可拓物元法在洞室巖體質量分級中的應用

蔡 斌，劉 暢

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 概 述

地下洞室工程中，有多種圍巖分類評價方法，常用的有HC法、RQ法、RMR法等，每種方法考慮的因素不一。可拓評判則從可拓集合理論出發，建立多指標性能參數的質量評定模型，通過定量的數值表示評價結果。這種評判方法最大的優點是可以從中選用不同的考慮因素進行綜合評價，這樣可以使評價指標最優化地接近實際的工程地質情況，分類結果自然比傳統分類方法更加準確。本文以西南大渡河中游龍頭石水電站3號泄洪洞為實例，結合隸屬度的概念，應用可拓理論對巖體進行分類，選取最適合工程實際的評價指標，建立基于洞室巖體質量分級的物元可拓評價模型，較好地解決了工程中的實際問題，為洞室巖體質量分級的綜合評價提供了一條新的途徑。

2 物元可拓評價模型

2.1 物 元

給定事物N關于特征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個特征C1，C2，…，Cn和相應的模糊量值v1，v2，…，vn，則R為n維模糊物元，簡記為R=(N，C，V)。

(1)

式中Ni——第i段待評洞室巖體;

Cj——影響洞室巖體質量的因素(j=1，2，…，n);

Vij——第i段洞室巖體對應于Cj的量值。

2.2 經典域、節域

經典域可表示為：

式中R0i——為一個物元;

Ni——第i個評價類別，即洞室巖體質量類別；

Ci——第i個評價指標，即影響巖體質量的因數；

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

節域可表示為：

式中P——評價類別的個體，即洞室巖體質量類別個體；

VPj——P關于Ci所取的量值范圍，即P的節域〈aPj,bPj〉。

2.3 確定待評物元

對待評的事物P，將所收集到的數據用物元表示，即可得到待評物元R：

式中vi——p關于Ci的量值，即待評事物的所有具體數據。

2.4 確定各評價指標關于各類別等級的關聯度

洞室巖體各單項評價指標關于各類別等級的關聯度為：

|Vij|=|bij-aij|

2.5 確定待評物元關于等級t的關聯度

待評物元關于等級t的關聯度，即計算巖體質量類別的關聯度，Wi為各評價指標的權系數，在綜合評價中,考慮到各因素對圍巖分級的影響程度不同,應根據其作用大小分別賦予不同的權值。權值的計算方法可根據實際情況選取,不同的評價目的及評價因子按不同的公式進行計算。在此采用下式計算：

2.6 判定巖體質量等級

若Kt0(p)=maxKt(p)，則可判定巖體質量類別為t0類。

另外，p的等級變量特征值t*

從t*的數值可以看出待評事物p偏向另一級的程度，即屬于巖體質量t0類別的程度。

3 物元可拓評價模型的工程實例應用

龍頭石水電站位于四川省西部大渡河中游，是一座以發電為主的大型水利水電樞紐工程，水庫總庫容1.199 4億m3，電站裝機容量700MW。其3號泄洪洞布置于左岸，設計洞長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粒花崗巖和細粒花崗巖，并有后期侵入的少量各類基性脈巖。壩址地質構造較簡單，無區域性斷層通過，構造型式以南北向輝綠巖脈發育的擠壓破碎帶、錯動帶和小斷層為主，地下水主要為基巖裂隙水和第四系松散堆積層孔隙水。3號泄洪洞室區巖性為花崗巖，其間穿插有輝綠巖脈，弱風化～微新，巖體總體以鑲嵌～次塊狀結構為主。

3.1 評價指標的選取

根據洞室圍巖分類規范并結合實際情況，在對龍頭石水電站3號泄洪洞開挖后實測地質資料分析的基礎上，控制洞室巖體質量的影響因素主要有：巖石抗壓強度(Rb)、巖石縱波波速(VP)、巖體完整性系數(KV)、體積節理數(Jv)、巖體緊密程度及地下水狀態。因此選取以上影響因數作為評價指標，并對各指標量化分級，經過量化處理后得到表1。

表1 龍頭石水電站洞室巖體質量分級指標

注：表中部分標準值為水力發電工程地質勘察規范取值并結合本工程實際地質條件修正后的量值。

根據3號泄洪洞實測地質資料及主要工程地質特征，現場巖體質量定性分段并綜合分析，給出各段評價指標值，見表2。

3.2 模型計算步驟

下面選取洞室第1段為例，說明物元可拓法的分析計算步驟。

(1)巖體質量經典域、節域物元。根據表1中的評價標準數據構造出經典域、節域物元，這里只舉例給出巖體質量Ⅲ級的經典域物元，其他級別類推。

表2 3號泄洪洞圍巖的可拓物元分級指標值

注：表中所列數據為算術平均值。

巖體質量節域物元：

(2)待評物元。根據表2第1段洞室各因素指標數據形成待評物元。

(3)評價指標的關聯度計算。根據前面計算公式，計算評價指標C1對各質量等級的關聯度如下：

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價指標C2～C6關于各質量等級的關聯度，結果如表3所示。

表3 Kit(vtj)計算結果

(4)巖體質量等級關聯度計算。利用關聯度計算公式計算此段關于Ⅰ級巖體質量的關聯度為

=(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巖體關于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ質量等級的關聯度分別為

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

(5)巖體質量等級判定。根據質量等級關聯度計算結果按照評定標準，由于K14(1)=maxK1t(1) ，則可判定巖體質量類別為Ⅳ類。

則t0=4，根據前面公式，等級變量特征值

從t*的數值可以看出此段巖體質量級別為第Ⅳ類偏向第Ⅲ類。

同理，對隧洞其他段進行可拓分析，最后可得到該隧洞可拓分析結果，從分析結果可以看出，使用可拓物元分析評價的結果與水利水電規范圍巖分類(HC)方法的評價結果基本一致(見表4)。

表4 3號泄洪洞圍巖分類對比

4 結 論

(1)運用可拓物元模型對洞室巖體質量進行分級，是一次新的嘗試，其方法是可行的，結論是可靠的。

(2)該方法從計算過程看，具有概念清晰、計算簡便、評價結果分辨率高等優點。

(3)該方法評價結果與常規方法評價結果基本一致，結果較為理想，為工程巖體質量評價提供了一種新方法，具有廣泛的推廣應用前景。

參考文獻：

[1] 蔡文，楊春燕，林偉初.可拓工程方法[M].北京：科學出版社，1997.

[2] 蔡文.物元模型及其應用[M].北京科學技術文獻出版社，1994.

[3] 王錦國，周志芳，袁永生.可拓評價方法在環境質量綜合評價中的應用[J].河海大學學報，2002(1).