而得到巖體質(zhì)量的預(yù)測(cè)等級(jí)。

(5) 評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)?；谏鲜龇椒鞒?，對(duì)采樣的其他評(píng)價(jià)指標(biāo)值重復(fù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理后，即可預(yù)測(cè)該巖體段各類巖體所占比例的分布情況。

2 研究區(qū)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)

2.1 研究區(qū)概況

本研究以普朗銅礦區(qū)為研究區(qū)，其位于橫斷山脈東北部，滇西北迪慶州東北部36 km香格里拉縣境內(nèi)，面積為36.37 km2。該礦區(qū)處于普朗向斜東翼位置，礦區(qū)構(gòu)造線方向與區(qū)域方向相同，伴隨有強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)，次級(jí)褶皺、斷層及節(jié)理(裂隙)發(fā)育；區(qū)內(nèi)巖漿巖類為印支期島弧型中-中酸性淺成-超淺成巖，主要為石英二長(zhǎng)斑巖、石英閃長(zhǎng)玢巖和角巖。

研究區(qū)共布置了18～30號(hào)勘探線、17個(gè)物探檢測(cè)孔(見(jiàn)圖3)，平均孔深為500 m，終孔直徑為75 mm?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)全部鉆孔實(shí)施了超聲波成像測(cè)井技術(shù)和井下光學(xué)視頻成像技術(shù)，對(duì)巖心進(jìn)行了巖心滾動(dòng)掃描和實(shí)地編錄等，并對(duì)部分鉆孔的巖心開(kāi)展了室內(nèi)巖石單軸壓縮等相關(guān)試驗(yàn)。

圖3 普朗銅礦區(qū)鉆孔布置圖

2.2 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

本文綜合考慮普朗銅礦區(qū)巖體質(zhì)量的實(shí)際情況以及評(píng)價(jià)指標(biāo)獲取的難易性和可獲得性，參考規(guī)范和評(píng)價(jià)指標(biāo)選取標(biāo)準(zhǔn)[1-10，24]，選取了巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度RC、巖體變形模量E、巖體RQD值、巖體體積節(jié)理系數(shù)JV、巖體完整性指數(shù)KV和地下水狀態(tài)Q等評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用室內(nèi)巖石單軸壓縮試驗(yàn)、超聲波成像測(cè)井技術(shù)、井下光學(xué)視頻成像技術(shù)和巖心滾動(dòng)掃描技術(shù)等多種方法手段，獲取了普朗銅礦區(qū)17個(gè)鉆孔的評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征值，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 普朗銅礦區(qū)待評(píng)鉆孔評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征值

(1) 巖體單軸抗壓強(qiáng)度RC和巖體變形模量E。普朗銅礦區(qū)巖性主要為石英閃長(zhǎng)玢巖、石英二長(zhǎng)斑巖和角巖，為了獲取這三種巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度RC和變形模量E，試驗(yàn)選取60個(gè)試件，每3個(gè)試件為1組，共20組樣品開(kāi)展了室內(nèi)巖石單軸壓縮試驗(yàn)。巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度RC和變形模量E的計(jì)算公式如下：

(12)

(13)

式中：RC為巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；P為巖體破壞載荷(N)；S為巖體初始截面積(mm2);E50為巖體變形模量(MPa)；σ50為巖體50%單向抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力值(MPa)；ε50為試樣與σ50對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變值。

(2) 巖體RQD值、巖體體積節(jié)理系數(shù)JV和完整性指數(shù)KV?；诔暡ǔ上駡D、光學(xué)成像圖和巖心實(shí)物資料，計(jì)算待評(píng)鉆孔巖體RQD值、巖體體積節(jié)理系數(shù)JV和完整性指數(shù)KV。待評(píng)鉆孔巖體RQD值和巖體體積節(jié)理系數(shù)JV的計(jì)算公式如下：

(14)

(15)

式中：∑l為10 m長(zhǎng)度內(nèi)大于10 cm長(zhǎng)的巖心總長(zhǎng)度(m)；L為10 m;JV為巖體體積節(jié)理系數(shù)(條/m3)；i為巖體結(jié)構(gòu)面組數(shù)(組)；n為統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面總組數(shù)(組)；Si為每米巖體內(nèi)測(cè)線結(jié)構(gòu)面條數(shù)(條);S0為每立方米巖體內(nèi)非成組節(jié)理?xiàng)l數(shù)(條)。

巖體完整性指數(shù)KV可根據(jù)表2獲取。

表2 巖體體積節(jié)理系數(shù)(JV)與巖體完整性指數(shù)(KV)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3 鉆孔巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

以zk3007鉆孔為例，本文使用模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型對(duì)zk2007鉆孔巖體質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)。

2.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)概率模糊集構(gòu)建

對(duì)表1中待評(píng)鉆孔評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征值數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，用于消除各評(píng)價(jià)指標(biāo)間不同單位的差異，以方便計(jì)算。數(shù)據(jù)歸一化處理計(jì)算公式如下：

(16)

本文使用Matlab軟件對(duì)zk3007鉆孔巖體質(zhì)量各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了歸一化處理，并在評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)數(shù)值范圍內(nèi)隨機(jī)生成30組樣本數(shù)據(jù)，隨后計(jì)算出每一組樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，再依據(jù)表1中zk3007鉆孔各評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征值和zk3007鉆孔30組樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差繪制zk3007鉆孔巖體質(zhì)量各評(píng)價(jià)指標(biāo)值的概率模糊集函數(shù)圖，見(jiàn)圖4。

圖4 普朗銅礦區(qū)zk3007鉆孔巖體質(zhì)量各評(píng)價(jià)指標(biāo)的概率模糊集函數(shù)圖

2.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)值取樣

在zk3007鉆孔每個(gè)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)概率模糊集函數(shù)圖形的隨意一條曲線中隨機(jī)選取一點(diǎn)的x坐標(biāo)值作為評(píng)價(jià)值，并重復(fù)選取20次，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 普朗銅礦區(qū)zk3007鉆孔巖體質(zhì)量各評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)的概率模糊集隨機(jī)抽樣評(píng)價(jià)值

2.3.3 模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)

本文使用巖石工程系統(tǒng)(RES)理論計(jì)算普朗銅礦區(qū)zk3007鉆孔巖體質(zhì)量各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 普朗銅礦區(qū)zk3007鉆孔巖體質(zhì)量各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值的計(jì)算結(jié)果

對(duì)隨機(jī)抽取的各評(píng)價(jià)指標(biāo)20次評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)取樣值進(jìn)行可拓學(xué)評(píng)價(jià)，并依據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)中各評(píng)價(jià)指標(biāo)不同評(píng)價(jià)等級(jí)的區(qū)間劃分表(見(jiàn)表5)對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)20次評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)取樣值等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，得到巖體質(zhì)量6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，再與采用巖石工程系統(tǒng)(RES)理論得到的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值相乘，可得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同評(píng)價(jià)等級(jí)的總關(guān)聯(lián)度，鉆孔巖體質(zhì)量的預(yù)測(cè)等級(jí)即取總關(guān)聯(lián)度最大值，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 巖體質(zhì)量各評(píng)價(jià)指標(biāo)不同評(píng)價(jià)等級(jí)的區(qū)間劃分[10]

將表6中的評(píng)價(jià)結(jié)果預(yù)測(cè)等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到研究區(qū)zk2007鉆孔巖體質(zhì)量預(yù)測(cè)分級(jí)結(jié)果，見(jiàn)表7。

表6 普朗銅礦區(qū)zk3007鉆孔巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)等級(jí)的總關(guān)聯(lián)度

由表7可見(jiàn)，普朗銅礦區(qū)zk3007鉆孔巖體質(zhì)量預(yù)測(cè)等級(jí)結(jié)果為Ⅱ級(jí)的巖體段所占比例為65%，因此該鉆孔巖體質(zhì)量整體等級(jí)為Ⅱ級(jí)；該鉆孔巖體質(zhì)量良好(Ⅰ、Ⅱ級(jí))和相對(duì)劣質(zhì)(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí))的巖體段所占的比例分別為85%和15%。

表7 普朗銅礦區(qū)zk3007鉆孔巖體質(zhì)量預(yù)測(cè)分級(jí)結(jié)果

2.4 區(qū)域巖體質(zhì)量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

由于區(qū)域巖體質(zhì)量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)步驟與第2.3節(jié)相同，故在本節(jié)不做過(guò)多描述。區(qū)域巖體使用基于模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型對(duì)待評(píng)鉆孔、礦區(qū)3種巖性和工作區(qū)巖體質(zhì)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)分級(jí)，其結(jié)果見(jiàn)表8和表9。

由表8和表9可知：研究區(qū)本次17個(gè)鉆孔參評(píng)，其中15個(gè)鉆孔的整體巖體質(zhì)量為Ⅱ級(jí)，僅2個(gè)鉆孔的整體巖體質(zhì)量分別為Ⅱ～Ⅲ級(jí)和Ⅲ級(jí)；3種巖性巖體質(zhì)量均為Ⅱ級(jí)，其中石英閃長(zhǎng)玢巖和石英二長(zhǎng)斑巖巖體質(zhì)量良好(Ⅰ、Ⅱ級(jí))段巖體占比更高，分別為76%和86%，而角巖巖體質(zhì)量劣質(zhì)(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí))段巖體占比更高，為47%；工作區(qū)整體巖體質(zhì)量為Ⅱ級(jí)。

表8 普朗銅礦區(qū)待評(píng)鉆孔巖體質(zhì)量模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)分級(jí)結(jié)果

表9 普朗銅礦區(qū)各巖性巖體質(zhì)量模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)分級(jí)結(jié)果

2.5 討論

為了驗(yàn)證模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性，本文選取某工程實(shí)例數(shù)據(jù)[22]為樣本，引入RES-云模型和簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)函數(shù)-可拓學(xué)模型等傳統(tǒng)模型進(jìn)行了評(píng)價(jià)模型的可靠性研究，得到該工程不同評(píng)價(jià)模型巖體質(zhì)量的預(yù)測(cè)分級(jí)結(jié)果，見(jiàn)表10。

由表10可知：3種評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)分級(jí)結(jié)果與實(shí)際工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)總體上相同，因此采用RES-云模型和簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)函數(shù)-可拓學(xué)模型等傳統(tǒng)模型對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)是較為合理的；相對(duì)于其他兩種評(píng)價(jià)模型，模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型針對(duì)該工程巖體質(zhì)量的預(yù)測(cè)分級(jí)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)更加符合，說(shuō)明本文提出的模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型具有較高的實(shí)用性。

表10 某工程不同評(píng)價(jià)模型巖體質(zhì)量預(yù)測(cè)分級(jí)結(jié)果的對(duì)比

3 結(jié) 論

(1) 本文以普朗銅礦區(qū)為研究區(qū)，通過(guò)室內(nèi)巖石單軸壓縮試驗(yàn)、超聲波成像測(cè)井技術(shù)、井下光學(xué)視頻成像技術(shù)和巖心滾動(dòng)掃描技術(shù)等多種方法，獲取了巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度RC、巖體變形模量E、巖體RQD值、巖體體積節(jié)理系數(shù)JV、巖體完整性指數(shù)KV和地下水狀態(tài)Q等評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定和評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)選取等方法進(jìn)行改進(jìn)，解決了可拓學(xué)理論對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值只進(jìn)行單一次評(píng)價(jià)，未考慮到其巖體破碎段等問(wèn)題，進(jìn)而提出了適用于巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型。

(2) 通過(guò)模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型對(duì)普朗銅礦區(qū)zk3007鉆孔和區(qū)域巖體質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析。結(jié)果表明：礦區(qū)zk3007鉆孔巖體質(zhì)量的預(yù)測(cè)分級(jí)結(jié)果為Ⅱ級(jí)，鉆孔內(nèi)質(zhì)量良好(Ⅰ、Ⅱ級(jí))和相對(duì)劣質(zhì)(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí))的巖體段所占比例分別為85%和15%；17個(gè)待評(píng)鉆孔中15個(gè)鉆孔的整體巖體質(zhì)量為Ⅱ級(jí)，僅2個(gè)鉆孔的巖體質(zhì)量分別為Ⅱ～Ⅲ級(jí)和Ⅲ級(jí)；礦區(qū)3種巖性巖體質(zhì)量均為Ⅱ級(jí)，其中石英閃長(zhǎng)玢巖和石英二長(zhǎng)斑巖巖體質(zhì)量良好(Ⅰ、Ⅱ級(jí))段巖體占比更高，分別為76%和86%，角巖巖體質(zhì)量劣質(zhì)(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí))段巖體占比更高，為47%；工作區(qū)整體巖體質(zhì)量為Ⅱ級(jí)。

(3) 以某工程現(xiàn)場(chǎng)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)為基準(zhǔn)，引入RES-云模型和簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)函數(shù)-可拓學(xué)模型等傳統(tǒng)模型來(lái)驗(yàn)證模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：相對(duì)于其他兩種預(yù)測(cè)模型，模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型對(duì)該工程巖體質(zhì)量的預(yù)測(cè)分級(jí)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)更符合，說(shuō)明本文提出的模糊RES-可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)模型具有較高的實(shí)用性。